CN101915592A - 基于电磁感应的高精度定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子技术领域，涉及一种基于电磁感应的高精度定位系统。它解决了现有技术设计不够合理，精度不高等技术问题。本定位系统包括电磁感应传感器和控制及测量系统，控制及测量系统包括能产生激励信号的激励信号产生模块，激励信号产生模块与电磁感应传感器相连接，电磁感应传感器在动作时能产生电磁感应信号且该电磁感应信号能被控制及测量系统接收，控制及测量系统能根据激励信号和电磁感应信号实现定位处理。本基于电磁感应的高精度定位系统的优点在于：1、设计合理，结构简单，检测精度高，工作稳定性好，且操作使用方便，成本较低。2、功能全面，既能实现位移大小的测量，又能检测位移方向。3、抗环境干扰能力强。

Description

基于电磁感应的高精度定位系统

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及定位系统，尤其是涉及一种基于电磁感应的高精度定位系统。

背景技术

为了实现准确地定位，人们进行了长期的探索，提出了各种各样的解决方案。例如，中国专利文献公开了一种用于楔横轧工艺轧件轴向定位装置[申请号：93201084.9]，其特点是利用电磁感应原理，对装在外壳内的线圈架上的线圈通电，在磁场力的作用下，使线圈架孔内的芯铁动作，推动与芯线连在一起的定位杆移动实现对轧件轴向精确定位。还有人发明了一种电磁感应系统的四四分式天线布局与五段式坐标定位法[申请号：02119706.7]，该专利申请是将天线回路分为X方向与Y方向两群组，同一群组皆为同向且具有等间距性位移的天线回路，每个方向群内的天线回路包含多个天线回圈，而每一条天线回圈的形成包含自身密集多次重复绕圈的方法，此外，电磁感应系统的五段式扫描程序至少包含下列步骤：首先，进行一第一程序以确认是否有信号的电压振幅强度大于信号识别准位下限值；接着，进行一第二程序以确认前次扫描的信号是否存在，并确认发射源最接近的天线回圈；之后，进行一第三程序以取得坐标值；最后，电磁感应系统之内部微处理器可依据振幅的坐标值计算出一组绝对坐标。

上述方案虽然在一定程度上提高了定位准确性，但是仍然存在着结构设计不够合理，控制精度不高，造价成本较高，应用领域不够广泛等技术问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种设计合理，结构简单，定位精度高，易于操作使用，且成本较低的基于电磁感应的高精度定位系统。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本基于电磁感应的高精度定位系统，其特征在于，本定位系统包括电磁感应传感器和控制及测量系统，所述的控制及测量系统包括能产生激励信号的激励信号产生模块，所述的激励信号产生模块与能在外力作用下动作的电磁感应传感器相连接，所述的电磁感应传感器在动作时能产生电磁感应信号且该电磁感应信号能被控制及测量系统接收，所述的控制及测量系统能根据激励信号和电磁感应信号实现定位处理。

在上述的基于电磁感应的高精度定位系统中，所述的电磁感应传感器包括电磁耦合线圈，在电磁耦合线圈中穿设有一根活塞杆，该活塞杆上具有间隔设置的导磁部和非导磁部，所述的导磁部和非导磁部的长度相等且相邻的一个导磁部和一个非导磁部构成一个节距。

在上述的基于电磁感应的高精度定位系统中，所述的激励信号产生模块包括晶振，连接在晶振上的分频计数单元，在分频计数单元上连接有正弦信号产生单元和余弦信号产生单元，所述的正弦信号产生单元通过数字滤波单元与一对正弦信号线相连，所述的余弦信号产生单元通过另一数字滤波单元与一对余弦信号线相连，所述的正弦信号线和余弦信号线均与电磁感应传感器相连。

在上述的基于电磁感应的高精度定位系统中，所述的电磁耦合线圈通过一对电磁感应信号线与控制及测量系统相连接，当活塞杆在电磁耦合线圈内轴向移动时所述的电磁感应传感器能产生电磁感应信号，且该电磁感应信号能通过电磁感应信号线传输至控制及测量系统。

在上述的基于电磁感应的高精度定位系统中，所述的控制及测量系统还包括位移量计算单元，所述的电磁感应传感器与位移量计算单元相连接，所述的激励信号产生模块与位移量计算单元相连接。

在上述的基于电磁感应的高精度定位系统中，所述的位移量计算单元包括依次相连的信号放大单元、整形单元、过零检测单元、数据采集单元和信号处理器，所述的信号放大单元与电磁感应传感器相连接，所述的激励信号产生模块与信号处理器相连接，所述的分频计数单元通过基准相位提取单元与过零检测单元相连接，所述的信号处理器上连接有位移数据输出单元。

