距离测量（精选8篇）
距离测量 篇1
0 引言
随着农业生产科技水平的不断发展,现代化农业生产装备得到了广泛的应用。在农业作业生产中经常需要用到对作业范围的距离进行精确的测量。本文研究了一种成本低廉、性能可靠的距离测量系统,满足了农业作业的需要。目前,测量距离一般采用波在介质中传播速度和时间关系进行测量。其中,超声波具有指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播距离较远等优点,因而经常用于测量距离。相比其他定位技术而言,超声波定位技术成本低、精度高、可操作性强、工作稳定。AT89S52单片机为许多控制提供了非常灵活和低成本的解决方案,可充分利用片内资源,利用较少的外围电路就可以构成功能完善的距离测量系统。本文设计了一种常见的以AT89S52单片机为核心的低成本、高精度、LED数码管显示的超声波距离测量系统的设计方法。
1 系统结构及原理
根据超声波距离测量系统功能设计要求,该系统结构如图1所示。
超声波是一种弹性机械波,可以在气体、液体和固体中传播。其波动方程为
A=A(x)cos(ωt+kx)
A(x)=A0e-αx式中 A(x)—振幅;
A0—常数;
ω—圆频率;
t—时间;
α—衰减系数;
x—传播距离;
k—波数;
λ—波长。
超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射和接收回波的时间差,然后求出待测距离。超声波的测量方法有很多,本设计方案采用脉冲反射式超声波渡越时间检测法。其原理是利用电路检测从超声波发射器发出超声波经过气体介质传播到接收器的时间,即渡越时间。一般超声波距离测量是根据反射的原理,那么渡越时间与气体中超声波传播速度相乘就是声波传播距离的两倍。当传感器与目标距离远大于两传感器间距离时,待测距离S为
式中 S—待测距离;
v—超声波的声速;
t—渡越时间。
由于超声波也是一种声波,其声速v与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的;如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。
2 硬件电路设计
2.1 单片机
合理选择单片机类型是决定超声波距离测量系统性能及成本的关键因素。AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供更加有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能:8k字节Flash,256字节RAM,32 位I/O口线,看门狗定时器,2 个数据指针,3个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU 停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
2.2超声波发射电路
超声波发射电路由超声波振荡器和超声波发射头两部分组成。其电路原理图如图2所示。
发射超声波需要在超声波振荡器的外接电路两端产生振荡,超声波发射头才能发射超声波。利用单片机的I/O口输出40kHz方波经过反向器一级一级推挽式将方波信号加载到超声波发射头上,可以提高发射强度,提高驱动能力。
2.3 超声波接收电路
本设计中采用一种常用的集成电路CX20106A作为超声波接收电路的核心。而该集成电路一般常见于电视机红外遥控接收器,一般接收38kHz或者40kHz频率的信号。在实际中,用CX20106A组成的超声波接收电路的抗干扰能力和灵敏度都非常理想,并且适当改变电容和电阻就可以改变接收的频率,提高灵敏度和抗干扰能力,如图3所示。
2.4 数码管显示电路
数码管是单片机应用系统中广泛使用的一种显示器件,从内部电路连接上共分为共阴极、共阳极两种,其内部是由发光二极管组成的。从字面意思可以理解:共阴极数码管就是每个数码管的8个发光二极管的阴极都连接在一起,而共阳极数码管是发光二极管的阳极都连接在一起。
数码管与单片机的接口比较方便,只要将单片机的8位并行I/O口与数码管的段码引脚相连接即可。从8位并行I/O口输出不同的段码,数码管就会显示不同的数字,如图4所示。
3 系统软件设计
系统软件包括主程序、定时器计时子程序、计算子程序、中断服务程序和数码管显示子程序等。主程序包括初始化和各个子程序的调用,最后把结果用四位数码管显示出来,程序流程图如图5所示。
4 测量数据的修正
距离测量系统由于受到使用环境的影响,使得系统测量距离与实际距离之间存在一定的误差,表2为超声波距离测量系统的实际值与对应的测量值。
分析表2中的数据可以看出,距离测量系统的测量数据比实际距离大一些,其中最大误差21.6%,最小误差4.56%,平均误差9.44%。测量系统误差产生的主要原因有:超声波距离测量系统受使用环境温度的影响和系统指令运行需要消耗一定的时间而使测量的距离数据偏大。针对上述问题,可以采用最小二乘法对表2中的数据进行拟合修正,以提高测量精度,减小误差。经过拟合修正,得到修正方程:y=-25.878 6+0.981 2x。其中,y为实际值,x为测量值。修正后超声波测距系统测量值与实际值的对应关系,如表3所示。
从修正后的数据可以看出,系统的测量误差大幅度降低。其中,最大误差1.50%,最小误差0.11%,平均误差0.73%,满足了系统的测量精度要求。
5 结论
利用单片机AT89S52设计的超声波距离测量系统结构精简、成本低廉、可靠性强、 硬件简单、容易实现,距离测量范围适中。实际制作中可加入DS18B20温度检测集成电路,不仅可以实时测量环境温度,还可以利用环境温度算出超声波在实际介质中的传播速度,使测量更加精确。采用CX20106A芯片用于检波放大,减少了电路之间的互相干扰,减小了电噪声。设计的最终结果是使此超声波距离测量系统能够产生超声波,实现超声波的发送与接收,从而实现利用超声波方法测量物体间的距离,同时以数字的形式显示测量距离。经实验证明,这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好,经过系统扩展和升级,可以有效地解决农业生产作业中的距离测量需求,具有较大的实际应用价值。
参考文献
[1]王兴宇,袁伟青.基于AT89S51单片机控制的新型温室温度采集监测系统[J].农机化研究,2010,32(9):107-109.
[2]丁向美,谢守勇,成莹.基于LPC2132的避障测距系统的设计与研究[J].农机化研究,2010,32(6):130-132.
[3]王文成.基于单片机的粮仓多点温度监测系统设计[J].农机化研究,2010,32(7):90-92.
[4]石彪,倪文志,刘利枚.农业机器人中超声波测距的不确定性研究[J].农机化研究,2010,32(12):19-22.
[5]陈帝伊,陈建海,马孝义.农业机器人关键技术及应用研究进展[J].农机化研究,2010,32(5):207-210.
[6]何信龙.单片机快速入门与应用设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.
[7]袁易全.近代超声原理及应用[M].南京:南京大学出版,1996.
[8]张福学.实用传感器手册[K].北京:电子工业出版社,1988.
[9]陈伟人.单片机原理及应用[M].北京:清华大学出版社,1999.
[10]周功明,周陈琛.基于AT89C52单片机的超声波测距器设计[J].绵阳师范学院学报,2008(8):49-53.
[11]龚军,罗杰.带有温度补偿和LCD显示的超声波测距仪设计[J].电子元器件应用,2008(7):50-53.
[12]王文成.基于ARM的智能超声波测距仪[J].仪表技术与传感器,2010(7):34-36.
