一種集成了誤差補(bǔ)償算法的高精度拉繩位移傳感器

李問國　李問民　付宏寶　王飛雄

摘要：傳統(tǒng)的拉繩位移傳感器精度較低，無法在高精度測試環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)用，本文提出一種集成了嵌入式誤差補(bǔ)償技術(shù)的高精度拉繩位移傳感器，并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了拉繩位移傳感器在實(shí)施誤差補(bǔ)償技術(shù)后的高精度特性，從而為拉繩位移傳感器在高端領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：拉繩位移傳感器；嵌入式誤差補(bǔ)償技術(shù)

拉繩位移傳感器的功能是把機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成可以計(jì)量、記錄或傳送的電信號。拉繩位移傳感器由可拉伸的不銹鋼繩繞在一個(gè)有螺紋的輪轂上，此輪轂與一個(gè)精密旋轉(zhuǎn)角度傳感器同軸連接在一起，拉繩位移傳感器工作時(shí)，其殼體安裝在固定位置上，拉繩縛在移動(dòng)物體上，拉繩的直線運(yùn)動(dòng)和移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軸線對準(zhǔn)。運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)，拉繩伸展和收縮，一個(gè)內(nèi)部恒力彈簧保證拉繩的張緊度不變，帶螺紋的輪轂帶動(dòng)精密角度傳感器旋轉(zhuǎn)，輸出一個(gè)與拉繩移動(dòng)距離成比例的電信號，測量輸出信號可以得出運(yùn)動(dòng)物體的位移、方向或速率[1]。

當(dāng)前主流的拉繩位移傳感器的測量精度為0.5mm，這在一般的諸如起重機(jī)、垂直成槽機(jī)、倉儲(chǔ)位置定位等場合可以滿足要求，但在一些精密度要求更高的諸如機(jī)器人機(jī)械手臂精密定位控制等場合下則無法滿足應(yīng)用需求，進(jìn)而很大程度上限制了它的廣泛應(yīng)用[2]。

本文提出一種集成了誤差補(bǔ)償技術(shù)、絕對式、高精度的拉繩位移傳感器，其精度能較常規(guī)的拉繩位移傳感器提高一個(gè)等級，每米的線性誤差為0.005%，也即在1m的量程下其測量精度可達(dá)到0.05mm。

1 拉繩位移傳感器的基本構(gòu)造及工作原理

如上圖所示，本項(xiàng)目所研制的高精度拉繩位移傳感器包括機(jī)械本體2、聯(lián)軸器3、編碼器安裝座4、基于SSI接口的多圈絕對式編碼器1、連接線纜5、單片機(jī)處理模塊6。

拉繩位移傳感器工作流程如下：

由單片機(jī)處理模塊6向拉繩位移傳感器上的多圈絕對式編碼器1供電，同時(shí)接收多圈絕對式編碼器輸出的具有SSI接口的角度數(shù)據(jù)，隨后對角度數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼得到位移量、根據(jù)單片機(jī)處理模塊內(nèi)的誤差模型對位移量進(jìn)行補(bǔ)償，將修正后的位移量進(jìn)行顯示、輸出，集成了單片機(jī)處理模塊的拉繩位移傳感器具有直接輸出位移量的優(yōu)點(diǎn)，省去了用戶解碼的過程，同時(shí)其輸出的位移信息經(jīng)誤差補(bǔ)償校正后將大幅提高拉繩位移傳感器的精度。

2 關(guān)鍵技術(shù)

集成了嵌入式誤差補(bǔ)償技術(shù)的拉繩位移傳感器的核心是在傳統(tǒng)的拉繩位移傳感器外部增加了一塊單片機(jī)處理系統(tǒng)，其硬件、軟件設(shè)計(jì)思路如下：

2.1 硬件電路構(gòu)建

電氣系統(tǒng)分為4個(gè)功能環(huán)節(jié)，分別為主控單元、電源單元、通信單元、顯示單元，其中：主控單元選擇意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103VCT6單片機(jī)，運(yùn)行頻率達(dá)到72 MHz，具備硬件除法和單周期乘法，完全滿足本項(xiàng)目需求。

電源單元的功能是將系統(tǒng)輸入的+5V電壓轉(zhuǎn)換為+33V、+1.2V，在此選擇美國TI公司的電源轉(zhuǎn)換芯片TPS70345芯片；通信單元的功能是將解碼、誤差補(bǔ)償后的位移數(shù)據(jù)以一定的接口協(xié)議傳送出去，在此選擇max3490芯片以輸出RS422格式信號；顯示單元選擇MAX7219作為驅(qū)動(dòng)顯示芯片，MAX7219是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器，它連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示。

主控單元根據(jù)SSI接口信號的特點(diǎn)向編碼器發(fā)出時(shí)鐘信號，同時(shí)接受角度數(shù)據(jù)，隨后對角度數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、并根據(jù)誤差模型對位移量進(jìn)行補(bǔ)償，將經(jīng)誤差模型修正后的位移量經(jīng)由顯示單元進(jìn)行數(shù)碼顯示，經(jīng)由通信單元進(jìn)行數(shù)字輸出。

2.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)

軟件是系統(tǒng)的靈魂，只有在硬件單元中植入了軟件，系統(tǒng)才能開始工作，如前所述，系統(tǒng)硬件中的控制電路單元選用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103VCT6單片機(jī)，根據(jù)該款單片機(jī)，選擇KEIL5.0作為其應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，以C語言來編制整個(gè)系統(tǒng)的程序。根據(jù)項(xiàng)目的需求，電氣系統(tǒng)的軟件部分共5個(gè)子程序，分別是數(shù)據(jù)處理子程序、清零子程序、誤差補(bǔ)償子程序、顯示子程序、通信子程序，其中數(shù)據(jù)處理子程序用于接受編碼器輸出的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行解碼，清零子程序用于將當(dāng)前位移信息進(jìn)行保存，誤差補(bǔ)償子程序用于將當(dāng)前傳感器輸出的位移值進(jìn)行誤差修正，顯示子程序用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示修正后的位移輸出值，通信子程序用于將修正后的位移輸出值發(fā)送給用戶系統(tǒng)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用直線光柵尺對拉繩位移傳感器的精度標(biāo)定，標(biāo)定過程中所需的試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過程如下：

試驗(yàn)設(shè)備：BG1型封閉式光柵尺（分辨率1um，精度5um）、ZPTGM型精密阻尼隔振光學(xué)平臺、二相混合式步進(jìn)電機(jī)、輔助工裝。

試驗(yàn)過程：將拉繩位移傳感器與BG1型光柵尺通過輔助工裝平行固定在光學(xué)平臺上，通過上位機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)同時(shí)拉動(dòng)光柵尺及拉繩位移傳感器，以光柵尺為基準(zhǔn)測試?yán)K位移傳感器的精度。

測試結(jié)果：拉繩位移傳感器精度為±0.48mm，集成了誤差補(bǔ)償技術(shù)后其精度達(dá)到±0.045mm。

4 結(jié)論

本文闡述了拉繩位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，對傳統(tǒng)拉繩位移傳感器在高精度測試環(huán)境下無法應(yīng)用的缺陷進(jìn)行了介紹，隨后提出了改進(jìn)的技術(shù)方法，并通過具體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)證明這種新型的集成了嵌入式誤差處理方法能使得拉繩位移傳感器具備在高精度領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，為拉繩位移傳感器在高端領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王興，戚景觀.一種新的拉線式位移傳感器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012（4）.

[2]毛潭，趙康康，等.基于磁敏測量技術(shù)的拉線式位移傳感器.儀表技術(shù)與傳感器，2015（2）.