专利名称：模块化低成本的位移测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及传感器、信号检测与处理领域，是一种利用光电传感器阵列来检 测被测物体位移量的装置。
背景技术：
位移测量装置根据工作原理的不同，可以分为电感式、电容式、霍尔式、光电式等 多种类型。由于本实用新型属于光电式，故以下内容都只是针对采用光电式的同类技术。光 电式位移测量装置又可以分为光栅式和激光式，下面对这几种技术的基本原理和优缺点进 行简要的分析。光栅式位移测量装置的基本原理是当一对光栅中的主光栅和副光栅发生相对位 移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过 光电器件转换使黑白相间的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大、整形，得到两路 相差为90°的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。光栅式位移测量装置具有精度高、 测量范围广等优点，但是其制造工艺相对复杂，对工作环境要求较高，油污和灰尘都会影响 其可靠性，因而大多适用于实验室和环境较好的车间。此外，光栅位移测量装置的价格较 高，不太适用于一些低成本的应用场合。激光式位移测量装置主要采用激光三角测量法来检测位移(注激光回波分析法 适用于长距离检测，对短距离的位移检测精度较差)，是一种非接触式的方法。其基本原理 是激光器发出光束经会聚透镜投射到被测物体表面发生散射，其中一部分散射光经过接 收透镜成像于图像传感器上，如果被测物体发生位移，将导致物体表面的光点在激光束的 方向上移动，进而图像传感器上的像点也要随之移动，通过后续处理就可以计算出被测物 体的位移，目前大多数此类产品的分辨率在ΙΟμπι以下。这种方法需要精确设计光路，测量 装置体积较大、成本高。通过对现有技术的检索，目前大多数光电式位移测量装置也都是基于上述两种原 理。例如华中科技大学王生怀等人的中国专利“一种激光相位光栅干涉位移传感器”[申 请号200710168674. 2]、哈尔滨工业大学孙立宁等人的中国专利“双光栅位移传感器计数 方式的位置检测装置及其检测方法”[申请号200510010288. 1]、北京交通大学谢芳等人的 中国专利“利用光纤光栅的光纤干涉型在线微位移测量系统”[申请号200710063770. 0] 等都是光栅型位移测量装置。厦门大学王磊等人的中国专利“离轴旋转对称型激光三 角位移传感器”[申请号200810070652. 7]则是基于激光三角测量法来检测位移的。此 外，清华大学刘刚等人的中国专利“基于双频激光器的自混合干涉位移传感器”[申请号 200510011230. 9]、重庆工学院张兴红等人的中国专利“基于光盘数据系统的激光栅角位移 传感器”[申请号200710093117. 9]都具有结构和原理复杂的特点，相应的实现成本也较 高。济南大学艾长胜等人的中国专利“基于激光图像及对应像素距离度量的位移测量装置 及方法”[申请号200810014281.0]是一种与本实用新型相类似的技术，但通过仔细分析， 1.已公开的发明专利的激光光源和图像传感器是分开的，因而成本较高；2.已公开的发明
3专利的光源限定为激光；3.已公开的发明专利的图像处理设备为通用DSP芯片。如上所述， 已公开的光电式位移传感器大都具有成本高、结构复杂、工作环境要求苛刻等缺陷。
实用新型内容本实用新型旨在克服当前光电式位移传感器成本高、结构复杂、工作环境要求苛 刻等缺陷，为此，本实用新型提供一种低成本、低功耗、模块化、简单可靠、性能优越的位移 检测装置。该实用新型预期批量化成本可以控制在300RMB以下，位移测量分辨率可以达到 10 μ m以下，具有极高的性价比，且对工作环境要求很低，能够满足绝大多数接触式位移测
