CN108871248B - 一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械电子领域，并公开了一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置，包括多个检测标尺及传感器读头，每个检测标尺均包括RFID标签、鉴尺磁钢组、鉴隙磁钢组和位置检测磁钢阵列；传感器读头包括RFID读写器、鉴尺霍尔阵列、位置检测霍尔阵列和鉴隙霍尔阵列，RFID读写器用于读取所述RFID标签的信息，鉴尺霍尔阵列用于选择检测标尺的一段，位置检测霍尔阵列用于检测传感器读头相对检测标尺上标定点的距离，鉴隙霍尔阵列用于检测传感器读头与检测标尺间的间隙。本发明可得到传感器读头在检测标尺上精确的位置数据，辅以RFID技术实现传感器读头大行程运动的尺间位置数据检测，检测效率和检测精度均比较高。

Description

一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置

技术领域

本发明属于机械电子领域，更具体地，涉及一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置。

背景技术

位置检测技术是移动式平台或装置控制的关键部分，位置检测的精度决定了平台能够实现的功能及其可靠性程度。在工业自动化领域的移动机器人系统、AGV小车、载重天车等，在工厂的复杂环境中精确移动定位，都需要利用大行程的位置检测技术，其是实现智能工厂、组成高可调度柔性生产制造的重要一环。除此之外，大行程的位置检测技术，也可应用于在航空、航天制造过程的总装对接和工序流转等各个过程中，作为移动平台的移动位置参考基准。

以移动机器人为例，即将工业机器人结合移动平台(导轨)设计，将可移动平台作为外部附加轴与机器人本体行程一个新的机械系统。其相比传统的固定机器人而言，具有可移动、高效率的特点，具备柔性制造的能力，可经由导轨完成不同工位的各类作业，将生产效率最大化。导轨式移动平台技术对于工业机器人推广应用于柔性制造领域具有重要意义，可应用于工厂自动化的各类大型、超大型零件喷涂、表面处理以及零部件在工厂中的精准移动装配等，具备广泛的市场前景。

目前的移动平台，有采用精密齿轮齿条驱动，以长直线导轨作为导向；通过伺服驱动齿轮与齿条啮合从而推动平台移动，通过检测伺服编码器位置从而得到位置值，其位置检测精度较低且受现场的安装影响较大，在导轨长度过长之后，其精度降低明显，其精度主要由加工的齿轮齿条精度保证，因此其价格十分昂贵；有的采用光栅实现位置测量，但光栅的工艺特性限制，其有限检测长度限制在2m以下，且对环境有很高的要求；有的采用CCD相机或激光位移传感器实现位置测量，但是其对环境要求很高，在现场灰尘较多、环境复杂的情况下难以应用，且在导轨行程达30m以后其精度降低明显；有的采用激光干涉仪、跟踪仪等实现移动平台位置检测，但其成本过高，难以实现工业应用；有的采用磁栅尺的测量系统，可满足大型机床使用需要，采用带型磁栅尺，其最大长度可达30m，精度达±0.02mm，但其物理特性限制，导致其对环境温度有较高的要求，在磁栅尺长度过长后，温度的大幅变化，可能会导致磁栅尺断裂、隆起等，因此仅在大型机床上有应用，且其要求的磁性传感器与磁尺间的间距不超过0.4mm，对现场的安装要求太高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置，可应用于工厂的移动机器人平台、轨道式AGV等移动平台在以大行程运动于工厂复杂环境时的精确检测定位。其以传感器读头内霍尔阵列传感器检测标尺内磁钢，检测得到的霍尔阵列电压，经滤波、间隙电压差补偿并以查表细分算法，得到传感器读头在检测标尺上精确的位置数据，辅以RFID技术实现传感器读头大行程运动时的尺间检测。系统兼顾了高效率和高精度检测的需要，满足工厂自动化所需。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置，其特征在于，包括安装在移动平台上的传感器读头和安装在导轨上的多个检测标尺，所述移动平台安装在所述导轨上，该移动平台可沿所述导轨的纵向移动，这些检测标尺沿所述导轨的纵向间隔设置，所述传感器读头的纵向与所述移动平台的纵向一致并且位于所述检测标尺的上方，其中，

