專利名稱：基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及定位系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于電磁感應(yīng)的高精 度定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
為了實現(xiàn)準(zhǔn)確地定位，人們進(jìn)行了長期的探索，提出了各種各樣的解決方案。例 如，中國專利文獻(xiàn)公開了一種用于楔橫軋工藝軋件軸向定位裝置[申請?zhí)?93201084. 9]， 其特點是利用電磁感應(yīng)原理，對裝在外殼內(nèi)的線圈架上的線圈通電，在磁場力的作用下， 使線圈架孔內(nèi)的芯鐵動作，推動與芯線連在一起的定位桿移動實現(xiàn)對軋件軸向精確定 位。還有人發(fā)明了一種電磁感應(yīng)系統(tǒng)的四四分式天線布局與五段式坐標(biāo)定位法[申請?zhí)?02119706. 7]，該專利申請是將天線回路分為X方向與Y方向兩群組，同一群組皆為同向且 具有等間距性位移的天線回路，每個方向群內(nèi)的天線回路包含多個天線回圈，而每一條天 線回圈的形成包含自身密集多次重復(fù)繞圈的方法，此外，電磁感應(yīng)系統(tǒng)的五段式掃描程序 至少包含下列步驟首先，進(jìn)行一第一程序以確認(rèn)是否有信號的電壓振幅強(qiáng)度大于信號識 別準(zhǔn)位下限值；接著，進(jìn)行一第二程序以確認(rèn)前次掃描的信號是否存在，并確認(rèn)發(fā)射源最接 近的天線回圈；之后，進(jìn)行一第三程序以取得坐標(biāo)值；最后，電磁感應(yīng)系統(tǒng)之內(nèi)部微處理器 可依據(jù)振幅的坐標(biāo)值計算出一組絕對坐標(biāo)。上述方案雖然在一定程度上提高了定位準(zhǔn)確性，但是仍然存在著結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠合 理，控制精度不高，造價成本較高，應(yīng)用領(lǐng)域不夠廣泛等技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述問題，提供一種設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，易于 操作使用，且成本較低的基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案本基于電磁感應(yīng)的高精度定位系 統(tǒng)，其特征在于，本定位系統(tǒng)包括電磁感應(yīng)傳感器和控制及測量系統(tǒng)，所述的控制及測量系 統(tǒng)包括能產(chǎn)生激勵信號的激勵信號產(chǎn)生模塊，所述的激勵信號產(chǎn)生模塊與能在外力作用下 動作的電磁感應(yīng)傳感器相連接，所述的電磁感應(yīng)傳感器在動作時能產(chǎn)生電磁感應(yīng)信號且該 電磁感應(yīng)信號能被控制及測量系統(tǒng)接收，所述的控制及測量系統(tǒng)能根據(jù)激勵信號和電磁感 應(yīng)信號實現(xiàn)定位處理。在上述的基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)中，所述的電磁感應(yīng)傳感器包括電磁耦 合線圈，在電磁耦合線圈中穿設(shè)有一根活塞桿，該活塞桿上具有間隔設(shè)置的導(dǎo)磁部和非導(dǎo) 磁部，所述的導(dǎo)磁部和非導(dǎo)磁部的長度相等且相鄰的一個導(dǎo)磁部和一個非導(dǎo)磁部構(gòu)成一個 節(jié)距。在上述的基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)中，所述的激勵信號產(chǎn)生模塊包括晶 振，連接在晶振上的分頻計數(shù)單元，在分頻計數(shù)單元上連接有正弦信號產(chǎn)生單元和余弦信 號產(chǎn)生單元，所述的正弦信號產(chǎn)生單元通過數(shù)字濾波單元與一對正弦信號線相連，所述的
3余弦信號產(chǎn)生單元通過另一數(shù)字濾波單元與一對余弦信號線相連，所述的正弦信號線和余 弦信號線均與電磁感應(yīng)傳感器相連。在上述的基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)中，所述的電磁耦合線圈通過一對電磁 感應(yīng)信號線與控制及測量系統(tǒng)相連接，當(dāng)活塞桿在電磁耦合線圈內(nèi)軸向移動時所述的電磁 感應(yīng)傳感器能產(chǎn)生電磁感應(yīng)信號，且該電磁感應(yīng)信號能通過電磁感應(yīng)信號線傳輸至控制及 測量系統(tǒng)。在上述的基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)中，所述的控制及測量系統(tǒng)還包括位移 量計算單元，所述的電磁感應(yīng)傳感器與位移量計算單元相連接，所述的激勵信號產(chǎn)生模塊 與位移量計算單元相連接。