防水型電子數顯卡尺的製作方法
2023-09-20 08:12:00 2
專利名稱：防水型電子數顯卡尺的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種防水型電子數顯卡尺，是機械加工、計量測試、在線檢測、產品檢驗等部門的常規必備工具之一，屬於測量儀器技術領域。
目前國內外陸續推出一些具有防水功能的電子數顯卡尺，基本上可以分為以下四種形式(1)利用密封技術實現防水這類方法主要是通過各種密封措施，阻止液體進入傳感器內部，從而實現防水功能，如「靜電電容式遊標卡尺」(中國發明專利，申請號96104062)、「電容式數顯卡尺」(中國發明專利，申請號98116518)等所介紹。由於傳感器本身在原理上並不具備防水功能，因此這種卡尺並不屬於真正意義上的防水卡尺。
(2)利用塗層實現防水這類方法主要是通過在原有容柵傳感器的電極表面鍍上一層特殊的塗層，從而實現防水功能，如「減少電容位置傳感器對汙染物敏感程度的電介質覆蓋層」(中國發明專利，申請號94115304)所介紹。由於傳感器仍然是電容傳感器，本身在原理上並不具備防水功能，因此這種卡尺並不屬於真正意義上的防水卡尺。
(3)利用電感傳感器實現防水這類方法主要是採用特殊的電感傳感器實現測量，即利用激勵線圈在導電體內產生電渦流來影響感應線圈的輸出信號，從而實現位移測量，如日本三封株式會社的「感應電流位置傳感器」(發明專利申請號96108034)、「應用小功率電感式位置傳感器的電子卡尺」(發明專利申請號971115850)、「減少偏差的高精度感應電流位置傳感器」(發明專利申請號98106179)等所介紹。這類傳感器在原理上具有防水和灰塵以及鐵磁顆粒的功能，可以徹底解決防水問題，是理想的防水卡尺構成方案之一。缺點是耗電大，必須採用脈衝式間隙供電方式才能實用化，而且傳感器尺寸略大。
(4)利用磁式傳感器實現防水這類方法主要是採用各種磁式傳感器實現位移測量，如「高精度便攜電子遊標卡尺」(發明專利申請號97182164)、「測量尺度的磁阻傳感器」(發明專利申請號98107990)所介紹。這類傳感器在原理上具有防水功能，可以徹底解決防水問題，但是仍然對鐵磁顆粒以及灰塵敏感。
為實現這樣的目的，本發明採用電渦流傳感器組成位移檢測器件，在定尺上安裝具有一定規則形狀、按照一定波長周期性均勻排列的金屬反射導體，在動尺上安裝數個具有特定間距和形狀的傳感器線圈。當線圈中通以交變電流時，將在空間產生交變電磁場，並在定尺的反射導體上產生電渦流。當定尺與動尺之間產生相對移動時，在電渦流的作用下對磁場產生調製作用，由此實現位移測量，同時具有防水功能。
本發明的防水數顯卡尺具有常規數顯卡尺的主要結構，包括一個定尺、一個動尺(或稱滑尺)、傳感器線圈、驅動電路和控制電路等。動尺沿定尺移動而實現位移測量。在定尺上按照一定波長周期性均勻排列金屬反射導體。這些反射導體具有一定規則形狀，例如矩形、方形、菱形、三角形、正弦形等等。同時，這些反射導體可具有多個碼道的形式，不同碼道上的反射導體在卡尺移動方向上的相互位置可完全一致，也可錯開一定間隔。
動尺上安裝的傳感器線圈沿卡尺移動方向均勻排列，其間隔與定尺上的反射導體的分布波長具有確定的對應關係。這些傳感器線圈可分布在多個並行碼道上，碼道數目的多少與定尺的碼道數目一致。不同碼道上的線圈在卡尺移動方向上的相互位置可完全一致，也可錯開一定間隔，並與定尺的反射導體具有確定的對應關係。每個碼道的波長可以一致，也可以略有不同，從而可以構成不同的測量模式，達到不同的測量要求和目的。