量的需要。为达成所述目的，本实用新型的模块化低成本位移测量装置，由框架、滑动导轨、 位移检测模块以及通信显示电路组成一体结构，其中框架是由三个或三个以上的边框组 成的封闭或半封闭的中空结构，在其中的两个边框上具有两个相对的滑动孔；滑动导轨安 装在滑动孔中，滑动导轨的两端位于框架外部，且滑动导轨只能够顺着滑动孔沿轴向前后 移动；滑动导轨的一端与被测物体固定连接，且滑动导轨随着被测物体的位移沿着滑动孔 移动；位移检测模块固接在框架的内壁上，且位移检测模块的工作面正对滑动导轨且与之 保持合适的距离；位移检测模块用于检测滑动导轨的位移量并间接得到被测物体的位移 量；通信显示电路与位移检测模块连接，负责通信显示电路与位移检测模块两者之间的通 信和控制，同时通信显示电路用于显示被测物体的位移量、提供通信接口供外部使用。其中，所述框架为封闭或半封闭的中空圆柱体结构、中空长方体结构、中空正方体 结构、中空四边形结构和中空三角形结构中的任意一种结构。其中，所述位移检测模块由光源、镜头、光电传感器阵列和信号检测电路组成并且 封装成一个独立模块；光源位于滑动导轨的上方，光源发出的光投射到滑动导轨上面并反 射，且滑动导轨的移动会引起反射光的光强发生变化；镜头位于光源的反射光轴上，光电传 感器阵列的输入端面位于镜头的输出端面上，用于接收光强变化的反射光并输出随光强变 化的电信号；信号检测电路的输入端与光电传感器阵列的输出端连接，用于检测电信号的 变化量，并输出滑动导轨的位移量。其中，所述光源可以是激光光源，或是普通LED光源。其中，所述光电传感器阵列的排列组织方式可以是一维阵列排列、二维阵列排列、 周期性的一维梳状排列及周期性的二维梳状排列方式中的任意一种方式。其中，所述光电传感器阵列由多个光敏单元组成，每个光敏单元都与信号检测电 路连接，光电传感器阵列将滑动导轨的表面特征转换并输出与之对应的电信号。本实用新型的有益效果制造工艺简单。整个装置只有滑动导轨一个运动部件，且该滑动导轨对加工精度 和制作材料没有特殊要求，使用金属、塑料等材料经过普通的加工精度制成的滑动导轨都 可以很好地工作，滑动导轨表面也不需要进行任何特殊处理，其表面光洁度对测量结果的 影响也很小，因而对工作环境的要求较低，可以在各种恶劣的环境中使用。模块化程度高。已有的大多数光电式位移测量装置都由光源及光学部件、光电检 测模块、信号处理电路三大部件构成，多采用分体式设计，因而集成度较低、成本较高。而 本实用新型的位移测量装置采用的是高集成度模块化的设计方案，位移检测模块集成了光源、光电传感器阵列、镜头、信号检测电路，因而具有体积小、功耗低、可靠性高等诸多优点。 公开的发明专利的图像处理设备为DSP芯片，而本实用新型没有使用专门的图像处理设 备，因而进一步降低了成本；安装使用方便。光栅型位移测量装置在使用时必须对主光栅和副光栅进行精确安 装，为了防止灰尘、油污等因素的影响，通常还要进行密封和加装保护罩，并且需要定期进 行维护。激光式位移测量装置则需要精确设计光路。而本实用新型的位移测量装置安装简 单，只需要将装置安装在参考物体上，滑动导轨固定在被测物体上即可，并且后期也不需要 特殊的维护。
图1本实用新型的模块化低成本位移测量装置系统框图；图2本实用新型的框架为封闭的中空圆柱体结构的具体实施例；图3本实用新型的框架为封闭的中空长方体结构的具体实施例；图4本实用新型的框架为半封闭的中空四边形结构的具体实施例；图5a和图5b本实用新型的线阵光电传感器阵列及其相关运算示意图；图6本实用新型的“梳状”光电传感器阵列及其输出信号；图7本实用新型的模块化低成本位移测量装置的具体实施例。
具体实施方式
