基於電磁感應的高精度定位系統的製作方法

2023-11-09 04:24:32

專利名稱：基於電磁感應的高精度定位系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電子技術領域，涉及定位系統，尤其是涉及一種基於電磁感應的 高精度定位系統。
背景技術：
為了實現準確地定位，人們進行了長期的探索，提出了各種各樣的解決方案。例 如，中國專利文獻公開了一種用於楔橫軋工藝軋件軸向定位裝置[申請號=93201084. 9]， 其特點是利用電磁感應原理，對裝在外殼內的線圈架上的線圈通電，在磁場力的作用下， 使線圈架孔內的芯鐵動作，推動與芯線連在一起的定位杆移動實現對軋件軸向精確定 位。還有人發明了一種電磁感應系統的四四分式天線布局與五段式坐標定位法[申請號 02119706. 7]，該專利申請是將天線迴路分為X方向與Y方向兩群組，同一群組皆為同向且 具有等間距性位移的天線迴路，每個方向群內的天線迴路包含多個天線迴圈，而每一條天 線迴圈的形成包含自身密集多次重複繞圈的方法，此外，電磁感應系統的五段式掃描程序 至少包含下列步驟首先，進行一第一程序以確認是否有信號的電壓振幅強度大於信號識 別準位下限值；接著，進行一第二程序以確認前次掃描的信號是否存在，並確認發射源最接 近的天線迴圈；之後，進行一第三程序以取得坐標值；最後，電磁感應系統之內部微處理器 可依據振幅的坐標值計算出一組絕對坐標。上述方案雖然在一定程度上提高了定位準確性，但是仍然存在著結構設計不夠合 理，控制精度不高，造價成本較高，應用領域不夠廣泛等技術問題。
發明內容本實用新型的目的是針對上述問題，提供一種設計合理，結構簡單，定位精度高， 易於操作使用，且成本較低的基於電磁感應的高精度定位系統。為達到上述目的，本實用新型採用了下列技術方案本基於電磁感應的高精度定 位系統，其特徵在於，本定位系統包括電磁感應傳感器和控制及測量系統，所述的控制及測 量系統包括能產生激勵信號的激勵信號產生模塊，所述的激勵信號產生模塊與能在外力作 用下動作的電磁感應傳感器相連接，所述的電磁感應傳感器在動作時能產生電磁感應信號 且該電磁感應信號能被控制及測量系統接收，所述的控制及測量系統能根據激勵信號和電 磁感應信號實現定位處理。在上述的基於電磁感應的高精度定位系統中，所述的電磁感應傳感器包括電磁耦 合線圈，在電磁耦合線圈中穿設有一根活塞杆，該活塞杆上具有間隔設置的導磁部和非導 磁部，所述的導磁部和非導磁部的長度相等且相鄰的一個導磁部和一個非導磁部構成一個 節距。在上述的基於電磁感應的高精度定位系統中，所述的激勵信號產生模塊包括晶 振，連接在晶振上的分頻計數單元，在分頻計數單元上連接有正弦信號產生單元和餘弦信 號產生單元，所述的正弦信號產生單元通過數字濾波單元與一對正弦信號線相連，所述的餘弦信號產生單元通過另一數字濾波單元與一對餘弦信號線相連，所述的正弦信號線和餘 弦信號線均與電磁感應傳感器相連。在上述的基於電磁感應的高精度定位系統中，所述的電磁耦合線圈通過一對電磁 感應信號線與控制及測量系統相連接，當活塞杆在電磁耦合線圈內軸向移動時所述的電磁 感應傳感器能產生電磁感應信號，且該電磁感應信號能通過電磁感應信號線傳輸至控制及 測量系統。在上述的基於電磁感應的高精度定位系統中，所述的控制及測量系統還包括位移 量計算單元，所述的電磁感應傳感器與位移量計算單元相連接，所述的激勵信號產生模塊 與位移量計算單元相連接。在上述的基於電磁感應的高精度定位系統中，所述的位移量計算單元包括依次相 連的信號放大單元、整形單元、過零檢測單元、數據採集單元和信號處理器，所述的信號放 大單元與電磁感應傳感器相連接，所述的激勵信號產生模塊與信號處理器相連接，所述的 分頻計數單元通過基準相位提取單元與過零檢測單元相連接，所述的信號處理器上連接有 位移數據輸出單元。在上述的基於電磁感應的高精度定位系統中，所述的信號處理器包括能夠判斷被 測物體移動方向的移動方向判斷單元。在上述的基於電磁感應的高精度定位系統中，所述的節距的長度為2nmm，n為自然數。與現有的技術相比，本基於電磁感應的高精度定位系統的優點在於1、設計合理， 結構簡單，檢測精度高，工作穩定性好，且操作使用方便，成本較低。2、功能全面，既能實現 位移大小的測量，又能檢測位移方向。3、抗環境幹擾能力強。