距离测量 篇2
当我们呱呱坠地的那一刹那间，我们当然的有了意识，只是旁边的爸爸妈妈那时候不懂我们的语言而已，渐渐的我们长大了，我们的话同爸爸妈妈相似了，那时候我们可以，明了周围的点点滴滴，看见了自己喜欢的人，事，物。心里想着我想成为他那样子，这就是，梦想。
在纯洁而快乐的梦想的年华中，我们长大了，我们也渐渐懂事了啊，明白了世间的万千，也看到了自己从小伴随的梦想，如果梦想就在你的眼前，就是够不着他，想尽了一切办法，总是觉得中间有人在阻挡着，今天我明白了，他就是现实。
梦想，现实是朋友吗?
不是，他们是敌人。
梦想，现实是邻居吗?
不是，他们有距离。
就在今天我找到了一把尺子，心里想着可以测量他们之间的距离，我在滴答滴答的闹钟中寻觅到了他，我站在他们之间，开心的.、傻傻的望着另一方的梦想，呆呆的看着那一头的现实。
你们怎么这么远啊，这把尺子不够啊，你们可以靠近一些吗?他们笑了，我也笑了。
好吧，我就用力把你们拉近一些，我在来测量嘛，一牛顿，十牛顿没有丝毫反应，他们还是笑了，可是我却累了。
春，夏，秋，冬
花开花落。
四只脚，两只脚，三只脚。我站在现实的面前看着他，他笑了，我也笑了。慢慢的，费力的转过身去望着梦想，我哭了，他却微笑了。
距离测量 篇3
三坐标测量机(CMM)是高效率、万能型测量
仪器,主要用于产品尺寸、形状、位置等几何参数的测量,是现代工业检测、质量控制和制造技术中不可缺少的重要测量设备,广泛应用于机械工业、电子工业、航空航天、国防军工等领域。但是,现有的三坐标测量机在应用时,通常得到的只是被测参数的估计值,不能给出相应的测量不确定度。测量不确定度是测量结果含有的一个参数[1],是表征测量结果质量的重要指标。没有不确定度的测量结果是不完整的、没有意义的、不具有实用价值的。本文以端面距离测量为例,研究坐标测量机面向任务的测量不确定度评定。
1 测量模型
三坐标测量机测量的平行端面距离一般是通过间接测量方法得到的,即通过一端面上一点到另一端面的距离求得这两端面间的距离。本文从测量策略考虑,先从测量对象测量方向一个测量端面上任取N个点Pi(i=1,2,…,N,N≥3),利用最小二乘法求得该测量端面对应的拟合平面V;再从与之对应的另一测量端面的中心位置取一点Pk,求出Pk(xk,yk,zk)点到拟合平面V的距离L。
最小二乘拟合平面V的回归方程表示为
对应拟合平面所取的N个测量点Pi,可得正规方程组:
求解方程组(1)即可得到a、b、c,则Pk点到拟合平面V的距离为
2 不确定度模型
影响端面距离测量结果的不确定度的因素主要有:①测量机示值误差所引入的测量不确定度。测量机示值误差反映了测量机本身的21项机构误差以及测头探测误差对于测量结果的影响,该误差作为主要不确定度来源考虑;②测量对象的测量端面的宏观不平度和粗糙度对测量结果影响所引入的不确定度。该因素影响情况视测量对象的宏观不平度和粗糙度而定,可根据实际测量对象情况决定是否将其作为主要不确定度来源;③测量重复性误差所引入的测量不确定度。该因素对测量结果的影响不可忽视,也作为主要不确定度来源考虑;④测量环境条件所引入的测量不确定度。由于实际测量环境(如温度)与测量机检定要求的标准测量环境(如温度)存在差异,将对测量结果产生影响,因此作为主要不确定度来源考虑;⑤测量力大小所引入的测量不确定度[2]。可根据实际测量操作情况决定是否将其作为主要不确定度来源。
综上分析,可以总结出坐标测量机测量端面距离的一般数学模型:
l=L+L(αw-αs)δθ+δlres+δlt+δlr (3)
式中,l为待测端面距离;αw为待测对象的热膨胀系数;αs为测量机光栅尺的热膨胀系数(各轴向光栅尺的热膨胀系数相同);δθ为实际测量环境温度与要求标准测量环境温度之差;δlres为测量机示值误差对测量结果的影响;δlt为测量力对测量结果的影响;δlr为被测对象测量端面宏观不平度以及粗糙度对测量结果的影响。
根据测量端面距离的数学模型式(3)可得
l=f(L,δθ,δlres,δlt,δlr)
其中,输入量δθ、δlres、δlt、δlr互不相关,且L是由测量模型得到的,也与其他输入量无关,根据《测量不确定度表示指南》(GUM)中的不确定度传播定律求各传递系数,得
测量端面距离l的合成标准不确定度为
其中,u(L)可根据Pk点到拟合平面V的距离计算公式同理分析得到。
由式(2)可知
L=g(xk,yk,zk,a,b,c)
其中,输入量xk、yk、zk互不相关,a和b、b和c以及a和c之间虽有一定相关性,但表现较弱,在此忽略它们之间的相关性。根据GUM不确定度传播定律求各传递系数,得
所以
将式(5)代入式(4)即可得到测量端面距离l的合成标准不确定度模型。
3 不确定度评定
在MH3D-DCC型坐标测量机上对一工件的两平行端面距离(标称长度为50mm)进行测量,同时考虑到减小测量策略以及重复性测量误差对测量结果的影响,选择在工件上建立测量坐标系,保证工件在整个测量过程中位置固定,其一测量端面上下部分对称取10个点Pi(即N=10),另一测量端面中心位置取点Pk,设定坐标测量机自动10次循环测量(即m=10),将各点对应的均值坐标及算术标准差代入公式计算,各输入量的分布如表1所示(坐标测量各输入量符合正态分布[3])。采用以上分析建立的数学模型,对该测量任务进行测量不确定度评定。
由于采用自动测量,基本可以保证测量力均衡,可忽略测量力引入的不确定度影响,则端面距离测量模型由式(3)简化为
l=L+L(αw-αs)δθ+δlres+δlr (6)
端面距离l的合成标准不确定度由式(4)简化为
uc(l)=[(fL)2u2(L)+(fδθ)2u2(δθ)+
u2(δlres)+u2(δlr)]12 (7)
其中,测量机光栅尺的热膨胀系数αs为10.5×10-6℃-1,工件的热膨胀系数αw为11.5×10-6℃-1。测量机要求的标准测量环境温度为20℃,实际测量环境温度在19~21℃之间变化,符合矩形分布;该测量机长度测量最大允许示值误差为3.0+4.0L/1000μm,符合矩形分布;根据经验,实际测量点Pk偏离工件测量端面中心对测量结果的影响在±1μm范围内,假定满足矩形分布。根据Pi和Pk测量点及式(1)~式(7)计算,就可以得出基于GUM评定方法的端面距离测量不确定度评定结果。