在上述的基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)中，所述的位移量計算單元包括依次相 連的信號放大單元、整形單元、過零檢測單元、數(shù)據(jù)采集單元和信號處理器，所述的信號放 大單元與電磁感應(yīng)傳感器相連接，所述的激勵信號產(chǎn)生模塊與信號處理器相連接，所述的 分頻計數(shù)單元通過基準(zhǔn)相位提取單元與過零檢測單元相連接，所述的信號處理器上連接有 位移數(shù)據(jù)輸出單元。在上述的基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)中，所述的信號處理器包括能夠判斷被 測物體移動方向的移動方向判斷單元。在上述的基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)中，所述的節(jié)距的長度為2nmm，n為自然數(shù)。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)的優(yōu)點在于1、設(shè)計合理， 結(jié)構(gòu)簡單，檢測精度高，工作穩(wěn)定性好，且操作使用方便，成本較低。2、功能全面，既能實現(xiàn) 位移大小的測量，又能檢測位移方向。3、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)。


圖1是本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明提供的原理框圖。圖3是本發(fā)明提供的激勵信號產(chǎn)生模塊原理框圖。圖4是本發(fā)明提供的正弦信號、余弦信號和電磁感應(yīng)信號的波形圖。圖中，電磁感應(yīng)傳感器1、電磁耦合線圈11、活塞桿12、導(dǎo)磁部121、非導(dǎo)磁部122、 節(jié)距T、控制及測量系統(tǒng)2、激勵信號產(chǎn)生模塊21、晶振211、分頻計數(shù)單元212、正弦信號產(chǎn) 生單元213、余弦信號產(chǎn)生單元214、數(shù)字濾波單元215、位移量計算單元22、信號放大單元 221、整形單元222、過零檢測單元223、數(shù)據(jù)采集單元224、信號處理器225、移動方向判斷單 元2250、位移數(shù)據(jù)輸出單元226、基準(zhǔn)相位提取單元20。
具體實施例方式如圖1-4所示，本基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)包括電磁感應(yīng)傳感器1和控制 及測量系統(tǒng)2?？刂萍皽y量系統(tǒng)2包括能產(chǎn)生激勵信號的激勵信號產(chǎn)生模塊21。激勵信號 產(chǎn)生模塊21與能在外力作用下動作的電磁感應(yīng)傳感器1相連接。電磁感應(yīng)傳感器1在動 作時能產(chǎn)生電磁感應(yīng)信號且該電磁感應(yīng)信號能被控制及測量系統(tǒng)2接收?？刂萍皽y量系統(tǒng) 2能根據(jù)激勵信號和電磁感應(yīng)信號實現(xiàn)定位處理。
4
電磁感應(yīng)傳感器1包括電磁耦合線圈11，在電磁耦合線圈11中穿設(shè)有一根活塞 桿12，該活塞桿12上具有間隔設(shè)置的導(dǎo)磁部121和非導(dǎo)磁部122。導(dǎo)磁部121和非導(dǎo)磁部 122的長度相等且相鄰的一個導(dǎo)磁部121和一個非導(dǎo)磁部122構(gòu)成一個節(jié)距T。激勵信號 產(chǎn)生模塊21包括晶振211，連接在晶振211上的分頻計數(shù)單元212，在分頻計數(shù)單元212上 連接有正弦信號產(chǎn)生單元213和余弦信號產(chǎn)生單元214。正弦信號產(chǎn)生單元213通過數(shù)字 濾波單元215與一對正弦信號線相連，余弦信號產(chǎn)生單元214通過另一數(shù)字濾波單元215 與一對余弦信號線相連。正弦信號線和余弦信號線均與電磁感應(yīng)傳感器1相連。電磁耦合線圈11通過一對電磁感應(yīng)信號線與控制及測量系統(tǒng)2相連接，當(dāng)活塞桿 12在電磁耦合線圈11內(nèi)軸向移動時所述的電磁感應(yīng)傳感器1能產(chǎn)生電磁感應(yīng)信號，且該電 磁感應(yīng)信號能通過電磁感應(yīng)信號線傳輸至控制及測量系統(tǒng)2?？刂萍皽y量系統(tǒng)2還包括位移量計算單元22，電磁感應(yīng)傳感器1與位移量計算單 元22相連接，激勵信號產(chǎn)生模塊21與位移量計算單元22相連接。位移量計算單元22包括依次相連的信號放大單元221、整形單元222、過零檢測單 元223、數(shù)據(jù)采集單元224和信號處理器225。信號放大單元221與電磁感應(yīng)傳感器1相連 接。激勵信號產(chǎn)生模塊21與信號處理器225相連接。分頻計數(shù)單元212通過基準(zhǔn)相位提 取單元20與過零檢測單元223相連接，信號處理器225上連接有位移數(shù)據(jù)輸出單元226。 