上述傳感器線圈是在驅動電路的驅動和控制下工作的。這些傳感器線圈是發射線圈，裡面通過交流電流，從而在線圈周圍空間形成交變。由於定尺上面的部分反射導體將處於此交變磁場的作用區域內，因此在這些反射導體內將產生電渦流，並反過來對發射線圈的電參數產生影響。而傳感器線圈同時又是接收線圈，它可以感受來自這些反射導體中的電渦流效應，使得線圈本身的電感產生變化，並導致驅動電路振蕩器的頻率和幅值變化。當動尺與定尺之間產生相對移動後，傳感器線圈與反射導體的相對位置發生變化，輸出的電信號的頻率和幅值也相應同步改變，從而可以實現位移測量。由於這種電渦流式位移傳感器不受液體介質以及磁性物質的影響，因此可以實現防水功能。
由於定尺上的反射導體是均勻分布的，因此，隨著動尺與定尺之間的位置不同，輸出信號的頻率成周期性變化。同時，為了提高測量靈敏度、降低定尺與動尺之間的間隙變動對測量結果的影響，一般採用兩個相距1/2波長的線圈，從而實現差動結構模式。為了便於傳感器線圈的安裝和布局，兩個差動線圈的距離也可以安排成1/2波長、3/2波長、5/2波長等等。
傳感器線圈可以利用多層印製電路板工藝製造，因此具有工藝穩定、價廉、快速、穩定等優點。同時，可以將傳感器線圈以及驅動電路、控制電路、通訊接口等製作在同一塊電路板上，從而大大降低整個測量模塊的體積和可靠性，降低成本，提高可維護性。
本發明採用脈衝間歇式供電方式為傳感器線圈提供能源，而且供電脈衝的佔空比很小，因此可以最大限度地降低功耗，延長使用時間。
本發明採用單片機系統進行驅動電路控制、傳感器輸出信號的採集與轉換、數據處理、誤差補償與修正、數值計算、結果顯示等。
採用低功耗液晶顯示器，符合一般觀察和操作習慣，同時具有米制/英制顯示轉換、節能(定時關斷)、清零等功能。
與常規電子數顯卡尺類似，本發明的電子數顯卡尺具有通用的通訊接口(一般為串行RS-232c接口)，因此可以方便地與PC機、印表機或其他設備連接，進行數據傳輸、統計分析、列印結果與報表等。
電源採用體積小、容量大的鋰電池，可以滿足卡尺長期連續的工作需要，同時又符合環保要求。
本發明採用電渦流位移傳感器，真正實現了電子數顯卡尺的防水功能，徹底解決了傳統數顯卡尺不能用於具有液體介質的加工現場等問題，可以滿足工業現場、加工過程、野外作業以及各種複雜和特殊場合的使用要求，能夠避免各種液體以及磁性物質對測量的影響。採用多碼道測量形式，可以實現卡尺位置的絕對測量，不丟數，並能保證較高的定位精度。
本發明的防水型電子數顯卡尺，同樣也可以用於實現其他長度以及角度測量器具，例如防水型高度尺、防水數顯千分表、防水數顯百分表、防水數顯測微儀等。
圖中，1為定尺，2為反射導體，3為驅動電路，4為傳感器線圈，5為控制電路，6為動尺。
如
圖1所示，本發明包括一個定尺1、一個動尺6、若干傳感器線圈4、驅動電路3、控制電路5、顯示器、通訊接口、按鍵、乾電池等。驅動電路3包括驅動器和脈衝電路，控制電路5包括單片機、控制器、採樣器、顯示電路和通訊接口、接口電路。在定尺1上沿著定尺移動方向均勻排列著一系列具有規則形狀的金屬反射導體2；動尺6通過機械結構安裝在定尺上，並可以沿著定尺尺身滑動；在動尺6上安裝數個電渦流傳感器線圈4，這些傳感器線圈4沿卡尺移動方向均勻排列，其間隔與定尺上的金屬反射導體2的分布波長具有確定的對應關係。傳感器線圈4通過驅動器與脈衝電路相連，傳感器線圈4的輸出經採樣器與單片機連接，單片機的輸出經顯示電路連接顯示器，通過控制器連接脈衝電路，通過通訊接口與外部設備連接，並通過接口電路與按鍵相連。驅動電路3、控制電路5和顯示器均與乾電池相連。