4 蒙特卡罗方法不确定度评定
《测量不确定度表示指南》提供的评定方法基于不确定度传播律,主要适用于线性模型[1]。在评定复杂模型时,由于灵敏系数、输入量间的相关系数以及有效自由度难以确定,用《测量不确定度表示指南》中提供的方法评定这类模型的测量不确定度存在很多缺陷[4]。针对这种情况,《测量不确定度表示指南》补充文件1给出了用蒙特卡罗数值模拟方法通过分布传播评定测量不确定度的指南[3]。蒙特卡罗方法利用随机数来模拟实际测量结果,可将人为因素对测量结果的影响降到最小,对模型也没有非线性的限制,不受输入量相关性以及模型复杂性的影响,也不需要计算偏导数和自由度,使用比较方便。另外,蒙特卡罗方法借助计算机软件编程模拟容易实现,尤其对于复杂系统评定更具有实用价值[5,6,7]。
坐标测量机面向任务的测量不确定度模型都比较复杂,这种情况下,利用蒙特卡罗方法进行不确定度评定就比较方便。具体步骤如下:①分析端面距离测量中不确定度的来源δθ、δlres、δlt、δlr,假设其分布类型及分布区间;②确定输入xk、yk、zk、xi、yi、zi的期望值和标准差;③以xk、yk、zk、xi、yi、zi的期望和方差值生成随机数组来模拟L测量值,样本的容量为M,M越大越准确,一般取105~106即可满足要求[8];④根据δθ、δlres、δlt、δlr的分布类型及分布区间,通过计算机模拟产生4维随机数组来模拟δθ、δlres、δlt、δlr的取值,样本的容量为M;⑤将以上得到的M个样本的L、δθ、δlres、δlt、δlr随机序列,代入端面距离计算数学模型,求得M个的端面距离的样本值;端面距离的测量结果l为该M个样本的均值[9];端面距离l测量的标准不确定度u(l)为该M个样本的标准差;⑥将得到的端面距离的M个样本值从小到大排序,如果给定包含概率为P,测量结果的包含区间可估计为[l(1-P)M/2,l(1+P)M/2],其中,l(1-p)M/2和l(1+p)M/2分别为M个样本值从小到大排序后的第(1-p)M/2和第(1+p)M/2个样本值。包含区间对称时,扩展不确定度可确定为U(l)=(l(1+P)M/2-l(1-P)M/2)/2,此时包含因子可确定为k=U(l)/u(l)。
利用蒙特卡罗模拟方法对上述工件的两平行端面距离进行测量不确定度评定,取样本容量M=100 000,根据各输入量的分布(表1),用LabVIEW软件进行模拟产生与各输入量相对应的M个随机数,依次代入式(1)、式(2)和式(6)计算数学模型,求得端面距离的M个样本值,进而得出测量不确定度评定结果。通过50次模拟观察,反映100 000个随机样本值与计数统计关系的直方图见图1。
5 结论
蒙特卡罗方法(MCM)和传统的不确定度传播定律方法得到的测量不确定度评定结果如表2所示。取置信概率P=95%,根据GUM评定得到的端面距离的估计值l=49.9978mm,其扩展不确定度U=0.0038mm是由合成标准不确定度u(l)=0.0019mm及包含因子k=2.00所确定的,包含区间满足[49.9940,50.0016]mm;根据MCM评定得到的端面距离的估计值l=49.9978mm,其扩展不确定度U=0.0035mm是由合成标准不确定度u(l)=0.0020mm及包含因子k=1.77所确定的,包含区间满足[49.9943,50.0013]mm。
可见,采用GUM和MCM两种方法进行不确定度评定得到的测量结果比较接近,由两种方法的不确定度评定过程可以看出,MCM方法方便高效,利于更好地形成评定软件,借助计算机易于实现不确定度的智能化评定,减弱坐标测量机操作人员评定测量不确定度需要专业知识和评定经验方面的限制,具有良好的应用前景和实用价值。
摘要：以坐标测量机端面距离测量为例,全面分析测量全过程中影响测量结果不确定度的主要因素,建立坐标测量机测量端面距离的不确定度数学模型;利用蒙特卡罗数值模拟方法进行仿真,得到被测参数的测量不确定度,给出了完整的测量结果,提升了坐标测量机的应用价值。将蒙特卡罗模拟方法评定结果与测量不确定度表示指南给出方法评定的结果进行比较,可以看出应用蒙特卡罗模拟方法对于评定复杂模型测量不确定度更方便、高效。
关键词：坐标测量机,端面距离测量,蒙特卡罗模拟,不确定度评定
参考文献
[1]BIPM,IEC,IFCC,et al.Guide to the Expression ofUncertainty in Measurement[S].Geneve,Switzer-land:ISO,1995.
[2]陆艺,曲颖,罗哉,等.坐标测量机动态误差补偿的分析与建模[J].中国机械工程,2011,22(2):144-148.
[3]BIPM/CGM.Evaluation of Measurement Data-Supplement 1to the‘Guide to the Expression ofUncertainty in Measurement’—Propagation of Dis-tributions Using a Monte Carlo Method[S].Gen-eve:ISO,2006.
[4]王伟,宋明顺,陈意华,等.蒙特卡罗方法在复杂模型测量不确定度评定中的应用[J].仪器仪表学报,2008,29(7):1446-1449.
[5]连慧芳,陈晓怀.基于蒙特卡罗方法的圆度测量不确定度评定[J].工具技术,2010,44(6):82-84.
[6]陈晓怀,薄晓静,王洪涛.基于蒙特卡罗方法的测量不确定度合成[J].仪器仪表学报,2005,26(8):759-761.
[7]Jean Kruth P,Gestel N W,et al.Uncertainty Deter-mination for CMMs by Monte Carlo Simulation In-tegrating Feature form Deviations[J].CIRP AnnalsManufacturing Technology,2009,58(1):463-466.
[8]刘智敏.用MC仿真计算不确定度[J].中国计量学院学报,2005,16(1):1-7.
