基於反射式光柵尺的高精度加速度傳感器的製作方法

2023-09-18 21:44:25

本發明涉及加速度傳感器技術領域，特別是涉及一種基於反射式光柵尺的加速度傳感器。

背景技術：

加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備，高精密加速度計還能應用於飛機或飛彈的慣性導航系統中，其具有姿態檢測、運動檢測等功能。

精密反射式光柵尺作為一種直線位移檢測的重要元件，經常應用於數控工具機的閉環伺服系統中，作為一種直線位移測量反饋裝置，其測量輸出的信號為數字脈衝信號，可進行靈活的數位化處理，具有檢測範圍大、檢測精度高、響應速度快、抗幹擾能力強等諸多優點。

光柵可以應用於加速度的測量，目前基於光柵的加速度傳感器中大多數使用的是光纖光柵，通過測量光纖光柵的中心反射波長來獲得加速度信息，中心反射波長變化的測量需要使用專門的測量儀器，例如光纖光譜儀、波長解調儀等，這類儀器通常比較昂貴，無形中增加了測量成本。因此，設計一種基於低成本的反射式光柵尺的加速度傳感器，具有很好的應用推廣價值。

技術實現要素：

本發明主要解決的技術問題是提供一種基於反射式光柵尺的加速度傳感器，設計簡單、結構緊湊、靈敏度高、成本較低。

為解決上述技術問題，本發明採用的一個技術方案是：提供一種基於反射式光柵尺的加速度傳感器，包括：外殼、導軌、信號生成模塊、反射式光柵尺、限位機構、信號處理模塊、藍牙模塊、電源模塊、頂蓋和導軌滑塊，信號生成模塊粘貼在外殼內部，導軌固定在外殼內部的凸臺上，導軌上裝配有導軌滑塊，導軌的兩端各具有一個用來限制導軌滑塊滑程的限位機構，反射式光柵尺粘貼在導軌滑塊下面，信號處理模塊和電源模塊位於外殼底部的兩側，藍牙模塊焊接在信號處理模塊上，外殼的頂部設置有頂蓋。

在本發明一個較佳實施例中，所述的限位機構包括彈簧和用來固定彈簧的彈簧擋塊。

在本發明一個較佳實施例中，所述的導軌通過螺釘固定在外殼內部的凸臺上。

在本發明一個較佳實施例中，所述的反射式光柵尺為鋼帶光柵尺，光柵柵距20μm。

在本發明一個較佳實施例中，所述的彈簧為圓錐壓縮彈簧，安裝時彈簧處於預緊狀態。

在本發明一個較佳實施例中，所述的電源模塊為安裝有紐扣電池的電路板，通過ffc柔性扁平電纜與信號處理模塊和信號生成模塊連接。

本發明的有益效果是：本發明設計簡單、結構緊湊、靈敏度高、成本較低並以藍牙傳輸方式測量加速度，在某些領域可以代替代較為昂貴的加速度傳感器。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖，其中：

圖1為是本發明一較佳實施例的整體結構圖；

圖2為圖1的結構拆解示意圖；

附圖中各部件的標記如下：1、外殼，2、導軌，3、信號生成模塊，4、反射式光柵尺，5、彈簧擋塊，6、彈簧，7、信號處理模塊，8、藍牙模塊，9、電源模塊，10、頂蓋，11、導軌滑塊。

具體實施方式

下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。

請參閱圖1至圖2，本發明實施例包括：

一種基於反射式光柵尺的加速度傳感器，包括：外殼1、導軌2、信號生成模塊3、反射式光柵尺4、限位機構、信號處理模塊7、藍牙模塊8、電源模塊9、頂蓋10和導軌滑塊11，信號生成模塊3粘貼在外殼1內部，導軌2通過螺釘固定在外殼1內部的凸臺上，導軌2上裝配有導軌滑塊11，導軌2的兩端各具有一個用來限制導軌滑塊滑程的限位機構，反射式光柵尺4粘貼在導軌滑塊11下面，信號處理模塊7和電源模塊9位於外殼1底部的兩側，藍牙模塊8焊接在信號處理模塊7上，外殼1的頂部設置有頂蓋10，所述的限位機構包括彈簧6和用來固定彈簧6的彈簧擋塊5。