圖1是本實用新型提供的結構示意圖。圖2是本實用新型提供的原理框圖。圖3是本實用新型提供的激勵信號產生模塊原理框圖。圖4是本實用新型提供的正弦信號、餘弦信號和電磁感應信號的波形圖。圖中，電磁感應傳感器1、電磁耦合線圈11、活塞杆12、導磁部121、非導磁部122、 節距T、控制及測量系統2、激勵信號產生模塊21、晶振211、分頻計數單元212、正弦信號產 生單元213、餘弦信號產生單元214、數字濾波單元215、位移量計算單元22、信號放大單元 221、整形單元222、過零檢測單元223、數據採集單元224、信號處理器225、移動方向判斷單 元2250、位移數據輸出單元226、基準相位提取單元20。
具體實施方式
如圖1-4所示，本基於電磁感應的高精度定位系統包括電磁感應傳感器1和控制 及測量系統2。控制及測量系統2包括能產生激勵信號的激勵信號產生模塊21。激勵信號 產生模塊21與能在外力作用下動作的電磁感應傳感器1相連接。電磁感應傳感器1在動 作時能產生電磁感應信號且該電磁感應信號能被控制及測量系統2接收。控制及測量系統 2能根據激勵信號和電磁感應信號實現定位處理。[0020]電磁感應傳感器1包括電磁耦合線圈11，在電磁耦合線圈11中穿設有一根活塞 杆12，該活塞杆12上具有間隔設置的導磁部121和非導磁部122。導磁部121和非導磁部 122的長度相等且相鄰的一個導磁部121和一個非導磁部122構成一個節距T。激勵信號 產生模塊21包括晶振211，連接在晶振211上的分頻計數單元212，在分頻計數單元212上 連接有正弦信號產生單元213和餘弦信號產生單元214。正弦信號產生單元213通過數字 濾波單元215與一對正弦信號線相連，餘弦信號產生單元214通過另一數字濾波單元215 與一對餘弦信號線相連。正弦信號線和餘弦信號線均與電磁感應傳感器1相連。電磁耦合線圈11通過一對電磁感應信號線與控制及測量系統2相連接，當活塞杆 12在電磁耦合線圈11內軸向移動時所述的電磁感應傳感器1能產生電磁感應信號，且該電 磁感應信號能通過電磁感應信號線傳輸至控制及測量系統2。控制及測量系統2還包括位移量計算單元22，電磁感應傳感器1與位移量計算單 元22相連接，激勵信號產生模塊21與位移量計算單元22相連接。位移量計算單元22包括依次相連的信號放大單元221、整形單元222、過零檢測單 元223、數據採集單元224和信號處理器225。信號放大單元221與電磁感應傳感器1相連 接。激勵信號產生模塊21與信號處理器225相連接。分頻計數單元212通過基準相位提 取單元20與過零檢測單元223相連接，信號處理器225上連接有位移數據輸出單元226。 信號處理器225包括能夠判斷被測物體移動方向的移動方向判斷單元2250。更具體地說，每個節距T的尺寸為2nm，其中η為自然數。本實用新型中，為了實現 高精度測量，並且測量的精度不因電路中振蕩頻率的變化而產生影響，激勵的正、餘弦信號 完全採用數字方式產生，並且正、餘弦信號的相位差嚴格同步在η/2。正、餘弦信號的一個 周期也正好是一個節距T分割的脈衝數2η，其中η為自然數。又因為產生的脈衝數，正弦、 餘弦信號都是根據同一個晶振211，所以確保了測量的精度。活塞杆12是由外接的動力機構驅動其軸向移動的。同時，活塞杆12移動時，電磁 耦合線圈11與導磁部121和非導磁部122的磁阻重複發生變化，該磁阻的變化就使得電磁 耦合線圈11中的電磁感應電壓相位發生變化，這裡的電磁感應電壓與正弦信號和餘弦信 號頻率相同，但相位不同。電磁感應電壓E的計算公式為E = K Sin(ω t-2 π χ/Τ)，其中T為節距，χ為節距內移動的絕對距離。電磁感應電壓信號與正弦信號I Sincot相位比較計算出相位差Δ θ。Δ θ = θ
感應_ Q激勵=Q感應_ο = Q感應=2耵χ/τ因此，χ = Δ θ Τ/2 π，這樣就可以利用Δ θ計算出位移量χ。這裡的關鍵是由 於I Sincot的產生是用計脈衝數的方法產生(即計脈衝數的起點均為0)，這樣對於電磁感 應電壓只要作過零檢測，然後統計出這時計的脈衝數就是電磁感應信號的相位△ θ。在實 際測量過程中，由於被測物體是雙向移動的，因此對位移的檢測既要檢測大小，又要檢測方 向。傳統的判向電路採用分立原件構成，電路複雜，成本高。本實用新型的移動方向判斷單 元充分利用了微處理器(信號處理器225)的計算功能，不僅電路簡單，而且可靠，成本低。 在檢測一個信號周期內信號處理器225讀取分頻計數單元212中的脈衝數。例本次檢測 得到的脈衝數為而前一次測量得到的脈衝數為y"，則在一個檢測信號周期內位移脈衝 增量值為Ayi = yi-y^。根據Ayi的正負即可判定移動方向，但由於沒有考慮到在一個節距T端的情況，在節距T端處，脈衝數會有跳變，如仍按Δ yi = Yi-Yi^1計算，將會產生錯誤， 必須對Ayi =YiIp1進行修正。若根據最大運動速度，激勵信號可在兩次採樣期間，位移 脈衝增量的絕對值不會超過特定值。以物體最大運動速度不超過8米/秒，激勵信號頻率 5khz (0. 2ms)，則兩次採樣期間，位移脈衝增量的絕對值不超過4096，即| Yi-Yi^11 ^ 4096，則 Ayi = Yi-Yi-I 修正為