爬电距离和电气间隙测量的探讨 篇4
在平时的测试过程中,爬电距离与电气间隙的确定通常是在同一个平面内完成的,而很少涉及到不同平面之间爬电距离与电气间隙的测量。在介绍同一平面内爬电距离与电气间隙测量外,重点阐述了涉及到不同平面之间的空间爬电距离和电气间隙的测量,结合具体图形的分析,说明了测量时应注意的事项。
1 测量准备
参加由CNAS组织的《电器产品的爬电距离和电气间隙试验》能力验证试验,现将测量心得介绍一下。
爬电距离和电气间隙试验的样品为一块印刷电路板,示意图如图1所示。
其中,三角形白色区域代表样片上的镂空部分;红色线代表样品正面的轨迹线;蓝色线代表样品背面的轨迹线。
依据的标准包括基础标准《GB/T16935.1—2008 低压系统内设备的绝缘配合 第1部分:原理、要求和试验》和《GB4943—2001 信息技术设备的安全》 等标准,选用《GB4943—2001 信息技术设备的安全》标准作为试验的依据。
本次试验分为尺寸的基础测量和爬电距离、电气间隙的路径确定及测量两个部分。基础测量包括测量印刷电路板的厚度和印刷电路板中轨迹线T2的宽度两项;爬电距离、电气间隙的路径确定及测量包括:T1与T2之间的电气间隙与爬电距离;T3与T4之间的电气间隙与爬电距离;T1与T4之间的电气间隙与爬电距离;T1与R1之间的电气间隙与爬电距离共八个项目。由于日常测试时,爬电距离与电气间隙的确定是在同一个平面内完成的,而本次试验中T1与T4之间、T1与R1之间都是涉及到不同平面之间的空间测量,难度较大,因此,本文将作详细论述。
2 测量及分析过程
2.1 基础测量
由于印刷电路板的厚度和印刷电路板中轨迹线T2的宽度测量比较简单,所使用的测量工具可选用外径千分尺和读数显微镜。选取3个不同的测量点,分别测量后,取平均值即为最终的测量结果。
2.2 电气间隙和爬电距离的确定与测量
本次试验样品的三个顶角中两个锐角可能因加工问题而导致无法达到理想的尖角,加工的尖角成为了圆角。为了准确测量,分别将两个圆角的边延长,使其在某点交汇,然后测量从O点到这两个交点的距离及两个交点之间的距离。
根据样品的形状,该样品的三个角似乎为特殊角,即分别为30°、60°和90°,但组织单位并没有说明这三个角的具体数值,为了后面爬电距离的计算,按图1进行计算,分别算出三个角的数值,过程如下。
如图1所示:过T1右下方点A做一平行于斜边的线段,交底边于B点,经过测量得到AO、BO和AB的数值。在△AOB中,通过余弦定理分别得到:
即,确定了该三角形的三个内角。
虽然计算的结果与估计略有出入,但考虑到测量误差和加工误差,则该数值是可以接受的(当时也曾考虑用量角器分别测量三个角,但由于没有精度较高的测量工具,就采用了这个方法)。
本文重点讨论爬电距离和电气间隙的路径确定与测量。
2.2.1 T1与T2之间的电气间隙
在图2中,线段AB的数值即为T1与T2之间的电气间隙值,这一点比较简单明了,不存在问题。
2.2.2 T1与T2之间的爬电距离
根据对标准的理解,因测量的路径中有内角(约60°)小于80°和宽度大于1mm的V型槽,所以槽底由B点桥接至C点。T1与T2之间的爬电距离为AB+BC+CD,CD⊥DE,如图3所示。其中最难的是BC的确定,按照《GB4943—2001 信息技术设备的安全》标准中规定:“只有当所要求的最小电气间隙为大于或等于3mm时,表F1才有效。如果要求最小电气间隙小于3mm,则X值为下述值中较小者:表F1中相应值;或所要求最小电气间隙值的1/3”。因样品的电性能参数未知,标准要求的电气间隙无法确定,X值按照指导书中规定污染等级为2级的要求来确定,故BC=1mm,一旦BC长度确定,则AB、CD的值都可通过测量来得到。需要指出图4-5中的路径是错误的, 图4虽然考虑到了桥接宽度为1 mm,但未想到在一个直角三角形中,直角边永远比斜边短,因此图4的路径不是最短的。而图5的路径则是没有正确理解标准造成的,即没有对内角小于80°的V型槽进行桥接。
2.2.3 T3与T4之间的电气间隙
图6是正确的,因为在一个直角三角形中,直角边永远比斜边短,因此,图中AB的距离要比任何其他的线段,这样才符合标准的要求。
2.2.4 T3与T4之间的爬电距离
这个问题与第2个问题“T1与T2之间的爬电距离”的思路是相同的,这里就不详细说明了,可以参照2.2.2节 “T1与T2之间的爬电距离”的内容。
2.2.5 T1与T4之间的电气间隙
这个问题比较简单,只有测量准确即可,如图7所示。
2.2.6 T1与T4之间的爬电距离
样品的立体图如图8,,这样可以看出:T1与T4之间的爬电距离为AB的距离与CD的距离的和。因R1为金属,所以其宽度BC可以忽略不计,在考虑CD的路径时,因为槽(如图9所示)的宽度X<1mm,所以可直接跨越沟槽测量。开始认为图9的路径是正确的,但经过反复计算、比较,最后确认经过空间的路径反而是最短的。还有其它路径,都不是最短距离。
2.2.7 T1与R1之间的电气间隙
该问题也比较简单,只是由于空间测量难度较大,需作辅助线(如图10所示),再利用公式可求得数值。
2.2.8 T1与R1之间的爬电距离
这个问题在第2.2.6节中已有说明,路径可参照图8这里就不详细叙述了。而图11则是没有正确理解标准造成的,即内角大于等于80°的沟槽是不必桥接的,而样品的内角约为90°,因此对该沟槽进行桥接是错误的,其它路径就不一一说明了。
3 结束语
根据对标准的理解并结合样品的实际状况进行的研究、探讨。日常在测量爬电距离和电气间隙时多是在同一个平面内完成的,而本次试验,又涉及到不同平面间的空间测量,增加了难度。通过这个试验,加深了对标准的理解,并拓宽了思路,提升了能力。同时,由于本文重点论述的是对标准的理解和实际路径的确定,因此没有提及到具体的测量结果和数据计算、处理过程,请读者予以谅解。
参考文献
[1]GB/T16935.1—2008低压系统内设备的绝缘配合第1部分:原理、要求和试验[Z].