其中，外殼1尺寸為40mm×22mm×11mm，頂蓋10尺寸為40mm×22mm×2mm；所述的導軌為精密交叉滾柱導軌副，交叉滾柱導軌副選用gmt公司的grd01-20交叉滾柱導軌，最大行程8mm，具有高剛性、低噪音的優點，其摩擦抵抗非常微小且啟動摩擦抵抗與運動摩擦抵抗幾乎沒有差異，即使微量的移動也能保證正確的循跡性，能夠滿足本應用中高精度的直線運動要求；所述的反射式光柵尺4為鋼帶光柵尺，光柵柵距20μm，所述的彈簧6為圓錐壓縮彈簧，安裝時彈簧6處於預緊狀態；藍牙模塊8選用ti公司的cc2540型號藍牙晶片，它整合了包含微控制器、主機端及應用程式在一個元件上，是一個超低功耗的真正系統級晶片，即使在紐扣電池供電情況下也能保證較長時間的使用；所述的電源模塊9為安裝有紐扣電池的電路板，紐扣電池採用型號為松下cr2032的紐扣電池，電壓3v，直徑20mm，厚度3.2mm，成本低，供電方便且易更換，電源模塊9同時給信號生成模塊3、信號處理模塊7和藍牙模塊8供電，它們之間通過ffc柔性扁平電纜連接；所述的信號生成模塊3同時集成光源、指示光柵和光電傳感器。

基於反射式光柵尺的加速度傳感器在出廠前需對反射式光柵尺進行標定，因為不同的反射式光柵尺存在微小差異，這些差異需要在程序中進行誤差補償，因此需針對每一個特定的反射式光柵尺都需要進行標定。反射式光柵尺標定主要是包括兩部分：1、物理結構的標定，主要是反射式光柵尺4與信號生成模塊3之間的相對位置的標定，他們之間的間隙有一個最佳值；2、光柵信號處理程序的標定，主要是誤差補償。

標定好後，將基於反射式光柵尺的加速度傳感器安裝在待測物體上，安裝時儘量使導軌滑塊11滑動方向與需要測量的加速度方向一致，然後，打開電源模塊和藍牙模塊，通過藍牙使基於反射式光柵尺的加速度傳感器與外部可攜式筆記本電腦進行通信。

本發明基於反射式光柵尺的高精度加速度傳感器的基本工作原理：

首先，由反射式光柵尺4測出導軌滑塊11的微位移量x，然後根據已知的彈簧彈性係數k，得到導軌滑塊11和反射式光柵尺4組成的模塊慣性力的大小f=-kx，最後，根據導軌滑塊11和反射式光柵尺4組成模塊的質量為m以及得到的f，可以得出加速度為a=f/m。

測量加速度的基本過程：首先，被測物的振動傳給基於反射式光柵尺的加速度傳感器外殼1，基於反射式光柵尺的加速度傳感器將隨著被測物體而發生振動；然後，由於彈簧6以及導軌副的共同作用，導軌滑塊11將沿著導軌2方向進行來回振動，導軌2起到了限制導軌滑塊11運動方向的作用，保證了安裝在導軌滑塊11下面的反射式光柵尺4的運動方向以及反射式光柵尺4與信號生成模塊3之間的相對間隙的穩定，利於輸出穩定且解析度高的光柵信號，這時反射式光柵尺4相對於信號生成模塊3也產生相同的相對位移變化，信號生成模塊3將生成的光柵信號傳輸給信號處理模塊7，信號處理模塊7對光柵信號進行處理，得到位移信息；接著，根據胡克彈性定律，彈簧6受到的力越大，變形越大，在彈性限度內，彈簧長度x的變化量和它受到的力f存在一定的比例關係，即f=-kx，其中k為彈簧彈性係數，它由材料的性質決定，負號表示彈簧所產生的彈力與其伸長（或壓縮）的方向相反。這樣就可以由之前的位移信息得到力f，最後，根據牛頓第二定律，物體的加速度a的大小跟物體所受的合外力f成正比，跟物體的質量m成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同，即計算出加速度a=f/m，質量m為反射式光柵尺4和導軌滑塊11共同的質量；加速度信息通過藍牙模塊8發送出來。

本發明基於反射式光柵尺的高精度加速度傳感器的有益效果是：

1、主尺光柵選用反射式光柵尺，易於製造且精度高，有利於提高檢測的靈敏度及精度；光柵尺柵距20微米，細分後解析度可達50nm，解析度高。

2、信號模塊上同時集成了光源、指示光柵和光電傳感器，具有結構緊湊、傳感器體積小、抗幹擾能力強等優點，可廣泛用於各種檢測環境惡劣以及對傳感器尺寸要求嚴格的工程領域。

3、將反射式主尺安裝在高精密交叉滾柱導軌副上，整體穩定性高。

4、選用藍牙模塊作為信號輸出方式，免去了使用線纜的麻煩，傳感器整體尺寸小。

以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。