每个所述检测标尺均包括RFID标签、鉴尺磁钢组、鉴隙磁钢组和位置检测磁钢阵列，其中，所述RFID标签设置有多个并且它们沿所述导轨的纵向设置，以用于标识检测标尺的位置，所述鉴尺磁钢组设置有两组并且位于所述检测标尺的两端，两组鉴尺磁钢组之间设置有多组鉴隙磁钢组，每两组所述鉴隙磁钢组之间还设置多个所述位置检测磁钢阵列，此外，每组所述鉴尺磁钢组均包括两个鉴尺磁钢，这两个鉴尺磁钢沿所述导轨的纵向设置并且它们的N极的朝向相同，每组所述鉴隙磁钢组均包括两个鉴隙磁钢，这两个所述鉴隙磁钢沿所述导轨的纵向设置并且其中一个所述鉴隙磁钢的N极朝上而另一个所述鉴隙磁钢的N极朝下，每组所述位置检测磁钢阵列均包括三个或五个位置检测磁钢并且这些位置检测磁钢沿所述导轨的纵向设置，这些位置检测磁钢均竖直设置并且相邻两位置检测磁钢的N极的朝向相反；

所述传感器读头包括RFID读写器、鉴尺霍尔阵列、位置检测霍尔阵列和鉴隙霍尔阵列，其中，所述RFID读写器用于读取所述RFID标签的信息，以获得检测标尺的位置，所述鉴尺霍尔阵列用于选择检测标尺的一段，以便利用该段筛选鉴隙霍尔阵列和位置检测霍尔阵列的检测数据，所述位置检测霍尔阵列用于检测传感器读头相对检测标尺上标定点的距离，从而获得传感器读头的位置，所述鉴隙霍尔阵列用于检测所述传感器读头与检测标尺间的间隙，以校准位置检测霍尔阵列检测的传感器读头的位置。

优选地，两组所述鉴隙磁钢组之间的相邻两位置检测磁钢阵列的间距相等。

优选地，所述RFID读写器设置有多个，所述鉴尺霍尔阵列设置有多个并且它们沿所述传感器读头的纵向设置，每相邻两个鉴尺霍尔阵列之间设置两个所述鉴隙霍尔阵列并且在这两个所述鉴隙霍尔阵列之间还设置多个所述位置检测霍尔阵列，相邻两个所述鉴隙霍尔阵列之间的这些位置检测霍尔阵列以不同间距分布。

优选地，所述鉴尺磁钢的横截面面积大于所述鉴隙磁钢的横截面面积。

优选地，所述鉴尺霍尔阵列根据鉴尺磁钢组的磁场强度来选择检测标尺的其中一段作为有效数据段，而检测标尺剩下的其他段则舍弃。

优选地，通过鉴隙霍尔阵列对由鉴尺霍尔阵列区分的、有效数据段内的鉴隙磁钢组进行检测，再通过滤波、查找标定数据表以及线性插值法求得间隙补偿量，从而修正位置检测霍尔阵列输出的传感器读头在检测标尺上的位置量。

优选地，所述RFID读写器通过检测RFID标签，得到传感器读头所在区域内检测标尺的相应标号，然后在标定数据表中查找此标号，得到该区域内检测标尺的位置数据，此位置数据为传感器读头的粗分度位置数据。

优选地，检测相邻的检测标尺的间距并在首次标定时记录，当所述RFID读写器检测到对应的检测标尺间间距与对应记录间距的变化超过设定阈值时，则需重新标定此间距值或修正此间距值。

优选地，在传感器读头内设置温度传感器，以检测传感器读头内温度变化，用以补偿温度变化对传感器读头带来的影响。

优选地，检测标尺与传感器读头间的标定过程如下：将检测标尺以及光栅尺，分别固定于直线导轨平台的两侧，将传感器读头固定于平台上的X、Z轴精密微调台上，传感器读头采集的霍尔阵列电压数据以及光栅尺的位置数据均通过NI数据采集卡接到数据处理设备上，直接进行数据的处理分析，调节微调平台的微分头，伺服电机驱动平台运动，测量在不同的安装间隙及偏移量下，检测标尺与传感器读头相对位置与霍尔阵列电压数据组的对应关系，形成检测标尺与传感器读头间的标定关系数据表。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明通过将RFID标签检测与磁钢阵列检测复合应用，形成粗精结合的大行程位置检测方案，同时满足在检测中的检测效率及检测精度要求；通过设计多种组合功能的磁钢组及其检测方案，形成鉴尺、鉴隙、位置检测等多种应用，其中鉴隙磁钢组检测，有效补偿实际应用过程中检测标尺的安装问题，位置检测磁钢组的传感器检测数据通过补偿修正，以及利用检测冗余的优化均值法，有效提高了位置检测的精分度；

2)本发明通过RFID电子标签与激光干涉仪标定，形成检测的粗分度，又通过对传感器读头尺间间距的检测判断，形成对粗分度变化的检测，减少在大行程位置检测过程中由于安装面沉降或热涨冷缩因素，对粗分度的精度的影响；通过采用等间距磁钢组与不等间距霍尔阵列传感器阵列的方案，有效减少了磁钢组内部磁钢间的磁场耦合，降低了分析及标定的复杂度。