长距离曲线顶管测量施工技术 篇5
伴随着城市建设的不断发展, 城市地下管道的施工也在有条不紊的展开。在这些工程中, 非开挖、顶管施工尤为普遍。而对于特殊的地质条件, 在给非开挖、顶管施工带来便利的同时, 也给工程的施工带来一定的风险。为保护地面上建 (构) 筑物和地下管线的安全, 对顶管施工, 尤其是对顶管施工的测量工作提出了更高的要求。
所述工程为某污水治理总管工程, 主要是雨污水管收集总管工程, 污水管道主要为φ1650mm和φ1350mm钢筋“F”型混凝土管, 顶管全长5.2km, 共分14段。本长距离顶管曲线测量技术是笔者在多次顶管测量实践后归纳总结的, 现以顶管穿越河浜段 (518m) 为例。
KZW3-1-GYW4-1顶管 (φ1650mm) 穿越俞泾浦河浜, 顶程518m, 共分5段。三段直线, 两段曲线, 曲率半径分别为500m和800m, 河浜东侧有φ400mm的树根桩, 桩长14m, 管内底标高为-4.50~-4.80m, 落差0.30m。管内底埋深8.8~9.6m, 覆土深度为6.985~7.785m, 其中过俞泾浦覆土深度为3.08m左右, 顶管第一段曲线正好从驳岸树根桩中穿过, 施工难度较大 (图1) 。
2 AutoCAD与轴线设计应用
轴线测量就是将设计顶管轴线放样至实地位置 (平面位置) , 即轴线放样。根据轴线坐标在地面上对顶管轴线进行放样, 每隔15m左右在地面上放样, 特别是ZY点、QZ点、YZ点的放样, 并根据放样点对顶管轴线周围的地下管线、建 (构) 筑物进行测量, 防止顶管施工过程中遇到不明障碍物而重新对轴线进行调整。该工作在曲线顶管施工中非常重要, 它关系到顶管预留洞口正确位置的确定, 同时也为之后要进行的曲线顶管测量工作奠定良好的基础。
2.1 导轨轴线
轴线测量利用AutoCAD软件 (内业) 和全站仪 (外业) 进行。首先, 将顶管的第一轴线点坐标和工作井中心坐标载入AutoCAD软件中, 然后以工作井中心为中心作一模拟圆 (半径须略大于工作井半径) , 再将轴线延长, 与模拟圆相交于一点。其次, 利用全站仪将这些交点坐标放样出来, 即为顶管的导轨轴线 (图2) 。
将点放样出来后, 利用铅垂原理将轴线中心引致设计标高即可。
2.2 顶管轴线
根据设计单位所提供的顶管轴线相关参数, 建立绝对坐标系, 在AutoCAD软件上进行绘图, 并将每节管节绘在上面, 这样, 每节管节的坐标 (三维) 以及实测偏差就能在图纸上形象的反映出来。
在顶管施工中, 根据实测的每节管节坐标 (三维) 与设计轴线每节管节坐标 (三维) 进行比较, 得出轴线偏差, 并及时报告作业队长, 及时纠偏, 保证顶管施工的精度。
3 Excel与轴线设计的应用
为了确保顶管轴线按设计轴线施工, 保证顶管的施工精度和顶管顺利进洞, 采用Excel的数据处理对AutoCAD中处理的顶管轴线进行检查、复核, 如果两者的数据一致, 说明这两种顶管轴线的计算处理方式具有合理性和可比性, 能更好地确保顶管施工的精确性。
首先, 在Excel软件里, 首先建立相对坐标系统, 以实测的顶管工作井预留洞口中心的坐标为原点, 以工作井和接收井预留洞口的坐标为X轴, 与X轴垂直的轴为Y轴, 建立一个独立的相对坐标系统。
其次, 利用Excel强大的计算功能, 进行坐标转换, 根据实测的坐标输入编制好的程序里, 这样绝对坐标系的坐标就转换成相对坐标系, 在相对坐标系统里能反映出该点的位移偏差 (图3) 。
高程测量:高程偏差根据设计的坡度, 能计算出每节管节标高, 在顶管施工中, 高程测量采用水准测量误差较大并且较困难 (对长距离曲线顶管) , 因为在长距离顶管中, 空气的温度、湿度、风向对水准测量影响较大以及顶管内各种管线、出土 (泥浆) 等因素影响, 水准测量较慢, 根据笔者的实际测量, 采用三角测量速度快, 误差也不大, 完全满足测量精度要求。
4 曲线顶管测量要素计算
在顶管施工之前, 必须严格测定工作井和接收井预留洞口中心坐标及高程。由于工作井和接收井建成后不可能完全符合设计位置 (平面和高度) , 必然存在误差, 因此, 顶管施工测量必须以实地二井 (工作井和接收井) 洞口中心为基准。
4.1 测站的确定
由于该段曲线顶管长度为518m, 因而全站仪在工作坑内无法通视, 必须在管内设测站。
当0.8m
式中D———管子半径;R———曲线半径;L———最大一次测量距离。
把上式整理得:L=
如果2.0m
对KZW3-1-GYW4-1曲线顶管, D=1650mm。通过公式计算得:
1) 当R=500m时, L=53.83m, 因此在这段曲线顶管 (168.6505m) 中, 设4个测站。
2) 当R=800m时, L=68.10m, 因此在这段曲线顶管 (66.981m) 中, 设1个测站。
4.2 偏角及坐标的计算
在曲线顶管施工中, 有两个基本数据是设计图纸中必须标明的:这就是半径R、曲线长度CL或者是弦长, 其余的则可以通过计算得知。以图4为例, 已知R=500m, 弦长CL=168.65m, 计算出其他各部尺寸:
1) 中心角等于交角α=180CL/πR=19°19?33";
2) 弦长;
3) 切线长度TL=Rtanα/2=85.1340m;
4) 外割线长度SL=R (secα/2-L) =4.968m;
5) 中点纵距M=R (1-cosα/2) =7.11m;
6) 管中心角———δ0=180°L/πR, 式中的L为管节长度, 如果管节长度为2m, 则δ0=0°13°45.48";
7) 偏角———δ=δ0/2=0°6'52.74"。
在实际顶管过程中, 为了计算的方便, 尽量减少失误, 我们采用数学坐标系, 而不是测量的直角坐标系。而且将始曲点的坐标假定为 (0, 0) 。
图5所示的为已顶了两节管子的情况。此时, 第一节管子的前端处于A2处, 尾端在A1处。而第二节管子的前端处于A1处, 尾端处A处。第n节管子, 则其处于An-1处。由此, 可做出与图5相似的图, 上面可以标出δ1, δ2、δ3, …, δn, A1, A2, A3, …, An, Y1, Y2, Y3, …, Yn, X1, X2, X3, …, Xn。
由于每节管子的长度相等, 所以AA1=AA2=AA3=…=An-1An。
由此, 可以推断出:δ1=1/2δ2=1/3δ3=…=1/nδn
也即:δn=nδ1。
如果设AA1的弦长为C1, AA2的弦长为C2,
AAn的弦长为Cn, 则各段弦长分别可由下
式求出:
利用δ与C, 可分别计算出A1, A2, A3, …, An各点的坐标;
具体计算如表1、表2所示。
4.3 顶管轴线测量
在每一段顶管施工之前, 必须严密测定工作井和接收井预留洞口中心坐标 (x, y, Z) , 由于工作井和接收井建成后不可能完全符合设计位置 (平面和高程) , 必然存在误差, 因此顶管施工测量必须以实地二井洞口中心为基准, 这样, 对原设计的线型必须进行调整, 调整应以原设计线型位置变化最小为原则, 一般改动曲线的起、终点即可。例如, 对于两端为直线的单一曲线可以按如下步骤进行调整
1) 以实测的二井洞口坐标和设计的曲线转向点 (JD) 坐标反算二端直线的方位角。
2) 以算得的二直线方位角求新的曲线角α。
3) 以原设计的曲线半径R和新求的曲线转向角α重新计算曲线元素, 重新确定曲线起、终点 (ZY、YZ) 里程。
