游標(biāo)磁尺的設(shè)計與實現(xiàn)

引 言
目前，廣泛用于位置測量的傳感器主要有旋轉(zhuǎn)編碼器、光柵光電編碼器、磁柵尺、磁致伸縮位置傳感器、靜磁柵絕對編碼器等。以物體的直線運動帶動旋轉(zhuǎn)編碼器的馬盤做旋轉(zhuǎn)運動，并轉(zhuǎn)換為連續(xù)的有方向的脈沖信號，以表示物體的位置，這種形式的編碼器稱為增量型旋轉(zhuǎn)編碼器。還有一種絕對位置旋轉(zhuǎn)編碼器能將物體的位置直接用數(shù)字表達(dá)，即使掉電編碼也不丟失。其量程和精度由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的速度比和加工精度決定。旋轉(zhuǎn)編碼器的最大缺點是需要一套將直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動的結(jié)構(gòu)，安裝成本頗高，機(jī)械傳動帶來間隙誤差相當(dāng)程度地削減了旋轉(zhuǎn)編碼器固有的分辨度，同時，長期使用還容易造成碼盤破損之類的機(jī)械損傷。另外，還需要接觸測量。
光柵光電編碼器的標(biāo)尺光柵和指示光柵都是由窄的矩形不透明的線紋和其等寬的透明間隔所組成，一旦被灰塵遮蓋或油漬浸泡，就影響其使用；并且在測量中不能掉電，一旦掉電，將會丟失掉電期間位移發(fā)生改變的數(shù)值。磁柵尺是在非導(dǎo)磁材料上涂一層10～20μm的磁膠，通過交流磁頭讀取刻錄在磁帶上的位置信息，當(dāng)這種位置傳感器處在惡劣環(huán)境中，如海水，這將嚴(yán)重影響交流磁頭與磁帶間的磁場傳播。磁致伸縮位置傳感器不僅響應(yīng)速度低而且成本高。
靜磁柵絕對編碼器的靜磁柵源與靜磁柵尺之間非接觸工作，在安裝使用方面，有很高的相對間隙寬容度和相對姿態(tài)寬容度。無論量程多長，只要保證安裝精度，就能獲得非常小的示值誤差，而且不受外界溫度、濕度、雜散磁場、電磁干擾等因素影響，具有很強的防震，防撞擊，防水，抗污染，抗干擾，抗惡劣環(huán)境能力，可以在水下1 000 m范圍內(nèi)工作。但是它的位置信息是用絕對磁柵編碼來確定，因此會存在響應(yīng)速度低，測量精度差等缺點，并且價格也偏高。在此設(shè)計一種抗惡劣環(huán)境的位置測量裝置游標(biāo)磁尺。該磁尺不僅克服了靜磁柵絕對編碼器的缺點，而且測量精度高，響應(yīng)速度快，還具有靜磁柵絕對編碼器的優(yōu)點。

1 游標(biāo)磁尺的結(jié)構(gòu)
游標(biāo)磁尺結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1中RS 485／RS 232轉(zhuǎn)換器主要是為了實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信而設(shè)置。它可以分為上、下位機(jī)兩個部分，上、下位機(jī)分工明確。作為下位機(jī)核心器件的PIC單片機(jī)，主要負(fù)責(zé)位置信息的處理和通信，而上位機(jī)主要負(fù)責(zé)對PIC單片機(jī)處理得到位置值的實時顯示。上位機(jī)的實時顯示功能主要利用基于圖形界面的Windows系統(tǒng)下的Visual Basic制作的實時顯示操作平臺實現(xiàn)。上、下位機(jī)通過數(shù)據(jù)通信傳遞信息。單片機(jī)和PC機(jī)的通信是通過單片機(jī)的串口和PC機(jī)串口之間的硬件連接實現(xiàn)的。其實際結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，實物圖中沒有拍下位置顯示平臺。