附图说明

图1是本发明绝对式超大行程位置检测装置的工作流程示意图；

图2是本发明的安装布局示意图；

图3是本发明的位置检测原理示意图；

图4是本发明的鉴尺原理示意图；

图5是本发明的传感器读头布局示意图；

图6是本发明的间隙补偿原理示意图；

图7是本发明的RFID检测示意图；

图8a及图8b是本发明装置传感器读头与检测标尺间有效安装间隙及偏移量示意图；

图9是本发明装置的检测标尺允许安装间距示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照各附图，一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置，包括安装在移动平台上的传感器读头1和安装在导轨上的多个检测标尺2，所述移动平台安装在所述导轨上，该移动平台可沿所述导轨的纵向移动，这些检测标尺2沿所述导轨的纵向间隔设置，所述传感器读头1的纵向与所述移动平台的纵向一致并且位于所述检测标尺2的上方，其中，

每个所述检测标尺2均包括RFID标签、鉴尺磁钢组、鉴隙磁钢组和位置检测磁钢阵列，其中，所述RFID标签设置有多个并且它们沿所述导轨的纵向设置，以用于标识检测标尺2的位置，所述鉴尺磁钢组设置有两组并且位于所述检测标尺的两端，并且它们沿所述导轨的纵向设置，每相邻两组鉴尺磁钢组之间设置两组所述鉴隙磁钢组并且在这两组所述鉴隙磁钢组之间还设置多个所述位置检测磁钢阵列，此外，每组所述鉴尺磁钢组均包括两个鉴尺磁钢，这两个鉴尺磁钢沿所述导轨的纵向设置并且它们的N极的朝向相同，每组所述鉴隙磁钢组均包括两个鉴隙磁钢，这两个所述鉴隙磁钢沿所述导轨的纵向设置并且其中一个所述鉴隙磁钢的N极朝上而另一个所述鉴隙磁钢的N极朝下，每组所述位置检测磁钢阵列均包括三个或五个位置检测磁钢并且这些位置检测磁钢沿所述导轨的纵向设置，这些位置检测磁钢均竖直设置并且相邻两位置检测磁钢的N极的朝向相反；鉴尺磁钢组、鉴隙磁钢组和位置检测磁钢阵列实质上都是一些磁钢组，为了区分这些磁钢组，故而前面加上“鉴尺”、“鉴隙”和“位置检测”，它们分别与后文提到的鉴尺霍尔阵列、位置检测霍尔阵列和鉴隙霍尔阵列配合。

每个所述传感器读头1均包括RFID读写器、鉴尺霍尔阵列、位置检测霍尔阵列和鉴隙霍尔阵列，其中，所述RFID读写器用于读取所述RFID标签的信息，以获得检测标尺2的位置，所述鉴尺霍尔阵列用于与鉴尺磁钢组配合来选择检测标尺的一段，以便利用该段筛选鉴隙霍尔阵列和位置检测霍尔阵列的检测数据，鉴尺霍尔阵列实质是由多个霍尔元件组成，为了与其他霍尔阵列区分，将其称为鉴尺霍尔组件；所述位置检测霍尔阵列具有多个位置检测霍尔，其用于检测传感器读头1相对检测标尺2上标定点的距离，从而获得传感器读头1的位置，此位置数据即为传感器读头1的精分度位置数据，位置检测霍尔阵列实质是由多个霍尔元件组成，为了与其他霍尔阵列区分，将其称为位置检测霍尔组件；所述鉴隙霍尔阵列具有多个鉴隙霍尔，其用于检测所述传感器读头1与检测标尺2间的间隙，以校准位置检测霍尔阵列检测的传感器读头1的位置。鉴隙霍尔阵列实质是由多个霍尔元件组成，为了与其他霍尔阵列区分，将其称为鉴隙霍尔组件；

鉴尺霍尔组件、位置检测霍尔阵列和鉴隙霍尔阵列，

进一步，两组所述鉴隙磁钢组之间的相邻两位置检测磁钢阵列的间距相等。

进一步，在每个所述传感器读头1中，所述RFID读写器设置有多个，所述鉴尺霍尔阵列设置有多个并且沿所述传感器读头的纵向设置，每相邻两个鉴尺霍尔阵列之间设置两个所述鉴隙霍尔阵列并且在这两个所述鉴隙霍尔阵列之间还设置多个所述位置检测霍尔阵列，相邻两个所述鉴隙霍尔阵列之间的这些位置检测霍尔阵列以不同间距分布。