4) 以调整后的曲线起、终点里程重新计算新的曲线起、终点坐标。新计算的曲线元素及起、终点坐标作为顶管施工的设计变更, 提交设计单位和监理单位认可后作为施工的依据。
5) 控制机头顶进方向的地下导线测量起始方向为井下固定的导线点, 因此测定井下导线点的位置和方向至关重要。由于本标段为长距离顶管, 而井下固定的导线边又很短, 为保证定向测量的精度, 故采取以下措施: (1) 井下仪器墩及井壁上的后视方向点安装牢固, 不允许有任何的松动; (2) 定向测量的角度使用托普康全站仪, 测量4个测回取平均, 以提高照准精度。
6) 在顶管施工时, 管内的温度、湿度较大, 顶管对中整平比较慢且质量较差, 而同一型号全站仪和棱镜的基座是可以通用的, 因此, 在施工测量时, 当仪器对中整平后, 转站时只需要把全站仪和棱镜上部取出来, 直接放在基座上, 而不需要第二次进行对中整平, 这样不仅测量速度可以大大提高, 而且也能确保测量精度。
7) 由于机头在顶管过程中旋转, 同时无法在机头中心安装测量棱镜, 只能偏心安置, 为了求得机头中心的坐标, 测量时在机头偏心安装2只棱镜, 通过空中三角, 进行解析归心计算, 以求得机头中心的准确位置 (即机头姿态) 。
8) 通过测量得到机头中心坐标后, 利用AutoCAD软件与设计轴线进行比较可以很快捷、直观地求出机头方向偏差, 而不会出现复杂的人工计算, 既快捷又准确。
9) 地下导线测量的误差对顶管贯通的影响可由下式得出:
式中[s]———导线全长, 对于本标段, [s]最长为518m;
mβ———取±2", 为角度测量误差;
n———导线边数, 对于本标段n=4, 则:m3=±0.6cm。
10) 采用本测量方案, 由测量引起的顶管贯通测量误差, 包括地面控制测量, 工作井定向测量和管道地下导线测量, 则
m=±姨m12+m22+m32±姨12+0.82+0.62=±1.414cm。
此为中误差, 取极限误差 (最大误差) 为3倍中误差, 则贯通测量极限为±4.24cm。
5 顶管纠偏技术
在顶管施工过程中, 由于管节在不断的顶进, 顶管轴线也在变化中, 与设计轴线必然发生偏差, 因此要采取纠偏措施, 减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值, 使之尽量趋于一致。顶进轴线发生偏差时, 通过调节纠偏千斤顶的伸缩量, 使偏差值逐渐减少并回至设计轴线位置。
对顶管纠偏时应考虑管节的长度和木衬垫的厚度, 在顶管施工前就需要计算出顶管的张角, 根据设计的曲率半径计算出管节的最长尺寸, 对顶管的纠偏起到十分重要的作用。
在顶管施工过程中, 测量工作是顶管顶进的“眼睛”, 它指导着顶管的顶进方向和趋势, 应贯彻“勤测、勤纠、缓纠”的原则, 不能剧烈纠偏, 以免对管节和顶进施工造成不利影响。顶进时应及时进行测量工作, 随时掌握工具管的姿态, 从而指导纠偏, 确保顶管施工的精度。
6 结语
本段顶管进洞轴线误差3.5cm, 高程误差2cm, 满足顶管施工要求, 取得了良好的经济效益和社会效益, 也对长距离曲线顶管的测量总结了一些经验, 但由于施工现场不确定因素较多, 长距离曲线顶管测量还需要进一步完善和总结:
1) 顶管内的温度、湿度、通风对顶管测量误差的分析及修正数;
2) 地面控制点与顶管内控制点的误差和中误差的计算;
3) 测量基座的归心改正。
摘要：本文结合工作实践, 总结了全站仪和编程计算器在曲线顶管测量外业中的应用以及AutoCAD和Excel软件在内业处理中的应用, 并结合实例作了简略的阐述, 并对目前工程测量作业提出了一些看法, 对类似的工程有一定的参考作用。
关键词：曲线顶管,自动计算机辅助设计软件,电子表格软件,纠偏
参考文献
[1]余彬泉.陈传灿.顶管施工技术[M].北京:人民交通出版社, 1998.
距离测量 篇6
磁带编码的磁极宽度为2 mm。 传感器集成的信号处理使分辨率可达5 μm。 全密闭磁性传感器提供IP 66和IP 67等级防护。 当与不锈钢遮蔽胶带配合使用时, 该产品可以用于灰尘、碎屑、裂片或油污的高度污染的苛刻环境。 同时可在-40 ℃至+85 ℃的温度范围内正常工作。
该传感器设计极为紧凑, 尺寸仅有10×15×45.5 mm。 其防冲击和防震的能力分别可达500和30 g。 构成灵活托架;屏蔽双绞线用于弯曲半径经常改变的聚氨酯线缆———它们与传感器的坚固金属外壳相配合, 能够提供对电磁干扰的终极防护。
MIL10拥有350 k Hz的最大输出频率, 行进速度可达25 m/s。 并且MIL10提供两种类型的输出方式:5VDC电压的TTL/RS422兼容式线驱动输出和10~30 VDC电压的推挽式输出。 两种版本都输出90°相移带反向信号的两个通道, 同时生成附加电极周期带反向信号的参考脉冲。
距离测量 篇7
关键词：关联成像,距离测量,峰值信噪比
关联成像,又称鬼成像( Ghost Imaging) ,是一种不同于传统激光成像方式[1]的新型成像技术,由于其特殊的物理特性引起越来越多的研究关注[2,3,4,5,6,7,8,9,10]。关联成像最初是利用自发参量下转换产生的纠缠光子对实现的[11],但之后人们利用赝热光、热光源同样可实现关联成像。目前已有一些关于成像光源和成像本质的研究工作[12,13,14],但基于关联成像的应用研究较少。本文基于关联成像基本原理,提出了一种新颖有效的距离测量方法,同时能获得目标物体的图像。
1 基于关联成像的测距方法
利用惠更斯- 菲涅耳理论和经典光学相关理论来研究关联成像原理并提出一种基于关联成像的测距方法。关联成像测距最主要的任务是获得参考光路光强和检测光路光强,将这两个光强进行相关运算成像。本文中检测光路光强通过实验测量,参考光路光强通过计算机模拟实现,并且目标物体的图像已知。
1. 1 检测光路光强
图1 是关联成像测距的实验方案图。图中激光发射器( LS) 产生波长为 λ 的连续激光,经过空间滤波器( SF) 和透镜( L1) 转换成平行光,设光源到空间光相位调制器的距离为S1,平行光透过空间光相位调制器( SLM) 后改变光场的空间相位[14],该光束传播距离D后,照射到目标物体( T) ,透过目标物体( T) 和透镜( L2) 后被桶形探测器( BD) 检测,得到检测光路光强Br[3]。迭代上述操作N次,且每次操作使用由不同相位生成的随机相位板,设每次操作空间光相位调制器所调制的相位用 ψr( x,y) 表示,则透过空间光相位调制器的光场分布Er( x,y,0) 可由式( 1) 计算,其中E0为照射到空间光相位调制器前的入射光光场分布,i是虚数单位。根据惠更斯- 菲涅耳理论可知,传播任意距离D处的光场分布Er( x,y,D) 可用式( 2) 计算得到
其中,HD( x,y) 表示光在传播距离D处的菲涅耳传播函数; 符号表示卷积运算,在检测光路上传播距离D后的光强Ir( x,y,D) 可由式( 3) 得到
设T( x,y) 表示目标物体,光透过目标物体被桶形探测器检测到的检测光路光强Br由式( 4) 得到
1. 2 参考光路光强
设参考光路的传播距离为Z,且D不一定等于Z。由计算机构造不同距离Z的菲涅耳传播函数HZ( x,y) ,根据式( 5) 和式( 6) ,可得到不同传播距离Z所对应的参考光路光场分布Er( x,y,Z) 和参考光强Ir( x,y,Z)
