一种集成了误差补偿算法的高精度拉绳位移传感器

李问国　李问民　付宏宝　王飞雄

摘要：传统的拉绳位移传感器精度较低，无法在高精度测试环境下进行应用，本文提出一种集成了嵌入式误差补偿技术的高精度拉绳位移传感器，并对其关键技术进行了介绍，最后通过实验验证了拉绳位移传感器在实施误差补偿技术后的高精度特性，从而为拉绳位移传感器在高端领域进行应用奠定了基础。

关键词：拉绳位移传感器；嵌入式误差补偿技术

拉绳位移传感器的功能是把机械运动转换成可以计量、记录或传送的电信号。拉绳位移传感器由可拉伸的不锈钢绳绕在一个有螺纹的轮毂上，此轮毂与一个精密旋转角度传感器同轴连接在一起，拉绳位移传感器工作时，其壳体安装在固定位置上，拉绳缚在移动物体上，拉绳的直线运动和移动物体的运动轴线对准。运动发生时，拉绳伸展和收缩，一个内部恒力弹簧保证拉绳的张紧度不变，带螺纹的轮毂带动精密角度传感器旋转，输出一个与拉绳移动距离成比例的电信号，测量输出信号可以得出运动物体的位移、方向或速率[1]。

当前主流的拉绳位移传感器的测量精度为0.5mm，这在一般的诸如起重机、垂直成槽机、仓储位置定位等场合可以满足要求，但在一些精密度要求更高的诸如机器人机械手臂精密定位控制等场合下则无法满足应用需求，进而很大程度上限制了它的广泛应用[2]。

本文提出一种集成了误差补偿技术、绝对式、高精度的拉绳位移传感器，其精度能较常规的拉绳位移传感器提高一个等级，每米的线性误差为0.005%，也即在1m的量程下其测量精度可达到0.05mm。

1 拉绳位移传感器的基本构造及工作原理

如上图所示，本项目所研制的高精度拉绳位移传感器包括机械本体2、联轴器3、编码器安装座4、基于SSI接口的多圈绝对式编码器1、连接线缆5、单片机处理模块6。

拉绳位移传感器工作流程如下：

由单片机处理模块6向拉绳位移传感器上的多圈绝对式编码器1供电，同时接收多圈绝对式编码器输出的具有SSI接口的角度数据，随后对角度数据进行解码得到位移量、根据单片机处理模块内的误差模型对位移量进行补偿，将修正后的位移量进行显示、输出，集成了单片机处理模块的拉绳位移传感器具有直接输出位移量的优点，省去了用户解码的过程，同时其输出的位移信息经误差补偿校正后将大幅提高拉绳位移传感器的精度。

2 关键技术

集成了嵌入式误差补偿技术的拉绳位移传感器的核心是在传统的拉绳位移传感器外部增加了一块单片机处理系统，其硬件、软件设计思路如下：

2.1 硬件电路构建

电气系统分为4个功能环节，分别为主控单元、电源单元、通信单元、显示单元，其中：主控单元选择意法半导体公司生产的STM32F103VCT6单片机，运行频率达到72 MHz，具备硬件除法和单周期乘法，完全满足本项目需求。

电源单元的功能是将系统输入的+5V电压转换为+33V、+1.2V，在此选择美国TI公司的电源转换芯片TPS70345芯片；通信单元的功能是将解码、误差补偿后的位移数据以一定的接口协议传送出去，在此选择max3490芯片以輸出RS422格式信号；显示单元选择MAX7219作为驱动显示芯片，MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器，它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示。

主控单元根据SSI接口信号的特点向编码器发出时钟信号，同时接受角度数据，随后对角度数据进行解码、并根据误差模型对位移量进行补偿，将经误差模型修正后的位移量经由显示单元进行数码显示，经由通信单元进行数字输出。

2.2 系统软件开发

软件是系统的灵魂，只有在硬件单元中植入了软件，系统才能开始工作，如前所述，系统硬件中的控制电路单元选用的是意法半导体公司生产的STM32F103VCT6单片机，根据该款单片机，选择KEIL5.0作为其应用开发环境，以C语言来编制整个系统的程序。根据项目的需求，电气系统的软件部分共5个子程序，分别是数据处理子程序、清零子程序、误差补偿子程序、显示子程序、通信子程序，其中数据处理子程序用于接受编码器输出的数据并对其进行解码，清零子程序用于将当前位移信息进行保存，误差补偿子程序用于将当前传感器输出的位移值进行误差修正，显示子程序用于驱动数码管显示修正后的位移输出值，通信子程序用于将修正后的位移输出值发送给用户系统。

3 试验验证

利用直线光栅尺对拉绳位移传感器的精度标定，标定过程中所需的试验设备及试验过程如下：

试验设备：BG1型封闭式光栅尺（分辨率1um，精度5um）、ZPTGM型精密阻尼隔振光学平台、二相混合式步进电机、辅助工装。

试验过程：将拉绳位移传感器与BG1型光栅尺通过辅助工装平行固定在光学平台上，通过上位机控制步进电机同时拉动光栅尺及拉绳位移传感器，以光栅尺为基准测试拉绳位移传感器的精度。

测试结果：拉绳位移传感器精度为±0.48mm，集成了误差补偿技术后其精度达到±0.045mm。

4 结论

本文阐述了拉绳位移传感器的基本结构及工作原理，对传统拉绳位移传感器在高精度测试环境下无法应用的缺陷进行了介绍，随后提出了改进的技术方法，并通过具体实验进行了验证，试验证明这种新型的集成了嵌入式误差处理方法能使得拉绳位移传感器具备在高精度领域应用的可行性，为拉绳位移传感器在高端领域进行应用奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1]王兴，戚景观.一种新的拉线式位移传感器的设计及其应用.机械工程与自动化，2012（4）.

[2]毛潭，赵康康，等.基于磁敏测量技术的拉线式位移传感器.仪表技术与传感器，2015（2）.