下面就本实用新型的各个方面给出一些具体的实施例本实用新型的模块化低成本位移测量装置系统框图如图1所示，主要由框架1、滑 动导轨2、位移检测模块3和通信显示电路4组成，其中框架1是由三个或三个以上的边 框组成的封闭或半封闭的中空结构，在其中的两个边框上具有两个相对的滑动孔；滑动导 轨2安装在滑动孔中，滑动导轨2的两端位于框架外部，且滑动导轨2只能够顺着滑动孔沿 轴向前后移动；滑动导轨2的一端与被测物体固定连接，且滑动导轨2随着被测物体的位移 沿着滑动孔移动；位移检测模块3固接在框架1的内壁上，且位移检测模块3的工作面正对 滑动导轨2且与之保持合适的距离；位移检测模块3用于检测滑动导轨的位移量并间接得 到被测物体的位移量；通信显示电路4与位移检测模块3连接，负责通信显示电路4与位移 检测模块3两者之间的通信和控制，同时通信显示电路4用于显示被测物体的位移量、提供 通信接口供外部使用。所述框架1为封闭或半封闭的中空圆柱体结构、中空长方体结构、中空正方体结 构、中空四边形结构和中空三角形结构中的任意一种结构。下面就本实用新型的框架1给 出几个具体的实施例实施例一封闭的中空圆柱体结构，如图2所示，框架1为中空圆柱体结构，中空 圆柱体结构包括一个筒形边框和两个圆形边框，两个圆形边框位于中空圆柱体结构的轴线 上，筒形边框与位移检测模块3的一个端面固定连接，在筒形边框两端的两个圆形边框上 各设有一个滑动孔11和一个滑动孔12，滑动孔11和滑动孔12相对放置，滑动导轨2的放 置于滑动孔11和滑动孔12之中，且滑动导轨2只可以沿着其轴向自由移动。滑动导轨2 可以为如图2所示的圆柱体结构，也可以是扁平的长条形结构，当滑动导轨2为长条形结构
5时，滑动孔11和12也应为对应的长方形，与滑动导轨2的截面形状相一致。实施例二 封闭的中空长方体结构，如图3所示，框架1为中空长方体体结构，由 前、后、左、右、上、下六个边框组成。在中空长方体结构的左右两个边框上各有一个滑动孔 11和12，滑动孔11和12相对放置，滑动导轨2的两端分别置于滑动孔11和12之中，且滑 动导轨2只可以沿着其轴向自由移动。实施例三半封闭的中空四边形结构，如图4所示，框架1为半封闭的中空四边形 结构，由左、右、上、下四个边框组成，与实施例二的中空长方体结构之间的区别在于去掉了 长方体的前后两个边框。在半封闭的中空四边形结构的左右两个边框上各有一个滑动孔11 和12，滑动孔11和12相对放置，滑动导轨2的两端分别置于滑动孔11和12之中，且滑动 导轨2只可以沿着其轴向自由移动。当框架1为封闭结构时，还应该在框架1上预留出一个孔，作为安装在框架内壁的 位移检测模块3与安装在框架外部的通信显示电路4之间供电、通信电缆的连接通道。位移检测模块3将位移量转化为设定格式的数字量；通信显示电路4能对位移检 测模块3发送过来的信息进行后续处理，也可以根据实际需要提供各种通信接口供外部使 用或者显示位移量等各种信息。位移检测模块3由光源31、镜头32、光电传感器阵列33和信号检测电路34组成。 位移检测模块3采用一体化的结构，光源31、镜头32、光电传感器阵列33和信号检测电路 34封装成一个独立的模块，极大地提高了系统的稳定性和可靠性，降低了成本。光源31可 以是普通的LED光源也可以是激光光源。光源31位于滑动导轨2的上方，由光源31发出 的光投射到滑动导轨2上面发生反射，滑动导轨2的位移会引起反射光的光强发生变化；镜 头32位于光源31的反射光轴上，光电传感器阵列33的输入端面位于镜头32的输出端面 上，用于接收镜头32输出的光强变化的反射光并输出随光强变化的电信号；信号检测电路 34的输入端与光电传感器阵列33的输出端连接，信号检测电路34探测到随光强变化的电 信号的这种变化，并将其转化为与滑动导轨2位移量相关的数字量或直接得出位移量，并 发送给通信显示电路4进行处理、显示或者通过各种通信接口供外部使用。