1. 3 关联成像和距离测量
根据关联成像原理,如式( 7) 所示。将上述得到的Br和Ir( x,y,Z) 进行相关运算可到目标物体图像O
假设光源完全非相干,则光强相关性可由式( 8)和式( 9) 表示
其中,h( x,y) 是此光学成像系统中照射到物体之前光强的点分布函数,决定了关联成像图像清晰度。h( x,y) 区间越小成像质量越好,且由式( 9 ) 可知h( x,y) 的值跟D和Z有关,当且仅当D = Z时,h( x,y) 最小,此时成像质量最优。基于关联成像的测距方法依据参考光路光强和检测光路光强的相关性来成像,成像质量最优时的参考光路距离Z等于检测距离D,用峰值信噪比( PSNR) 判断图像质量优劣。
在进行距离测量时,按图1 所示配置可得到检测光路光强,通过计算机仿真出不同传播距离的参考光路光强,将其分别与检测光路光强进行相关运算,得到一系列恢复图像。计算恢复图像的PSNR来判断其质量,根据式( 10) 可得一系列恢复图像的峰值信噪比
其中,MSE表示原图像和恢复图像之间的均方误差; K表示图像总像素数量; Pi表示目标物体原图像第i个像素值; P’i表示恢复图像第i个像素值,MSE值可由式( 11) 计算。PSNR值越大表明恢复图像的质量越好,当PSNR值最大时对应的参考距离Z即是待测距离D。
2 实验结果及分析
为验证本文所提出的测距方法正确性和有效性,本文设计了相应的模拟实验。实验方案如图1 所示,其中,激光发生器到空间光相位调制器的距离S1=400 mm,激光波长 λ = 0. 623 8 μm,空间光相位调制器像素间距19 μm,每次迭代操作中使用空间光调制器上256 × 256 个随机相位进行调制。目标物体尺寸为5. 12 cm × 5. 12 cm,其到空间光调制器的距离D =450 mm,是待测的量,设迭代次数N = 16 000,在200 ~650 mm区间,间隔50 mm取不同的Z值进行成像计算,用Matlab软件在配置为双核3. 4 GHz主频,内存4 GB的计算机上按上述参数进行模拟仿真。图2 为原目标物体图像及不同参考光路传播距离的恢复图像。
从图2 可知,检测光路光强Br的传播距离不等于参考光路光强分布Ir( x,y,Z) 的传播距离时,通过关联运算也能成像,但成像质量较差,且这两个距离偏差越大,成像质量越差,只有两者距离相等时,成像质量才最佳,通过图3 更容易得出上述结论。
图3 是不同Z值恢复图像对应的PSNR曲线图,PSNR最大值对应的参考距离即是测量距离。由图3 可知,恢复图像PSNR值随着Z的增加先逐渐增大再逐渐减小,在Z = 450 mm时最大,而目标物体的实际距离D = 450 mm,恰好等于待测量距离的真实值D,从而验证了本文方法的正确性和有效性。仅用没有空间分辨能力的桶形探测器实现了目标物体到空间光调相板之间的距离测量,同时也达到了获得目标物体图像的目标。
3 结束语
距离测量 篇8
光栅尺作为一种高精度、大量程、高分辨力的位移测量仪器, 在精密仪器、超精加工、数控机床等领域具有不可替代的作用[1,2]。当前, 光栅尺按编码方式主要分为增量式光栅尺、绝对式光栅尺和带距离码参考标记的光栅尺。前者只有一个增量码道, 后两者有两个码道 (增量码道和绝对码道) 。增量式光栅尺输出的是相对位置, 每次开启或复位时都要寻找绝对零点, 加工效率低且有累积误差。绝对式光栅尺[3,4,5]可以直接输出绝对位置, 但绝对光栅尺制造复杂、成本高。因此, 实际上多使用带距离码参考标记的光栅尺。
带距离码参考标记的光栅尺[6,7,8,9]在每次开启或复位时, 在任意位置的读数头只要移动很短的距离就可以确定光栅尺的绝对位置。它的特点是码道少、电路处理简单、可靠性高。为了在测量过程中得到唯一的绝对位置, 传统距离码在确定绝对位置时所需移动的距离 (以下称“位置辨识分辨力”) 会随着光栅尺量程的增加而增大, 也就是说传统距离码编码的光栅尺越长, 位置辨识分辨力越大, 工作效率越低。针对带距离码参考标记的光栅尺编码方式的不足, 本文研究一种新型多段式距离码编码方式, 可在提高光栅尺测量范围的同时, 大大提高位置辨识分辨率。
1传统距离码编码方式
带距离码参考标记的光栅尺具有绝对式和增量式光栅尺的特点。它有两个码道:一个为增量码道, 另一个为与之相平行的带距离码参考标记 (参考标记彼此间的距离具有一定的数学规律) 的码道。因此, 读数头可根据距离来确定其所处的绝对位置。传统带距离码参考标记的光栅尺的编码方法如图1所示。
图1中, 上面的一排为增量码道, 下面的一排为有参考标记的距离码道。距离码参考标记分别用MARK1 (奇数位参考标记) 和MARK2 (偶数位参考 标记) 标记。 在光栅尺 的起点位 置, MARK10和MARK20的距离为L, 当MARK1和MARK2再次出现时, 它们的距离Mn有如下关系 (MARK1n和MARK2n分别表示 第n个MARK1和MARK2) :
式中, Δl为MARK2 (i+1) 与MARK1 (i+1) 之间的距离同MARK2i与MARK1i之间距离的差值。
距离码参考标记在从左到右的排列过程中, 偶数位参考标记逐渐靠近它右边的奇数位参考标记, 最后它们将重合, 我们把两个相邻参考标记重合的点称为光栅尺的绝对零点 (图2) 。由于受到参考标记刻线方式的限制, 两个相邻参考标记的距离不能小于某一固定值δ, 因此, 通常情况下绝对零点并不在实际光栅上而是一个虚拟假想的零点。我们把从起始点到绝对零点的距离作为衡量光栅尺距离码编码长度的标准。
为保证距离码编码的唯一性, 传统距离码编码长度 (光栅尺测量长度) 为
式中, S′ 为传统距离码编码长度;λ为位置辨识分辨力;β 为偶数位参考标记间隔与奇数位参考标记间隔的差, 通常情况下是1个栅距。
将λ=10mm, β=0.04mm代入式 (1) 得到传统距离码编码长度:
2新型多段式距离码
新型多段式距离码的编码原理是将上述传统距离码编码方式作为新型多段式距离码中的一个大段, 通过改变不同大段中相邻奇数位及相邻偶数位之间的距离 (同一大段中这个距离是相等的, 不同大段间这个距离是不同的, 故称作多段式距离码) 来产生新的大段, 进而由多个大段组成编码。读数头通过扫描距离首先确定其所在的大段。在这个大段中, 编码方法与传统距离码类似, 相邻两个参考标记间的距离是唯一的, 所以只要读数头移动超过任意相邻3个参考标记的距离就可以确定其绝对位置。
2.1编码方法
如图3所示, 取新型多段式距离码的某一段, 奇数位参考标记表示为MARK1, 偶数位参考标记表示为MARK2 (大段中, 第1个MARK1用符号MARK10表示, 第2个MARK1用符号MARK11表示, 以此类推;同样, 对于MARK2也根据其在大段中的顺序用MARK20、MARK21等表示) 。在每一大段中, MARK1和MARK2都是等间隔排列的, 且相邻MARK2的间隔距离b比相邻MARK1的间隔距离a大1个距离值 (通常是栅距的整数倍, 不同段中, a和b的值是不同的, 读数头正是通过这个值的读取来辨识其所在的大段) 。这里首先假设某一大段中a和b的距离差用β表示。起点处, MARK10和MARK20重合, 用Mn表示第n个MARK2和MARK1之间的距 离, Mn=nβ。Mn=a即nβ=a时, MARK2n与下一个MARK1即MARK1 (n+1) 重合, 本大段编码结束, 该位置既是本段距离码的终点, 又是下一个大段距离码的起点。通过改变距离a和b的值, 开始一个新的大段。显然每一个大段由a/β个距离b组成, 一段距离码的编码长度为