进一步，所述鉴尺磁钢的横截面面积大于所述鉴隙磁钢的横截面面积。

进一步，其特征在于，所述鉴尺霍尔阵列根据鉴尺磁钢组的磁场强度来选择检测标尺2的其中一段作为有效数据段，而检测标尺2剩下的其他段则舍弃。

进一步，通过鉴隙霍尔阵列对由鉴尺霍尔阵列区分的、有效数据段内的鉴隙磁钢组进行检测，再通过滤波、查找标定数据表以及线插值性法求得间隙补偿量，从而修正位置检测霍尔阵列输出的传感器读头1在检测标尺2上的位置量。

进一步，所述RFID读写器通过检测RFID标签，得到传感器读头1所在区域内检测标尺2的相应标号，然后在标定数据表中查找此标号，得到该区域内检测标尺2的位置数据，此位置数据为传感器读头1的粗分度位置数据。

进一步，检测相邻的检测标尺2的间距并在首次标定时记录，当所述RFID读写器检测到对应的检测标尺2间间距与对应记录间距的变化超过设定阈值时，则需重新标定此间距值或修正此间距值。

进一步，在传感器读头1内设置温度传感器，以检测传感器读头1内温度变化，用以补偿温度变化对传感器读头1带来的影响；

进一步，检测标尺2与传感器读头1间的标定过程如下：将检测标尺2以及光栅尺，分别固定于直线导轨平台的两侧，将传感器读头1固定于平台上的X、Z轴精密微调台上，传感器读头1采集的霍尔阵列电压数据以及光栅尺的位置数据均通过NI数据采集卡接到数据处理设备上，直接进行数据的处理分析，调节微调平台的微分头，伺服电机驱动平台运动，测量在不同的安装间隙及偏移量下，检测标尺2与传感器读头1相对位置与霍尔阵列电压数据组的对应关系，形成检测标尺2与传感器读头1间的标定关系数据表。

本发明的检测标尺2沿移动平台的运动方向安装固定于导轨一侧，传感器读头1安装于移动平台上与检测标尺2保持一定间距平行安装，随移动平台一同移动。在移动平台移动过程中，传感器读头1始终对检测标尺2进行检测，实时更新平台的位置数据。

如图1所示，在检测标尺2上存在三种磁钢组及一组标签阵列：鉴尺磁钢组、鉴隙磁钢组、位置检测磁钢阵列，以及等间距的电子标签阵列。三种磁钢的安装位置及组成功能如下：

1)鉴尺磁钢组：安装于检测标尺2的两端位置，两个N极磁钢构成一组，用以甄别不同检测标尺2；

2)鉴隙磁钢组：安装于检测标尺2上间距100mm一组，两个磁钢组构成100mm区段的两端，认为在100mm的区间内检测标尺2与传感器读头1近似平行。

3)位置检测磁钢阵列：安装于检测标尺2靠中间位置，以三个或5个组成一组阵列，不同阵列间间距一致，形成具有一定规律的磁场；

4)等间距的电子标签阵列：安装在检测标尺2的另一侧，如图2所示，以等间距阵列排布，不同检测标尺2上电子标签写入的标号不一。

与之对应的对其进行检测的传感器分别是：鉴尺霍尔阵列、鉴隙霍尔阵列、位置检测霍尔阵列以及RFID读卡芯片阵列(图示反映的是工作流程，而非布局示意图)，传感器及磁钢的布局在后续会逐一解释。四种功用的传感搭配使用，分别完成以下功能：

1)鉴尺霍尔阵列：判断传感器读头1的小区段内是否有来自不同检测标尺2的检测数据，进而完成对其它三种传感器的数据筛选；

2)鉴隙霍尔阵列：对由鉴尺霍尔阵列区分的，有效数据段内的鉴隙磁钢组进行检测，通过滤波、查表及线插值性法求得间隙补偿量，修正位置检测霍尔阵列的输出；

3)位置检测霍尔阵列：检测位置检测磁钢阵列，相应的模拟量数据在筛选、滤波及鉴隙修正之后，通过查找标定表(预先已标定)及线性插值法，求得传感器读头1在检测标尺2上的精分度位置数据；

4)RFID读卡芯片阵列：检测电子标签阵列，得到传感器读头1所在区域内检测标尺2的相应标号，经筛选后该数据用以查对应此标号的标定数据表，得到该检测标尺2在整个大行程上的位置，此即为传感器读头1在整个长度方向的粗分度数据。

此外，在超大行程的运动检测中，不能忽视温度所致的热胀冷缩及安装面变形沉降问题，为此，本装置采用以下方案：

1)引入RFID的标号检测，结合检测标尺2间间距检测判断，检测相邻检测标尺2间的间距并在首次标定时记录，当对应的检测标尺2间间距与对应记录值间距，变化超过设定阈值时，认为此前的检测标尺2标定数据失真，需重新标定或修正已有数据值。产生该失真一方面可能是地面的变形沉降也可能是温度系数的影响。对其应予以区别对待。

