游标磁尺的设计与实现

引 言
目前，广泛用于位置测量的传感器主要有旋转编码器、光栅光电编码器、磁栅尺、磁致伸缩位置传感器、静磁栅绝对编码器等。以物体的直线运动带动旋转编码器的马盘做旋转运动，并转换为连续的有方向的脉冲信号，以表示物体的位置，这种形式的编码器称为增量型旋转编码器。还有一种绝对位置旋转编码器能将物体的位置直接用数字表达，即使掉电编码也不丢失。其量程和精度由旋转机构的速度比和加工精度决定。旋转编码器的最大缺点是需要一套将直线运动转换成旋转运动的结构，安装成本颇高，机械传动带来间隙误差相当程度地削减了旋转编码器固有的分辨度，同时，长期使用还容易造成码盘破损之类的机械损伤。另外，还需要接触测量。
光栅光电编码器的标尺光栅和指示光栅都是由窄的矩形不透明的线纹和其等宽的透明间隔所组成，一旦被灰尘遮盖或油渍浸泡，就影响其使用；并且在测量中不能掉电，一旦掉电，将会丢失掉电期间位移发生改变的数值。磁栅尺是在非导磁材料上涂一层10～20μm的磁胶，通过交流磁头读取刻录在磁带上的位置信息，当这种位置传感器处在恶劣环境中，如海水，这将严重影响交流磁头与磁带间的磁场传播。磁致伸缩位置传感器不仅响应速度低而且成本高。
静磁栅绝对编码器的静磁栅源与静磁栅尺之间非接触工作，在安装使用方面，有很高的相对间隙宽容度和相对姿态宽容度。无论量程多长，只要保证安装精度，就能获得非常小的示值误差，而且不受外界温度、湿度、杂散磁场、电磁干扰等因素影响，具有很强的防震，防撞击，防水，抗污染，抗干扰，抗恶劣环境能力，可以在水下1 000 m范围内工作。但是它的位置信息是用绝对磁栅编码来确定，因此会存在响应速度低，测量精度差等缺点，并且价格也偏高。在此设计一种抗恶劣环境的位置测量装置游标磁尺。该磁尺不仅克服了静磁栅绝对编码器的缺点，而且测量精度高，响应速度快，还具有静磁栅绝对编码器的优点。

1 游标磁尺的结构
游标磁尺结构框图如图1所示。图1中RS 485／RS 232转换器主要是为了实现远距离通信而设置。它可以分为上、下位机两个部分，上、下位机分工明确。作为下位机核心器件的PIC单片机，主要负责位置信息的处理和通信，而上位机主要负责对PIC单片机处理得到位置值的实时显示。上位机的实时显示功能主要利用基于图形界面的Windows系统下的Visual Basic制作的实时显示操作平台实现。上、下位机通过数据通信传递信息。单片机和PC机的通信是通过单片机的串口和PC机串口之间的硬件连接实现的。其实际结构图如图2所示，实物图中没有拍下位置显示平台。