[发明专利]一种高精度高速直线测距测速装置

说明书

本发明为一种高精度高速直线测距测速装置，采用高精度多圈绝对值角度传感器与小模数消隙齿轮齿条相结合的方式，将测量到的角度信息转化为位移信息，然后将位移进行一次微分得到速度信息。同时，采用直线导轨、导向轴和弹簧形成弹性支撑，将齿轮和齿条一直处于弹性接触，大大提高了测量距离和速度。该装置具有测量距离长、速度高、精度高、价格低、安装维护方便等诸多优点。

技术领域

本发明涉及测距测速领域，尤其适用于测量高速直线运动物体的位移和速度。

背景技术

直线测距测速装置主要用来测量直线运动物体的位移和速度信息。目前同时具有测速测距功能的传感器一般具有两种方式：一种是传感器基于测量位移原理设计，然后对位移进行一次微分得到速度信息，这种方式一般测量位移精度比较高，而速度精度则决定于位移精度、定时器精度和采样速率；另一种是传感器基于测量速度原理设计，然后对速度进行一次积分得到位移，这种方式一般测量速度精比较高，而只能测量相对位移，不能测量绝对位置。当直线距离较长(＞20m)速度较高(>10m/s)时，采用目前市场上的拉线式位移传感器、拉杆式位移传感器、磁栅尺、光栅尺等基于测量位置的传感器，不但量程无法满足需求、安装复杂，而且也无法测量高速运动的物体。而采用激光、雷达等先进的测试仪器，虽然测量距离比较远，但是价格比较昂贵，当在远距离测量时位移精度较低(>1mm)。因此，设计一种价格低廉、安装维护方便的高精度高速直线测距测速装置，不但能够满足工业需求，而且将会促进高精度高速测距测速行业的发展。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种高精度高速直线测距测速装置，采用高精度多圈绝对值角度传感器与小模数齿轮齿条相结合的方式，将测量到的角度信息转化为位移信息，然后将位移进行一次微分得到速度信息。

为实现上述目的，本发明为一种高精度高速直线测距测速装置，包括：安装底座、直线导轨、导向轴、弹簧、无线发送模块、齿轮、齿条、过渡件、角度传感器、轴承外端盖、轴承、轴承内端盖、传感器安装底座和无线接收模块。齿轮通过轴承、轴承外端盖、轴承内端盖与传感器安装底座和角度传感器联接为一个整体，可以相对传感器安装底座实现转动，同时与角度传感器的输出轴联接为一体，这样角度传感器就可以用来测量齿轮的转动角度。无线发送模块将采集的角度信息通过无线发送的方式传输给无线接收模块，无线接收模块中控制器将接收的角度信息乘以齿轮的分度圆长度得到位移信息，然后通过一次微分得到速度信息。

角度传感器选用多圈绝对值角度传感器，最大转速为6750转/分，测量角度精度为±1′，测量范围±32767圈，数据刷新频率为5kHz。这样当齿轮的分度圆直径为0.1m时，可测量的直线位移范围是±32767×π×0.1＝±10294m，测量最大速度为6750×π×0.1/60＝35m/s，理论位移精度为±1′×π×0.1＝0.015mm，考虑到结构因素位移测量至少精度为±0.05mm。由于角度传感器的数据刷新频率高，无线接收模块控制器的定时器精度高于0.001ms，这样对得到的位移进行微分后得到的速度精度较高。由此可见，该装置具位移和速度可测量范围大，测量精度高等优点。

当需要测量的位移较长时，齿条的直线度无法通过加工来保证，这样齿轮和齿条在接触的过程中，可能会出现因接触过紧导致机械卡死或者齿轮与齿条之间松脱导致齿轮的转角无法反应真实位移。因此，在该装置中通过导向轴、弹簧和直线导轨形成弹性支撑，弹簧沿着直线导轨运动的方向将齿轮与齿条压紧，直线导轨的运动方向与被测物体运动方向垂直，这样齿轮和齿条一直处于弹性接触，既避免了上述现象的发生，又可以降低齿条加工精度要求。

由于被测物体的运动速度比较快，采用有线供电和数据传输的方式，线缆的运动速度无法保证，因此采用无线发送和接收模块进行数据传输，无线发送模块采用电池供电。

优选地，齿轮采用小模数消隙齿轮，其模数与齿条相同，这样可以精确的测量正反两个方向的位移和速度；

优选地，角度传感器的选取不限于本发明中提到的指数指标，可以根据实际测量精度选取符合要求的角度传感器；