2)在传感器读头1内置以温度传感器检测传感器读头1内温度变化，用以补偿温度变化对传感器读头1带来的影响，此外由于检测标尺2及传感器读头1本身均选用铝基材，材料本身的热胀冷缩系数很小，约为24.3x10^-6。

3)此外如1所述的方案中，失真由温度变化所致，则2中的温度传感器检测的温度，还需考虑将其作为选用不同的标定位置数据值的温度参考。

下面对结合附图对系统的各类工况及作业方式作详细阐述：

1)传感器读头1在检测标尺2内的位置检测：如图4所示，传感器读头1上以鉴尺霍尔阵列为界划分为两段。以典型应用为例，当检测标尺2每段在1000mm左右时，传感器读头1长度800mm。当传感器读头1处在检测标尺2内区域时，鉴尺霍尔阵列检测不到对应的鉴尺磁钢组所形成的强磁场，此时认为传感器读头1内所有传感器检测的数据均来源于同一个检测标尺2，即均为有效数据。如图1所示，鉴尺霍尔阵列在这里进行AD转换后，确定的所有端口均为有效数据口。鉴隙霍尔阵列对每一小段的间隙进行AD转换、滤波、查表以及线性插值后，将相应的间隙补偿量，用于修正该小段区间内位置检测霍尔阵列的输出。位置检测的霍尔阵列的输出同样经过上述处理及修正后，进入查表(预先标定得到标定表)及线性插值得到最终的精分度位置值，最终的数据再经温度传感器反馈的温度修正系数修正，即为最终的精分度位置数据。RFID读卡芯片，检测到电子标签，得到当前检测标尺2的对应标号数据，查检测标尺2的标定数据表，得到当前的检测标尺2的最终粗分度位置数据。粗精位置数据合成并以数字量的形式输出给上位机。

2)传感器读头1在检测标尺2间的位置检测：以典型应用为例，由于检测标尺2长1000mm而传感器读头1长800mm，因此更多时候传感器读头1是处在两个检测标尺2间的，如图4所示。检测标尺2间位置检测的原理与检测标尺2内位置检测类似，不同点在于，尺间检测时，位于传感器读头1内某一小段内的鉴尺霍尔阵列检测到大磁场，输出一个较高电平，此时认为传感器读头1内传感器检测的数据均来源于两段不同的检测标尺2，数据处理前需要对有效数据端口进行筛选，仅将以该鉴尺霍尔阵列为界的以前或以后的位置检测用霍尔阵列模拟量数据、鉴隙补偿量数据以及RFID阅读器数据做最终的位置输出用。数据的选取以较长的一段为准，对较短的一段数据作尺间间距变化判断用(后续进一步说明)。其余流程与上述尺内检测类似，与尺内检测相比，虽然仅使用了传感器读头1内的部分区段数据作位置检测，但由于传感器读头1内存在众多区间段，有相当大的冗余特性，以典型应用为例，传感器读头1在检测标尺2间的位置检测，至少仍存在3段有效数据段的冗余，因此其对检测精度不构成影响。

3)传感器读头1尺间间距检测判断原理：如上述尺间位置检测所述，当传感器读头1在跨越两个检测标尺2的时候，由于检测标尺2间间距不大(30mm以内)，因此装置运行过过程中，存在有传感器读头1跨越两段检测标尺2的情况。与位置检测的原理类似，在传感器读头1跨越两段检测标尺2时，传感器读头1能够检测到从一段检测标尺2移动到另一段检测标尺2的精分度位置变化，而对另一段检测标尺2而言，也能够测得传感器读头1在该段检测标尺2上的精分度位置变化量，对于相邻且固定不变的两段检测标尺2而言，该变化量的差等于安装间距差，且始终保持不变。在检测标尺2安装完成后，通过一次全行程检测，记录各个检测标尺2间的变化量，后续的使用过程中均以该变化量作为尺间间距检测判断的参考量。

通过RFID电子标签与激光干涉仪标定，形成检测的粗分度，又通过对传感器读头1尺间间距的检测判断，形成对粗分度变化的检测，减少在大行程位置检测过程中由于安装面沉降或热涨冷缩因素，对粗分度的精度的影响。