信號處理器225包括能夠判斷被測物體移動方向的移動方向判斷單元2250。更具體地說，每個節(jié)距T的尺寸為2nmm，其中η為自然數(shù)。本發(fā)明中，為了實現(xiàn)高 精度測量，并且測量的精度不因電路中振蕩頻率的變化而產(chǎn)生影響，激勵的正、余弦信號完 全采用數(shù)字方式產(chǎn)生，并且正、余弦信號的相位差嚴(yán)格同步在η/2。正、余弦信號的一個周 期也正好是一個節(jié)距T分割的脈沖數(shù)2η，其中η為自然數(shù)。又因為產(chǎn)生的脈沖數(shù)，正弦、余 弦信號都是根據(jù)同一個晶振211，所以確保了測量的精度?；钊麠U12是由外接的動力機(jī)構(gòu)驅(qū)動其軸向移動的。同時，活塞桿12移動時，電磁 耦合線圈11與導(dǎo)磁部121和非導(dǎo)磁部122的磁阻重復(fù)發(fā)生變化，該磁阻的變化就使得電磁 耦合線圈11中的電磁感應(yīng)電壓相位發(fā)生變化，這里的電磁感應(yīng)電壓與正弦信號和余弦信 號頻率相同，但相位不同。電磁感應(yīng)電壓E的計算公式為E = K Sin (t-2 π χ/Τ)，其中T為節(jié)距，χ為節(jié)距內(nèi)移動的絕對距離。電磁感應(yīng)電壓信號與正弦信號I Sincot相位比較計算出相位差Δ θ。Δ θ = θ
感應(yīng)_ Q激勵=Q感應(yīng)_ο = Q感應(yīng)=2耵χ/τ因此，χ = Δ θ Τ/2 π，這樣就可以利用Δ θ計算出位移量χ。這里的關(guān)鍵是由 于I Sincot的產(chǎn)生是用計脈沖數(shù)的方法產(chǎn)生(即計脈沖數(shù)的起點均為0)，這樣對于電磁 感應(yīng)電壓只要作過零檢測，然后統(tǒng)計出這時計的脈沖數(shù)就是電磁感應(yīng)信號的相位△ θ。在 實際測量過程中，由于被測物體是雙向移動的，因此對位移的檢測既要檢測大小，又要檢測 方向。傳統(tǒng)的判向電路采用分立原件構(gòu)成，電路復(fù)雜，成本高。本發(fā)明的移動方向判斷單 元充分利用了微處理器(信號處理器225)的計算功能，不僅電路簡單，而且可靠，成本低。 在檢測一個信號周期內(nèi)信號處理器225讀取分頻計數(shù)單元212中的脈沖數(shù)。例本次檢測 得到的脈沖數(shù)為而前一次測量得到的脈沖數(shù)為y"，則在一個檢測信號周期內(nèi)位移脈沖 增量值為Ayi = Yi-Yif根據(jù)Ayi的正負(fù)即可判定移動方向，但由于沒有考慮到在一個節(jié)距T端的情況，在節(jié)距T端處，脈沖數(shù)會有跳變，如仍按Ayi = yi-y"計算，將會產(chǎn)生錯 誤，必須對Ayi = yi-yg進(jìn)行修正。若根據(jù)最大運(yùn)動速度，激勵信號可在兩次采樣期間，位 移脈沖增量的絕對值不會超過特定值。以物體最大運(yùn)動速度不超過8米/秒，激勵信號頻 率5khz (0. 2ms)，則兩次采樣期間，位移脈沖增量的絕對值不超過4096，即| Yi-Yi^11 4096，則 Ayi = Yi-Yi-I 修正為

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng) 域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替 代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。盡管本文較多地使用了電磁感應(yīng)傳感器1、電磁耦合線圈11、活塞桿12、導(dǎo)磁部 121、非導(dǎo)磁部122、控制及測量系統(tǒng)2、激勵信號產(chǎn)生模塊21、晶振211、分頻計數(shù)單元212、 正弦信號產(chǎn)生單元213、余弦信號產(chǎn)生單元214、數(shù)字濾波單元215、位移量計算單元22、信 號放大單元221、整形單元222、過零檢測單元223、數(shù)據(jù)采集單元224、信號處理器225、移動 方向判斷單元2250、位移數(shù)據(jù)輸出單元226、基準(zhǔn)相位提取單元20等術(shù)語，但并不排除使用 其它術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把它們 解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
權(quán)利要求