權利要求一種基於電磁感應的高精度定位系統，其特徵在於，本定位系統包括電磁感應傳感器(1)和控制及測量系統(2)，所述的控制及測量系統(2)包括能產生激勵信號的激勵信號產生模塊(21)，所述的激勵信號產生模塊(21)與能在外力作用下動作的電磁感應傳感器(1)相連接，所述的電磁感應傳感器(1)在動作時能產生電磁感應信號且該電磁感應信號能被控制及測量系統(2)接收，所述的控制及測量系統(2)能根據激勵信號和電磁感應信號實現定位處理。
2.根據權利要求1所述的基於電磁感應的高精度定位系統，其特徵在於，所述的電磁 感應傳感器(1)包括電磁耦合線圈(11)，在電磁耦合線圈(11)中穿設有一根活塞杆(12)， 該活塞杆(12)上具有間隔設置的導磁部(121)和非導磁部(122)，所述的導磁部(121)和 非導磁部(122)的長度相等且相鄰的一個導磁部(121)和一個非導磁部(122)構成一個節 距(T)。
3.根據權利要求2所述的基於電磁感應的高精度定位系統，其特徵在於，所述的激勵 信號產生模塊(21)包括晶振(211)，連接在晶振(211)上的分頻計數單元(212)，在分頻計 數單元(212)上連接有正弦信號產生單元(213)和餘弦信號產生單元(214)，所述的正弦信 號產生單元(213)通過數字濾波單元(215)與一對正弦信號線相連，所述的餘弦信號產生 單元(214)通過另一數字濾波單元(215)與一對餘弦信號線相連，所述的正弦信號線和餘 弦信號線均與電磁感應傳感器(1)相連。
4.根據權利要求2所述的基於電磁感應的高精度定位系統，其特徵在於，所述的電磁 耦合線圈(11)通過一對電磁感應信號線與控制及測量系統(2)相連接，當活塞杆(12)在 電磁耦合線圈(11)內軸向移動時所述的電磁感應傳感器(1)能產生電磁感應信號，且該電 磁感應信號能通過電磁感應信號線傳輸至控制及測量系統(2)。
5.根據權利要求3或4所述的基於電磁感應的高精度定位系統，其特徵在於，所述的控 制及測量系統(2)還包括位移量計算單元(22)，所述的電磁感應傳感器(1)與位移量計算 單元(22)相連接，所述的激勵信號產生模塊(21)與位移量計算單元(22)相連接。
6.根據權利要求5所述的基於電磁感應的高精度定位系統，其特徵在於，所述的位 移量計算單元(22)包括依次相連的信號放大單元(221)、整形單元(222)、過零檢測單元 (223)、數據採集單元(224)和信號處理器(225)，所述的信號放大單元(221)與電磁感應傳 感器(1)相連接，所述的激勵信號產生模塊(21)與信號處理器(225)相連接，所述的分頻 計數單元(212)通過基準相位提取單元(20)與過零檢測單元(223)相連接，所述的信號處 理器(225)上連接有位移數據輸出單元(226)。
7.根據權利要求6所述的基於電磁感應的高精度定位系統，其特徵在於，所述的信號 處理器(225)包括能夠判斷被測物體移動方向的移動方向判斷單元(2250)。
8.根據權利要求2或3或4所述的基於電磁感應的高精度定位系統，其特徵在於，所述 的節距⑴的長度為2nmm，η為自然數。
專利摘要本實用新型屬於電子技術領域，涉及一種基於電磁感應的高精度定位系統。它解決了現有技術設計不夠合理，精度不高等技術問題。本定位系統包括電磁感應傳感器和控制及測量系統，控制及測量系統包括能產生激勵信號的激勵信號產生模塊，激勵信號產生模塊與電磁感應傳感器相連接，電磁感應傳感器在動作時能產生電磁感應信號且該電磁感應信號能被控制及測量系統接收，控制及測量系統能根據激勵信號和電磁感應信號實現定位處理。本基於電磁感應的高精度定位系統的優點在於1、設計合理，結構簡單，檢測精度高，工作穩定性好，且操作使用方便，成本較低。2、功能全面，既能實現位移大小的測量，又能檢測位移方向。3、抗環境幹擾能力強。
文檔編號G01D5/245GK201724686SQ20102025952
公開日2011年1月26日 申請日期2010年7月15日 優先權日2010年7月15日
發明者宋依青, 李書旗, 王允龍, 蔡小君 申請人:常州華輝電子設備有限公司;宋依青