4)检测标尺2的标定安装方案：检测标尺2的标定涉及到：检测标尺2与传感器读头1间的标定以及检测标尺2安装于现场之后，对每一段检测标尺2的“零”点的标定。

检测标尺2与传感器读头1间的标定在实验室测试完成。将检测标尺2以及光栅尺，分别固定于直线导轨平台的两侧，将传感器读头1固定于平台上的X、Z轴精密微调台上，传感器读头1采集的霍尔阵列电压数据以及光栅尺的位置数据均通过数据采集卡接到NI上，直接进行数据的处理分析，调节微调平台的微分头，伺服电机驱动平台运动，测量在不同的安装间隙及偏移量下位置与霍尔阵列电压数据组的对应关系。形成检测标尺2与传感器读头1间的标定关系数据表。

检测标尺2安装于现场之后的标定，经由激光干涉仪或激光跟踪仪来完成。检测标尺2在现场安装的间距要求在0—30mm范围内均可，检测标尺2安装完成后，运行检测标尺2标定程序，安装于平台上的传感器读头1在每个检测标尺2上方做一次停留，以传感器读头1上的固定位置点为测量点，以干涉仪或跟踪仪检测此时测量点位置。采集此时传感器读头1在检测标尺2上对应的位置数据，做差求得传感器读头1在检测标尺2“零”点的位置数据。

图2为本发明的装置安装布局示意图。传感器读头1与检测标尺2平行安装，且传感器读头1位于检测标尺2上方一定距离范围内。传感器读头1可双向检测，满足移动平台的移动需要；检测标尺2上安装有不同功能的磁钢组或磁钢阵列，组合完成位置检测中精分度位置数据的获取，在图3—6对磁钢组的功能进行进一步的说明。在检测标尺2一侧，安装有等间距电子标签阵列，传感器读头1上的RFID阅读器检测电子标签，得到位置检测中粗分位置数据。

图3为本发明的装置位置检测原理示意图。在检测标尺2上存在多对位置检测用磁钢组，在磁钢组内磁钢间距一定，而对于不同磁钢组之间，该间距不一；在传感器读头1上存在多组位置检测用线性霍尔阵列传感器，与磁钢相反，在霍尔阵列传感器组内，该间距不一，而在不同传感器组之间，其间距一定。在检测标尺2上，典型的磁钢组组合方式包括有：NSN、SNS、NSNSN、SNSNS(从检测标尺2的测量面看)。

如图3所示，在该段内，传感器读头1上的位置检测霍尔阵列传感器HA—HD分别输出不同的模拟量电压，对应的AD口采集到电压后，进行补偿及滤波处理后，四个AD采样值依次与已有标定数据表中采样值对比，进而筛选出最接近的一组模拟量数据组合，从而得到与传感器读头1实际位置最接近的标定位置数据，通过线性插值法，补足标定采样值与实际测量采样值之间的差，换算得到传感器读头1实际位置与标定位置数据之间的差。进而获得，传感器读头1在当前位置下精确的位置数据。以图示为例，该位置数据的获取包括有四个一组的位置判据，实际上在传感器读头1上还存在更多的传感器组，最终得到的位置数据，来自多个传感器组检测中获取的最优化均值。

图4为本发明的装置鉴尺原理示意图。典型的应用是，当检测标尺2每段在1000mm左右时，传感器读头1长度800mm。当在传感器读头1的检测区间范围内存在两个检测标尺2时，如图所示，需要对霍尔阵列传感器组及RFID阅读器所输出的数据进行鉴别，以免输出相冲突的位置数据。如图所示，在检测标尺2的两端位置各有一组鉴尺用磁钢，该组磁钢的特点是，磁钢间距及尺寸较大，且为邻近的同极性磁极(这里为N极)，以上述的典型应用为例，鉴尺磁钢组两个一组，磁钢安装间距40mm，磁钢尺寸D16H8，距检测标尺2边缘5mm。

如图5所示，以上述的典型应用为例，鉴尺霍尔阵列以100mm的间距在传感器读头1上阵列安装，将传感器读头1上位置霍检测尔、鉴隙霍尔阵列及RFID阅读器划分为若干段。鉴尺用磁钢尺寸较大且为同极性，因此该磁极组会构成一个相对的强磁场区域，将该区域认定为检测标尺2的边界区域，当鉴尺霍尔阵列在该强磁场区域时，输出一个较大的模拟量电压，即可判定为该鉴尺霍尔阵列进入强磁场区域，即处于检测标尺2的边界上，仅将以该鉴尺霍尔阵列为界的以前或以后的位置检测用霍尔阵列模拟量数据、鉴隙补偿量数据以及RFID阅读器数据做最终的位置输出用。数据的选取以较长的一段为准，对较短段数据作尺间间距变化判断用。