本实用新型的模块化低成本位移测量装置的几个主要部件中，关键部件是位移检 测模块3，而其中的光电传感器阵列33的组织和连接方式以及信号检测电路34所使用的检 测方法又是位移检测模块3的核心。所述光电传感器阵列33的排列组织方式可以是一维 阵列排列、二维阵列排列、周期性的一维梳状排列及周期性的二维梳状排列方式中的任意 一种方式。所述光电传感器阵列33由多个光敏单元组成，每个光敏单元都与信号检测电路 34连接，光电传感器阵列33将滑动导轨2的表面特征转换并输出与之对应的电信号。下面针对光电传感器阵列33的组织和连接方式以及信号检测电路34所使用的检 测方法给出几个具体的实施例。实施例一光电传感器阵列33可以采用线阵或面阵的排列方式，为了简化说明， 这里以线阵排列方式进行描述。如图5a所示，光电传感器阵列33由5个光敏单元331-335 组成(注这里只是进行原理性说明，实际中为了提高算法的精确度和鲁棒性，所使用的光 敏单元通常远大于5个)，每个光敏单元都与信号检测电路34连接。光电传感器阵列33能 够将滑动导轨2的表面特征转化为一维灰度图像，当滑动导轨2发生微小位移时，一维灰度 图像序列具有很高的相关性，对位移前后的两幅一维灰度图像进行相关运算就可以得到滑动导轨的精确位移。图像相关运算是图像处理领域的常用算法，下面对其进行位移检测的 原理作简要介绍。如图5b所示，&和gi分别是滑动导轨2位移前和位移后的一维灰度图 像，i = l，2，…N，其中N为光敏单元的个数，这里N= 5。那么和gi的相关函数为corr (/, g)m= [二 f,.( 1)式(1)中，m为延迟。从图5b中可以看出gi是由&向右移动一个位置得到，而图 像移动这一个位置又与滑动导轨2的位移量有一个确定的关系。不妨令gi = fi+1，代入式 (1)，得到:corr (f,g)m =YjIjrft^m(2)在本例中，显然当延迟m = 1的时候，corr(f，g)m取得极大值。因此这种检测方法就是对相邻两幅一维灰度图像进行相关运算，得到相关函数取 得最大值时对应的延迟m，而一维图像在空间上的延迟与滑动导轨2的位移量有着确切的 关系，最终通过计算得到滑动导轨2的位移量。实施例二 在实施例一中实际上使用的是一种动态更新相关模版的方法，即用前 一幅图像为相关模版与当前图像进行相关运算，当下一幅图像到来时，当前图像取代前一 幅图像成为下一幅图像的相关模版，因此相关模版是动态更新的。如果光电传感器阵列是 一种周期性的排列，如图6所示，这种排列方式称为一种“梳状阵列(comb-array)，，的一维 排列方式，每相隔一定周期(这里周期为4)的光敏单元采用“求和”的方式连接在一起，这 种做法实际上是一种采用固定模版进行相关运算的方法。最终输出四个信号A，B, C，D，通 过这四个信号进行处理，就可以得到导轨的位移方向和位移量。下面给出一个采用这种“梳状阵列(comb-array)，，排列方式的模块化低成本位移 测量装置的具体实施例，如图7所示。为了简化说明，图7中省略了框架部件，由滑动导轨 2、位移检测模块3和通信显示电路4组成。位移检测模块3的核心部件使用了 CY0NS2100 集成芯片，CY0NS2100包含了激光光源31，光电传感器阵列33，信号检测电路34以及一个 PSoC(Programmable System on Chip)单片机35，光电传感器阵列33采用“梳状阵列”的 排列方式。CY0NS2100与配套使用的镜头模块32(具体型号CY0NSLENS2000)装配在一起， 组成一个完整的位移检测模块3。激光光源31在PSoC单片机35的控制下射出激光，经滑 动导轨2反射和镜头32成像于光电传感器阵列33上，光电传感器阵列33输出特定模式的 电信号经过专用的信号检测电路34进行处理得出位移的大小和方向，PSoC单片机35完成 后续的信号处理、显示、通信以及整个系统的协调控制。以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式