驅動器由脈衝電路間歇供電，為傳感器線圈4提供激勵信號，傳感器線圈4的輸出電信號經過採樣器後送入單片機進行數據處理和計算，最終的測量結果通過顯示電路送至顯示器進行數字顯示；單片機通過控制器來控制脈衝電路，實現間歇供電；單片機通過通訊電路與外部設備(例如上位機、印表機、其他終端等)傳輸數據；單片機通過接口電路讀取按鍵，執行相應操作和實現不同功能；驅動電路3、控制電路5和顯示器均由乾電池統一供電，維持系統工作。
上述傳感器線圈4在驅動電路3的驅動和控制下工作。這些傳感器線圈4是發射線圈，裡面通過交流電流，從而在線圈周圍空間形成交變。由於定尺1上面的部分反射導體2將處於此交變磁場的作用區域內，因此在這些反射導體2內將產生電渦流，並反過來對發射線圈的電參數產生影響。而傳感器線圈4同時又是接收線圈，它可以感受來自這些反射導體中的電渦流效應，使得線圈本身的電感產生變化，從而導致驅動電路振蕩器的頻率和幅值變化，並將此變化信號輸出。當動尺6與定尺1之間產生相對移動後，傳感器線圈4與反射導體2的相對位置發生變化，輸出的電信號的頻率和幅值也相應同步改變，從而可以實現位移測量。
由於定尺1上的反射導體2是均勻分布的，因此，隨著動尺6與定尺1之間的位置不同，輸出信號的頻率成周期性變化，其變化周期等於測量波長。
本發明的傳感器線圈4同驅動電路3、控制電路5、通訊接口等製作在同一塊電路板上，採用脈衝間歇式供電方式為傳感器線圈提供能源，採用單片機系統進行控制，採用低功耗液晶顯示器，並具有通用的通訊接口，結構緊湊，工作可靠，可以長期連續工作。
權利要求
1.一種防水型電子數顯卡尺，包括定尺(1)、動尺(6)、傳感器線圈(4)、驅動電路(3)和控制電路(5)，其特徵在於在定尺(1)上按照一定波長周期性均勻排列具有規則形狀的金屬反射導體(2)，在動尺(6)上安裝傳感器線圈(4)，傳感器線圈(4)沿卡尺移動方向均勻排列，其間隔與金屬反射導體(2)的分布波長具有確定的對應關係，傳感器線圈(4)通過驅動器與脈衝電路相連，傳感器線圈(4)的輸出經採樣器與單片機連接，單片機的輸出經顯示電路連接顯示器，通過控制器連接脈衝電路，通過通訊接口與外部設備連接，並通過接口電路與按鍵相連，驅動電路(3)、控制電路(5)和顯示器均與乾電池相連。
2.如權利要求1所說的防水型電子數顯卡尺，其特徵在於金屬反射導體(2)為矩形、方形、菱形或三角形。
3.如權利要求1或2所說的防水型電子數顯卡尺，其特徵在於金屬反射導體(2)具有多個碼道，不同碼道上的金屬反射導體(2)在卡尺移動方向上的相互位置完全一致或錯開一定間隔。
4.如權利要求1所說的防水型電子數顯卡尺，其特徵在於傳感器線圈(4)分布在多個碼道上，碼道數目與定尺的碼道數目一致，不同碼道上的線圈在卡尺移動方向上的相互位置完全一致或錯開一定間隔，並與金屬反射導體(2)具有確定的對應關係。
5.如權利要求1所說的防水型電子數顯卡尺，其特徵在於傳感器線圈(4)接成差動輸出形式，兩個差動線圈的距離安排成1/2波長、3/2波長或5/2波長。
全文摘要
本發明涉及一種防水型電子數顯卡尺，由電渦流傳感器組成位移檢測器件，在定尺上安裝具有一定規則形狀、按照一定波長周期性均勻排列的金屬反射導體，在動尺上安裝數個具有特定間距和形狀的傳感器線圈。當線圈中通以交變電流時，將在空間產生交變電磁場，並在定尺的反射導體上產生電渦流。當定尺與動尺之間產生相對移動時，在電渦流的作用下對磁場產生調製作用，由此可以實現位移測量，具有防水功能。
文檔編號G01B3/20GK1439861SQ0311590
公開日2003年9月3日 申請日期2003年3月20日 優先權日2003年3月20日
發明者趙輝, 俞樸, 馬東麗 申請人:上海交通大學, 桂林廣陸數字測控股份有限公司