在上述的基于电磁感应的高精度定位系统中，所述的信号处理器包括能够判断被测物体移动方向的移动方向判断单元。

在上述的基于电磁感应的高精度定位系统中，所述的节距的长度为2ⁿmm，n为自然数。

与现有的技术相比，本基于电磁感应的高精度定位系统的优点在于：1、设计合理，结构简单，检测精度高，工作稳定性好，且操作使用方便，成本较低。2、功能全面，既能实现位移大小的测量，又能检测位移方向。3、抗环境干扰能力强。

附图说明

图1是本发明提供的结构示意图。

图2是本发明提供的原理框图。

图3是本发明提供的激励信号产生模块原理框图。

图4是本发明提供的正弦信号、余弦信号和电磁感应信号的波形图。

图中，电磁感应传感器1、电磁耦合线圈11、活塞杆12、导磁部121、非导磁部122、节距T、控制及测量系统2、激励信号产生模块21、晶振211、分频计数单元212、正弦信号产生单元213、余弦信号产生单元214、数字滤波单元215、位移量计算单元22、信号放大单元221、整形单元222、过零检测单元223、数据采集单元224、信号处理器225、移动方向判断单元2250、位移数据输出单元226、基准相位提取单元20。

具体实施方式

如图1-4所示，本基于电磁感应的高精度定位系统包括电磁感应传感器1和控制及测量系统2。控制及测量系统2包括能产生激励信号的激励信号产生模块21。激励信号产生模块21与能在外力作用下动作的电磁感应传感器1相连接。电磁感应传感器1在动作时能产生电磁感应信号且该电磁感应信号能被控制及测量系统2接收。控制及测量系统2能根据激励信号和电磁感应信号实现定位处理。

电磁感应传感器1包括电磁耦合线圈11，在电磁耦合线圈11中穿设有一根活塞杆12，该活塞杆12上具有间隔设置的导磁部121和非导磁部122。导磁部121和非导磁部122的长度相等且相邻的一个导磁部121和一个非导磁部122构成一个节距T。激励信号产生模块21包括晶振211，连接在晶振211上的分频计数单元212，在分频计数单元212上连接有正弦信号产生单元213和余弦信号产生单元214。正弦信号产生单元213通过数字滤波单元215与一对正弦信号线相连，余弦信号产生单元214通过另一数字滤波单元215与一对余弦信号线相连。正弦信号线和余弦信号线均与电磁感应传感器1相连。

电磁耦合线圈11通过一对电磁感应信号线与控制及测量系统2相连接，当活塞杆12在电磁耦合线圈11内轴向移动时所述的电磁感应传感器1能产生电磁感应信号，且该电磁感应信号能通过电磁感应信号线传输至控制及测量系统2。

控制及测量系统2还包括位移量计算单元22，电磁感应传感器1与位移量计算单元22相连接，激励信号产生模块21与位移量计算单元22相连接。

位移量计算单元22包括依次相连的信号放大单元221、整形单元222、过零检测单元223、数据采集单元224和信号处理器225。信号放大单元221与电磁感应传感器1相连接。激励信号产生模块21与信号处理器225相连接。分频计数单元212通过基准相位提取单元20与过零检测单元223相连接，信号处理器225上连接有位移数据输出单元226。信号处理器225包括能够判断被测物体移动方向的移动方向判断单元2250。

更具体地说，每个节距T的尺寸为2ⁿmm，其中n为自然数。本发明中，为了实现高精度测量，并且测量的精度不因电路中振荡频率的变化而产生影响，激励的正、余弦信号完全采用数字方式产生，并且正、余弦信号的相位差严格同步在π/2。正、余弦信号的一个周期也正好是一个节距T分割的脉冲数2ⁿ，其中n为自然数。又因为产生的脉冲数，正弦、余弦信号都是根据同一个晶振211，所以确保了测量的精度。

活塞杆12是由外接的动力机构驱动其轴向移动的。同时，活塞杆12移动时，电磁耦合线圈11与导磁部121和非导磁部122的磁阻重复发生变化，该磁阻的变化就使得电磁耦合线圈11中的电磁感应电压相位发生变化，这里的电磁感应电压与正弦信号和余弦信号频率相同，但相位不同。