，但本实用新型的保护范围并不局 限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替 换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求 书的保护范围为准。
权利要求一种模块化低成本的位移测量装置，其特征在于，由框架、滑动导轨、位移检测模块和通信显示电路组成一体结构，其中框架是由三个或三个以上的边框组成的封闭或半封闭的中空结构，在其中的两个边框上具有两个相对的滑动孔；滑动导轨安装在滑动孔中，滑动导轨的两端位于框架外部，且滑动导轨只能够顺着滑动孔沿轴向前后移动；滑动导轨的一端与被测物体固定连接，且滑动导轨随着被测物体的位移沿着滑动孔移动；位移检测模块固接在框架的内壁上，且位移检测模块的工作面正对滑动导轨且与之保持合适的距离；位移检测模块用于检测滑动导轨的位移量并间接得到被测物体的位移量；通信显示电路与位移检测模块连接，负责通信显示电路与位移检测模块两者之间的通信和控制，同时通信显示电路用于显示被测物体的位移量、提供通信接口供外部使用。
2.根据权利要求1所述的模块化低成本的位移测量装置，其特征在于，所述框架为封 闭或半封闭的中空圆柱体结构、中空长方体结构、中空正方体结构、中空四边形结构和中空 三角形结构中的任意一种结构。
3.根据权利要求1所述的模块化低成本的位移测量装置，其特征在于，所述位移检测 模块由光源、镜头、光电传感器阵列和信号检测电路组成并且封装成一个独立模块；光源位 于滑动导轨的上方，光源发出的光投射到滑动导轨上面并反射，且滑动导轨的移动会引起 反射光的光强发生变化；镜头位于光源的反射光轴上，光电传感器阵列的输入端面位于镜 头的输出端面上，用于接收光强变化的反射光并输出随光强变化的电信号；信号检测电路 的输入端与光电传感器阵列的输出端连接，用于检测电信号的变化量，并输出滑动导轨的 位移量。
4.根据权利要求3所述的模块化低成本的位移测量装置，其特征在于，所述光源可以 是激光光源，或是普通LED光源。
5.根据权利要求3所述的模块化低成本的位移测量装置，其特征在于，所述光电传感 器阵列的排列组织方式可以是一维阵列排列、二维阵列排列、周期性的一维梳状排列及周 期性的二维梳状排列方式中的任意一种方式。
6.根据权利要求3所述的模块化低成本的位移测量装置，其特征在于，所述光电传感 器阵列由多个光敏单元组成，每个光敏单元都与信号检测电路连接，光电传感器阵列将滑 动导轨的表面特征转换并输出与之对应的电信号。
专利摘要本实用新型是一种模块化低成本的位移测量装置，由框架、滑动导轨、位移检测模块和通信显示电路组成。滑动导轨与被测物体接触且随着被测物体的位移沿着框架移动；位移检测模块固定在框架上并与滑动导轨保持合适的距离；滑动导轨的移动会导致投射到位移检测模块中的光电传感器阵列上的光强发生改变，引起输出电信号的变化，位移检测模块中的信号检测电路对这种变化进行处理，得出滑动导轨的位移量，通信显示电路对位移量进行显示或者提供通信接口供外部调用。该位移测量装置机械结构简单，位移检测模块采用模块化设计，具有稳定性高、精度高、成本低等优点。
文档编号G01B7/02GK201740513SQ20102026925
公开日2011年2月9日 申请日期2010年7月21日 优先权日2010年7月21日
发明者杨克虎, 郭建军 申请人:杨克虎;郭建军