图6为本发明的装置间隙补偿原理示意图。以上述典型应用为例，由鉴尺霍尔阵列划分传感器读头1为100mm一段。在该段范围内，布置有两个鉴隙霍尔阵列，认为在两个鉴隙霍尔阵列的间距范围内(小于100mm)，传感器读头1与检测标尺2近似于平行。如图所示在该段范围内的鉴隙霍尔阵列，检测到鉴隙磁钢组的模拟量输出峰谷值d，根据该差值查表得到两组与该值最接近的标定峰谷值D1、D2及其电压补偿量C1、C2，进而通过线性插值法求得与d值对应模拟量电压补偿量C0，将C0用于补偿在该段内的位置检测霍尔阵列电压，显著提高检测定位精度。

图7为本发明装置RFID检测示意图。以上述典型应用为例，如图所示，传感器读头1上以100mm间距共布置有9个RFID阅读器，而在检测标尺2上以50mm间距布置有21个电子标签，5阅读器与标签在长度方向间距在25mm范围内。参照图8a、图8b，传感器读头1与检测标尺2在设计安装的范围内，传感器读头1均能检测到检测标尺2上的电子标签，进而得到的粗精度数据。设计上对该处的RFID检测采用了较多的冗余，有效提高系统稳定性。

图8a、图8b为本发明装置传感器读头1与检测标尺2间有效安装间隙及偏移量示意图。如图所示，在实际的安装过程中，允许传感器读头1和检测标尺2间的位置存在以下变动，即传感器读头1与检测标尺2间的间隙允许在10—20mm范围内游移，传感器读头1与检测标尺2间偏移量即在垂直于间隙方向内允许有±10mm的变化，这两部分的间隙及偏移变化可由鉴隙霍尔阵列补足，不影响系统的整体检测精度。实际上，间隙变化及偏移量变化，对检测造成的影响完全一致，都反映在模拟量输出的变化上。通过鉴尺霍尔阵列将传感器读头1划分成多个小段，以典型应用为例是100mm一段，可认为在该段范围内，传感器读头1与检测标尺2近似于平行，在该段范围内的鉴隙霍尔阵列，可充分的补偿该段内，位置检测霍尔阵列的模拟量示值，显著提高位置检测精度。因此图示的安装偏差范围对位置检测精度造成的影响是较小的。

图9为本发明装置的检测标尺2允许安装间距示意图。如图所示，在实际的应用过程中，允许检测标尺2间存有不同安装间距的情况，这里允许的安装间距变化在0—30mm之间，提高了现场适应性。

本发明可应用于行程超过30m以上，最大达150m，条件允许甚至可达200m以上的超大行程位置检测，装置包括检测标尺2、传感器读头1两部分。检测标尺2以1-2m左右为一小段，其由圆柱形磁钢阵列及等间距RFID电子标签组成。检测标尺2上RFID标签有与该检测标尺2唯一对应的标号信息，安装完成之后，通过激光干涉仪进行检测标尺2的“零点”位置标定，建立检测标尺2与RFID标签的位置的关系表，RFID读卡芯片检测电子标签进而得到检测标尺2的“零点”位置数据，可将该零点位置数据，理解为检测装置的粗分度。圆柱型磁钢阵列在每一检测标尺2上的组成规律完全相同，由线性霍尔传感器检测磁钢阵列，检测得到的霍尔电压经数据处理后，通过查表法将其转换为对应的位置数据，由此构成检测标尺2的精分度。粗分度与精分度数据合成为传感器读头1在大行程上运动精确的位置值。传感器读头1呈长条形，内部由不等间距霍尔传感器阵列、数个RFID读卡芯片组成以及检测控制电路组成，RFID读卡芯片检测电子标签得到位置的粗分度值；霍尔传感器检测在此有三种功能：位置检测、鉴尺、间隙，分别位于不同位置，其中两个鉴尺霍尔分别位于传感器读头1两端，两个鉴隙霍尔分别位于传感器读头1两端靠中间，位置检测以不等间距密布于传感器读头1上。鉴尺霍尔用于筛选RFID及位置检测中的有效数据端口，鉴隙霍尔用于补偿间隙变化造成的位置检测偏差，位置检测霍尔采集数据实现功能。实施本发明，能够在保证检测效率的及同时有效提高提高检测精度，对于超大行程运动平台的检测具有重要意义。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置，其特征在于，包括安装在移动平台上的传感器读头和安装在导轨上的多个检测标尺，所述移动平台安装在所述导轨上，该移动平台可沿所述导轨的纵向移动，这些检测标尺沿所述导轨的纵向间隔设置，所述传感器读头的纵向与所述移动平台的纵向一致并且位于所述检测标尺的上方，其中，