电磁感应电压E的计算公式为：

E＝K Sin(t-2πx/T)，其中T为节距，x为节距内移动的绝对距离。

电磁感应电压信号与正弦信号I Sinωt相位比较计算出相位差Δθ。Δθ＝θ_感应-θ_激励＝θ_感应-0＝θ_感应＝2πx/T

因此，x＝ΔθT/2π，这样就可以利用Δθ计算出位移量x。这里的关键是：由于I Sinωt的产生是用计脉冲数的方法产生(即计脉冲数的起点均为0)，这样对于电磁感应电压只要作过零检测，然后统计出这时计的脉冲数就是电磁感应信号的相位Δθ。在实际测量过程中，由于被测物体是双向移动的，因此对位移的检测既要检测大小，又要检测方向。传统的判向电路采用分立原件构成，电路复杂，成本高。本发明的移动方向判断单元充分利用了微处理器(信号处理器225)的计算功能，不仅电路简单，而且可靠，成本低。在检测一个信号周期内信号处理器225读取分频计数单元212中的脉冲数。例本次检测得到的脉冲数为y_i，而前一次测量得到的脉冲数为y_i-1，则在一个检测信号周期内位移脉冲增量值为Δy_i＝y_i-y_i-1。根据Δy_i的正负即可判定移动方向，但由于没有考虑到在一个节距T端的情况，在节距T端处，脉冲数会有跳变，如仍按Δy_i＝y_i-y_i-1计算，将会产生错误，必须对Δy_i＝y_i-y_i-1进行修正。若根据最大运动速度，激励信号可在两次采样期间，位移脉冲增量的绝对值不会超过特定值。以物体最大运动速度不超过8米/秒，激励信号频率5khz(0.2ms)，则两次采样期间，位移脉冲增量的绝对值不超过4096，即|y_i-y_i-1|4096，则Δy_i＝y_i-y_i-1修正为：

$\mathrm{\&Delta;}{y}_i=\left\{\begin{array}{cc}8192+y_i-y_{i-1}& y_i-y_{i-1}<-4096\\ y_i-y_{i-1}& -4096\&le;y_i-y_{i-1}\&le;4096\\ -8192+y_i-y_{i-1}& y_i-y_{i-1}>4096\end{array}\right.$

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了电磁感应传感器1、电磁耦合线圈11、活塞杆12、导磁部121、非导磁部122、控制及测量系统2、激励信号产生模块21、晶振211、分频计数单元212、正弦信号产生单元213、余弦信号产生单元214、数字滤波单元215、位移量计算单元22、信号放大单元221、整形单元222、过零检测单元223、数据采集单元224、信号处理器225、移动方向判断单元2250、位移数据输出单元226、基准相位提取单元20等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种基于电磁感应的高精度定位系统，其特征在于，本定位系统包括电磁感应传感器(1)和控制及测量系统(2)，所述的控制及测量系统(2)包括能产生激励信号的激励信号产生模块(21)，所述的激励信号产生模块(21)与能在外力作用下动作的电磁感应传感器(1)相连接，所述的电磁感应传感器(1)在动作时能产生电磁感应信号且该电磁感应信号能被控制及测量系统(2)接收，所述的控制及测量系统(2)能根据激励信号和电磁感应信号实现定位处理。

2.根据权利要求1所述的基于电磁感应的高精度定位系统，其特征在于，所述的电磁感应传感器(1)包括电磁耦合线圈(11)，在电磁耦合线圈(11)中穿设有一根活塞杆(12)，该活塞杆(12)上具有间隔设置的导磁部(121)和非导磁部(122)，所述的导磁部(121)和非导磁部(122)的长度相等且相邻的一个导磁部(121)和一个非导磁部(122)构成一个节距(T)。

3.根据权利要求2所述的基于电磁感应的高精度定位系统，其特征在于，所述的激励信号产生模块(21)包括晶振(211)，连接在晶振(211)上的分频计数单元(212)，在分频计数单元(212)上连接有正弦信号产生单元(213)和余弦信号产生单元(214)，所述的正弦信号产生单元(213)通过数字滤波单元(215)与一对正弦信号线相连，所述的余弦信号产生单元(214)通过另一数字滤波单元(215)与一对余弦信号线相连，所述的正弦信号线和余弦信号线均与电磁感应传感器(1)相连。

4.根据权利要求2所述的基于电磁感应的高精度定位系统，其特征在于，所述的电磁耦合线圈(11)通过一对电磁感应信号线与控制及测量系统(2)相连接，当活塞杆(12)在电磁耦合线圈(11)内轴向移动时所述的电磁感应传感器(1)能产生电磁感应信号，且该电磁感应信号能通过电磁感应信号线传输至控制及测量系统(2)。

5.根据权利要求3或4所述的基于电磁感应的高精度定位系统，其特征在于，所述的控制及测量系统(2)还包括位移量计算单元(22)，所述的电磁感应传感器(1)与位移量计算单元(22)相连接，所述的激励信号产生模块(21)与位移量计算单元(22)相连接。

6.根据权利要求5所述的基于电磁感应的高精度定位系统，其特征在于，所述的位移量计算单元(22)包括依次相连的信号放大单元(221)、整形单元(222)、过零检测单元(223)、数据采集单元(224)和信号处理器(225)，所述的信号放大单元(221)与电磁感应传感器(1)相连接，所述的激励信号产生模块(21)与信号处理器(225)相连接，所述的分频计数单元(212)通过基准相位提取单元(20)与过零检测单元(223)相连接，所述的信号处理器(225)上连接有位移数据输出单元(226)。

7.根据权利要求6所述的基于电磁感应的高精度定位系统，其特征在于，所述的信号处理器(225)包括能够判断被测物体移动方向的移动方向判断单元(2250)。

8.根据权利要求2或3或4所述的基于电磁感应的高精度定位系统，其特征在于，所述的节距(T)的长度为2nmm，n为自然数。

Images