一種基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)，其特征在于，本定位系統(tǒng)包括電磁感應(yīng)傳感器(1)和控制及測量系統(tǒng)(2)，所述的控制及測量系統(tǒng)(2)包括能產(chǎn)生激勵信號的激勵信號產(chǎn)生模塊(21)，所述的激勵信號產(chǎn)生模塊(21)與能在外力作用下動作的電磁感應(yīng)傳感器(1)相連接，所述的電磁感應(yīng)傳感器(1)在動作時能產(chǎn)生電磁感應(yīng)信號且該電磁感應(yīng)信號能被控制及測量系統(tǒng)(2)接收，所述的控制及測量系統(tǒng)(2)能根據(jù)激勵信號和電磁感應(yīng)信號實現(xiàn)定位處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)，其特征在于，所述的電磁 感應(yīng)傳感器(1)包括電磁耦合線圈(11)，在電磁耦合線圈(11)中穿設(shè)有一根活塞桿(12)， 該活塞桿(12)上具有間隔設(shè)置的導(dǎo)磁部(121)和非導(dǎo)磁部(122)，所述的導(dǎo)磁部(121)和 非導(dǎo)磁部(122)的長度相等且相鄰的一個導(dǎo)磁部(121)和一個非導(dǎo)磁部(122)構(gòu)成一個節(jié) 距(T)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)，其特征在于，所述的激勵 信號產(chǎn)生模塊(21)包括晶振(211)，連接在晶振(211)上的分頻計數(shù)單元(212)，在分頻計 數(shù)單元(212)上連接有正弦信號產(chǎn)生單元(213)和余弦信號產(chǎn)生單元(214)，所述的正弦信 號產(chǎn)生單元(213)通過數(shù)字濾波單元(215)與一對正弦信號線相連，所述的余弦信號產(chǎn)生 單元(214)通過另一數(shù)字濾波單元(215)與一對余弦信號線相連，所述的正弦信號線和余 弦信號線均與電磁感應(yīng)傳感器(1)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)，其特征在于，所述的電磁 耦合線圈(11)通過一對電磁感應(yīng)信號線與控制及測量系統(tǒng)(2)相連接，當(dāng)活塞桿(12)在 電磁耦合線圈(11)內(nèi)軸向移動時所述的電磁感應(yīng)傳感器(1)能產(chǎn)生電磁感應(yīng)信號，且該電 磁感應(yīng)信號能通過電磁感應(yīng)信號線傳輸至控制及測量系統(tǒng)(2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)，其特征在于，所述的控 制及測量系統(tǒng)(2)還包括位移量計算單元(22)，所述的電磁感應(yīng)傳感器(1)與位移量計算 單元(22)相連接，所述的激勵信號產(chǎn)生模塊(21)與位移量計算單元(22)相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)，其特征在于，所述的位 移量計算單元(22)包括依次相連的信號放大單元(221)、整形單元(222)、過零檢測單元 (223)、數(shù)據(jù)采集單元(224)和信號處理器(225)，所述的信號放大單元(221)與電磁感應(yīng)傳 感器(1)相連接，所述的激勵信號產(chǎn)生模塊(21)與信號處理器(225)相連接，所述的分頻 計數(shù)單元(212)通過基準(zhǔn)相位提取單元(20)與過零檢測單元(223)相連接，所述的信號處 理器(225)上連接有位移數(shù)據(jù)輸出單元(226)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)，其特征在于，所述的信號 處理器(225)包括能夠判斷被測物體移動方向的移動方向判斷單元(2250)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)，其特征在于，所述 的節(jié)距⑴的長度為2nmm，η為自然數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)。它解決了現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計不夠合理，精度不高等技術(shù)問題。本定位系統(tǒng)包括電磁感應(yīng)傳感器和控制及測量系統(tǒng)，控制及測量系統(tǒng)包括能產(chǎn)生激勵信號的激勵信號產(chǎn)生模塊，激勵信號產(chǎn)生模塊與電磁感應(yīng)傳感器相連接，電磁感應(yīng)傳感器在動作時能產(chǎn)生電磁感應(yīng)信號且該電磁感應(yīng)信號能被控制及測量系統(tǒng)接收，控制及測量系統(tǒng)能根據(jù)激勵信號和電磁感應(yīng)信號實現(xiàn)定位處理。本基于電磁感應(yīng)的高精度定位系統(tǒng)的優(yōu)點在于1、設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單，檢測精度高，工作穩(wěn)定性好，且操作使用方便，成本較低。2、功能全面，既能實現(xiàn)位移大小的測量，又能檢測位移方向。3、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)。
文檔編號G01D5/243GK101915592SQ201010227229
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月15日
發(fā)明者宋依青, 李書旗, 王允龍, 蔡小君 申請人:常州華輝電子設(shè)備有限公司;宋依青