三坐标测量仪设计

1、测距传感器简介以及基于旋转编码器的汽车三坐标仪系统 设计、测距传感器简介1变阻式位移传感器变阻式位移传感器的测量原理是将被测量的变化转换成电阻变化的器件或装置称为变阻式传感器。变阻式传感器主要分为：电位器式传感器、电阻应变片式传感器和压阻式传感器。一般测量电路分为半桥式和全桥式。如下图所示为测量直线和角度的变阻式传感器。这种传感器的特点：这种位移传感器结构简单，制造容易，工作可靠，不需要放大器，可直接接入记录仪或 显示仪表。但测量精度、工作频率较低。2、电容式传感器以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容器传感器。常 使用变极距式电容传感器和变面式电容传感器进行位移测量

2、。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量 变极距式电容传感器：为C =式中： 电容极板间介质的介电常数 e r为极板间介质相对介电常数 ；A两平行板所覆盖的面积 ；d 两平行板之间的距离。d, = 0 er,其中 0为真空介电常数其原理是一个为电极板固定桥，另一 极间距d变化，d变化电容量变化因 此，只要测出电荷量的变化，就可以 反推出位移量的变化。如图右图所示。变面积式电容式传感器：变面积式电容传感器结构示意图，由两个电极 构成，其中一个为固定极板，另一个为可动极 板，两极板均成半圆形。如图所示。电容式传感器特点：优点：输出与输入成线性关系缺点：灵敏度较

3、低。用途：测量较大线位移或角位移。3、电感式传感器电感式传感器是把被测量转换为电感量变 化的一种装置，有自感式、互感式和电涡流式。 电感式位移传感器举例：自感型：工作原理是通过衔铁的移动得到两衔铁之间的 距离从而引起磁阻的变化，最终电感值有了变 化。自感是回路的本身属性，与通电线圈的电 流大小无关，仅与几何形状、大小及周围介质 的磁导率有关。如图所示。线圈匸2铁芯（定铁芯h 3衔铁（动铁芯）变磁阻式传感器涡流型：传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。电涡流效应：线圈的 等效阻抗Z因产生电涡流而发生变化的现象。Z = f（ , 丁,）式中：S线圈与金属板间距离:金属板的电阻率 金

4、属板的磁导率3 线圈激磁圆频率变化S ,可作为位移、振动测量；变化t或卩值，可作为材质鉴别或探伤。原理示意图 如下。漓滾厚度传感器结构原理朗4、超声波测距传感器工作原理：超声波在同种媒质中以恒定速率传播，在不同媒质的界面处会产生反射。利用这一特性，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。特点：价格低廉，其性能几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰的影响，并且，金属、 木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎100%的超声波。注意事项：使用时须采用合适的频率和波长，频率取得太低时，易受外界杂音干扰；频率取得太高时，在传播过程中衰减较大。5、红外测距传感器工作原理：高频调

5、制的红外线在待测距离上往返产生的相位移推算出光束穿越时间厶t ,从而根据& t/2得到距离Db特点：自然界的所有物体只要温度高于绝对零度都会辐射红外线，因而，红外传感器须具有更强的发射和接收能力。其缺点是 1、抗干扰性较差，受环境光影响较大； 2、探测物 体的颜色、表面光滑程度不同，反射回的红外线强弱就会有所不同，影响测距的精度。、基于旋转编码器的汽车三坐标仪系统设计1、汽车三坐标仪系统的总体结构在汽车维修中三维测量工作是必不可少的，它贯穿维修的整个过程。 车身检测、变形部件的恢复控制、更换板件的定位等工作都需要用测量的方法来控制。有许多维修技师往往通过经验来进行车身维修，以经验来控制维修进程

6、的方法不但不能保证车身尺寸的准确性，还会导致汽车车身尺寸偏斜或性能受到影响。因此开发一套基于单片机的USB接口的车身位置测量与数据采集和传输系统具有十分重要的实际意义。三坐标仪实物如图所示。基于旋转编码器的汽车三坐标仪由机械和测控单元两部分组成。控制部分是基于USB接口的数据采集系统。 主控制芯片采用内部集成 USB接口功能控制器的 C8051F320,计数器 的扩展采用8253芯片，软件系统主要包括固件程序、驱动程序和上位机应用程序。总体方 案如图所示。增量式编码器增量式编码器增量式编码器增量式编码器增量式编码器2、数据采集模块介绍在数据采集模块中，我们将采用增量式的编码器作为系统的传感器来

7、收集所需的位置信息。增量式编码器是高精度控制系统常用的位移检测传感器。当控制对象发生位置变化时，光电编码器便会发出 A、B两路相位差90的数字脉冲信号。正转时 A超前B为90 ,反 转时B超前A为90。脉冲的个数与位移量成比例关系 ，因此，通过对脉冲计数就能计算出相应的位移。该方法不仅使用方便、测量准确，而且成本较低,在电力拖动系统中经常采用这种位置测量方法。使用增量式编码器测量位移，准确无误的计数起着决定性作用。由于在位置控制系统中，电机既可以正转，又可以反转，所以要求计数器既能实现加计数，又能实现减计数。相 应的计数方法可以用软件实现，也可以用硬件实现。使用软件方式对编码器的脉冲进行方向判

8、别和计数降低了系统控制的实时性 ，尤其当 使用编码器的数量较多时 ，且其可靠性也不及硬件电路。 但其外围电路比较简单 ，所以在计 数频率不高的情况下，使用软件计数仍有一定的优势。对编码器中输出的两路脉冲进行计数 主要分两个步骤：首先要对编码器输出的两路脉冲进行鉴相 其次是进行加减计数，正转时加计数，反转时减计数。脉冲鉴相的方法比较多，既可以用软件实现，也可以用一个D触发器实现。下图是编码器正反转时输出脉冲的 相位关系。由图中编码器输出波形可以看出，编码器正转时 A相超前B相90，在A相脉冲的下降沿处，B相为高电平； 而在编码器反转时，A相滞后B相90，在A相脉冲的下 降沿处，B相输出为低电平。

9、这样，编码器旋转时通过判断 B相电平的高低就可以判断编码器的旋转方向。下图给出了光电编码器实际使用的鉴相与双向计数电 路，鉴相电路用1个D触发器和2个与非门组成，计数电即判别电机是正转还是反转硼 _rurL_nI(a)编码器iE转(b)编码器反转路用3片8253组成。当光电编码器顺时针旋转时，A相超前B相90，DQ(W1) 为高电平，Q(W2)为低电平，与非门N1打开，计数脉冲通过(W3)，送至双向计数器 8253的脉冲 输入端CLKO，进行计数；此时，与非门N2关闭，其输出为高电平(W4)。当光电编码器逆时针旋转时，A相比B相延迟90，DQ(W1)为低电平，Q(W2)为高电平，与非门N1关 闭，其输出为高电平(W3);此时，与非门N2打开，计数脉冲通过(W4)，送至双向计数器 8253 的脉冲输入端CLK1,进行计数。下图是对 5个旋转编码器的十路信号采集原理图。本系统的软件程序设计是基于USB测控系统开发的核心。软件系统设计主要包括三部分：单片机程序（固件程序）开发、USB设备驱动程序开发、主机应用程序开发。US