式中, S为一段距离码的编码长度。
图4为新型多段式距离码示意图, 在各个距离码分段上, MARK1的间隔距离a和MARK2的间隔距离b是分段递减的, 减量值为2β。它们具有如下关系:
可见, 新型多段式距离码中, 任意连续的3个参考标记之间的两段间隔距离是唯一的, 即读数头只要移动扫描3个参考标记就能确定当前绝对位置。由以上论述可知, 第i段距离码的位置辨识分辨力是2ai, 整个距离码的位置辨识分辨力λ应取它们的最大值2a1, 将各段编码长度相加得到新型多段式距离码的编码长度:
式中, k为大段数;kmax为k的最大值。
第i (i=1, 2, …, k) 段距离码长度为
保证新型多段式距离码不出现重码的大段数k最大为λ/ (4β) , 即
第i段距离码中参考标记数
受到参考标记刻线及读数方式的限制, 两个相邻参考标记的距离不能小于某一固定值δ, 实际应用中, 通常将每一段中两端距离小于δ的部分去掉, 此时, 位置辨识分辨力为
实际编码长度为
实际最大分段数
2.2编码举例
取光栅尺的增量码栅距β=0.04mm, 距离码的位置辨识分辨力λ=10mm, 则第k段距离码长度为
由式 (6) 得最大分段数kmax=62, 由式 (7) 得第i段参考标记数254-4i。经过计算得到多段式距离码的各个相邻参考标记的间隔距离 (表1) 。
mm
由表1可以看出, 其中任意连续两个距离是唯一的, 验证了该新型多段式距离码编码方法的唯一性。将相关参数代入式 (4) 计算编码总长:
由式 (2) 可知, 在相同条件下, 传统距离码的编码长度是1.25m, 小于新型多段式距离码的编码长度13.5m, 即在β、λ相同的情况下, 新型多段式距离码的可编码长度远大于传统距离码, 同理, 若要求编码长度相同, 则新型多段式距离码可以获得更小的位置辨识分辨力λ。可见, 新型多段式距离码较传统距离码具有明显的优势。
图5所示为β=0.04mm, k=1, 2, …, 10时的多段式距离码与传统距离码的编码长度与位置辨识分辨力的关系。k=2时, 多段式距离码与传统距离码的编码长度相同;λ相同时, 编码长度S随段数k的增加而增大;编码长度S一定时, 可通过增加段数k来减小位置辨识分辨力λ。
λ =10mm, β=0.04mm时, 段数k的最大值是62, 编码长度S和k的关系如图6所示, 从图6a可以看出, k (k=1, 2, …, 62) 越接近最大值, 编码长度S增加得越缓慢, 最后曲线趋近于水平。实际应用中, 可根据需要适当地选取k值。图6b是从图6a中截取的一段关系曲线。k=2时, S′ = S2=1.24m;k=10时, S10=5.44m, 即在λ、β相同时, 新型多段式距离码取10段时的编码长度就已经达到了传统距离码编码长度的4倍。
图7为编码长度S=3m, β=0.04mm时λ与k的关系曲线图。从图7可知, k=1, 2, …, 10时, λ变化速度较快, 但k越大, λ变化越缓慢, 所以适当地增加段数k可以有效减小位置辨识分辨力λ。
3结语
通过对传统距离码编码原理的研究, 提出了一种新型多段式距离码的编码方法, 论述了其编码原理并对编码长度S、段数k、位置辨识分辨力λ 等参数的关系进行了分析。在β、λ相同的情况下, 新型多段式距离码的可编码长度远大于传统距离码;若编码长度相同, 则新型多段式距离码可以获得更小的位置辨识分辨力λ。可见新型多段式距离码较传统距离码具有明显的优势。这种编码方法译码简单、易于刻制, 有利于实现光栅尺的小型化、集成化, 为光栅尺的进一步研制提供了理论基础和技术支持。
摘要：介绍了应用于精密位置测量的光栅尺位移传感器的编码方法, 根据对光栅尺传统距离码编码原理的研究, 提出了一种新型距离码的编码方法——新型多段式距离码。这种编码方法使任意连续的3个参考标记之间的两段间隔距离是唯一的, 可通过判断相邻的两段间隔距离来确定绝对位置。将这种编码方法与传统距离码作比较, 并利用软件MATLAB建立数学模型, 研究结果表明新型多段式距离码在精密位置测量上具有明显优势。
关键词：距离码,光栅尺,编码方法,绝对位置
参考文献
[1]龚仲华.论绝对光栅尺[J].制造技术与机床, 2011 (8) :191-193.Gong Zhonghua.Discuss on the Absolute Linear Encoders[J].Manufacturing Technology&Machine Tool, 2011 (8) :191-193.
[2]闫如胜, 马修水, 李桂华.光栅尺纳米测量技术研究及其发展[J].安徽电子信息职业技术学院学报, 2008, 7 (1) :70-71.Yan Rusheng, Ma Xiushui, Li Guihua.Research and Development on Nano Measurement Technology in Linear Encoders[J].Journal of Anhui Vocational College of Electronics&Information Technology, 2008, 7 (1) :70-71.
[3]红昌.绝对式线位移光栅传感器的研究[D].长春:长春理工大学, 2009.
[4]Kim Moo Jin, Moon Won Kyu.A New Linear Encoder-like Capacitive Displacement Sensor[J].Measurement, 2006, 39:481-489.
[5]梁立涛, 居耀成, 周荣高.高精度单码道绝对式编码器的编码和解码研究[J].测绘科学, 2011, 36 (6) :25-27.Liang Litao, Ju Yaocheng, Zhou Ronggao.Single Track Absolute Coding and Decoding Method for High Performance Encoder[J].Science of Surveying and Mapping, 2011, 36 (6) :25-27.
[6]盖竹秋.准绝对式距离码编码器的研究[J].长春理工大学学报, 2011, 3 (1) :12-15.Gai Zhuqiu.Research on Semi-absolute Interval Encoder[J].Journal of Changchun University of Science and Technology, 2011, 3 (1) :12-15.
[7]鸣瑞, 邹世开.编码理论[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1993.
[8]Kang Feel-Soon, Park Sung-Jun.A Linear Encoder Using a Chiaroscuro and Its Extension to Switched Reluctance Motor Drive[J].Energy Conversion and Management, 2005, 46:1119-1128.