每个所述检测标尺均包括RFID标签、鉴尺磁钢组、鉴隙磁钢组和位置检测磁钢阵列，其中，所述RFID标签设置有多个并且它们沿所述导轨的纵向设置，以用于标识检测标尺的位置，所述鉴尺磁钢组设置有两组并且位于所述检测标尺的两端，两组鉴尺磁钢组之间设置有多组鉴隙磁钢组，每两组所述鉴隙磁钢组之间还设置多个所述位置检测磁钢阵列，此外，每组所述鉴尺磁钢组均包括两个鉴尺磁钢，这两个鉴尺磁钢沿所述导轨的纵向设置并且它们的N极的朝向相同，每组所述鉴隙磁钢组均包括两个鉴隙磁钢，这两个所述鉴隙磁钢沿所述导轨的纵向设置并且其中一个所述鉴隙磁钢的N极朝上而另一个所述鉴隙磁钢的N极朝下，每组所述位置检测磁钢阵列均包括三个或五个位置检测磁钢并且这些位置检测磁钢沿所述导轨的纵向设置，这些位置检测磁钢均竖直设置并且相邻两位置检测磁钢的N极的朝向相反；

所述传感器读头包括RFID读写器、鉴尺霍尔阵列、位置检测霍尔阵列和鉴隙霍尔阵列，其中，所述RFID读写器用于读取所述RFID标签的信息，以获得检测标尺的位置，所述鉴尺霍尔阵列用于选择检测标尺的一段，以便利用该段筛选鉴隙霍尔阵列和位置检测霍尔阵列的检测数据，所述位置检测霍尔阵列用于检测传感器读头相对检测标尺上标定点的距离，从而获得传感器读头的位置，所述鉴隙霍尔阵列用于检测所述传感器读头与检测标尺间的间隙，以校准位置检测霍尔阵列检测的传感器读头的位置。

2.根据权利要求1所述的一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置，其特征在于，两组所述鉴隙磁钢组之间的相邻两位置检测磁钢阵列的间距相等。

3.根据权利要求1所述的一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置，其特征在于，所述RFID读写器设置有多个，所述鉴尺霍尔阵列设置有多个并且它们沿所述传感器读头的纵向设置，每相邻两个鉴尺霍尔阵列之间设置两个所述鉴隙霍尔阵列并且在这两个所述鉴隙霍尔阵列之间还设置多个所述位置检测霍尔阵列，相邻两个所述鉴隙霍尔阵列之间的这些位置检测霍尔阵列以不同间距分布。

4.根据权利要求1所述的一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置，其特征在于，所述鉴尺磁钢的横截面面积大于所述鉴隙磁钢的横截面面积。

5.根据权利要求1所述的一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置，其特征在于，所述鉴尺霍尔阵列根据鉴尺磁钢组的磁场强度来选择检测标尺的其中一段作为有效数据段，而检测标尺剩下的其他段则舍弃。

6.根据权利要求5所述的一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置，其特征在于，通过鉴隙霍尔阵列对由鉴尺霍尔阵列区分的、有效数据段内的鉴隙磁钢组进行检测，再通过滤波、查找标定数据表以及线性插值法求得间隙补偿量，从而修正位置检测霍尔阵列输出的传感器读头在检测标尺上的位置量。

7.根据权利要求1所述的一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置，其特征在于，所述RFID读写器通过检测RFID标签，得到传感器读头所在区域内检测标尺的相应标号，然后在标定数据表中查找此标号，得到该区域内检测标尺的位置数据，此位置数据为传感器读头的粗分度位置数据。

8.根据权利要求7所述的一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置，其特征在于，检测相邻的检测标尺的间距并在首次标定时记录，当所述RFID读写器检测到对应的检测标尺间间距与对应记录间距的变化超过设定阈值时，则需重新标定此间距值或修正此间距值。

9.根据权利要求8所述的一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置，其特征在于，在传感器读头内设置温度传感器，以检测传感器读头内温度变化，用以补偿温度变化对传感器读头带来的影响。

10.根据权利要求1所述的一种可应用于超大行程检测的绝对式位置检测装置，其特征在于，检测标尺与传感器读头间的标定过程如下：将检测标尺以及光栅尺，分别固定于直线导轨平台的两侧，将传感器读头固定于平台上的X、Z轴精密微调台上，传感器读头采集的霍尔阵列电压数据以及光栅尺的位置数据均通过NI数据采集卡接到数据处理设备上，直接进行数据的处理分析，调节微调平台的微分头，伺服电机驱动平台运动，测量在不同的安装间隙及偏移量下，检测标尺与传感器读头相对位置与霍尔阵列电压数据组的对应关系，形成检测标尺与传感器读头间的标定关系数据表。