遊標磁尺的設計與實現

引 言
目前，廣泛用於位置測量的傳感器主要有旋轉編碼器、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編碼器的馬盤做旋轉運動，並轉換為連續的有方向的脈衝信號，以表示物體的位置，這種形式的編碼器稱為增量型旋轉編碼器。還有一種絕對位置旋轉編碼器能將物體的位置直接用數字表達，即使掉電編碼也不丟失。其量程和精度由旋轉機構的速度比和加工精度決定。旋轉編碼器的最大缺點是需要一套將直線運動轉換成旋轉運動的結構，安裝成本頗高，機械傳動帶來間隙誤差相當程度地削減了旋轉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械損傷。另外，還需要接觸測量。
光柵光電編碼器的標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；並且在測量中不能掉電，一旦掉電，將會丟失掉電期間位移發生改變的數值。磁柵尺是在非導磁材料上塗一層10～20μm的磁膠，通過交流磁頭讀取刻錄在磁帶上的位置信息，當這種位置傳感器處在惡劣環境中，如海水，這將嚴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、溼度、雜散磁場、電磁幹擾等因素影響，具有很強的防震，防撞擊，防水，抗汙染，抗幹擾，抗惡劣環境能力，可以在水下1 000 m範圍內工作。但是它的位置信息是用絕對磁柵編碼來確定，因此會存在響應速度低，測量精度差等缺點，並且價格也偏高。在此設計一種抗惡劣環境的位置測量裝置遊標磁尺。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，響應速度快，還具有靜磁柵絕對編碼器的優點。

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1 遊標磁尺的結構
遊標磁尺結構框圖如圖1所示。圖1中RS 485／RS 232轉換器主要是為了實現遠距離通信而設置。它可以分為上、下位機兩個部分，上、下位機分工明確。作為下位機核心器件的PIC單片機，主要負責位置信息的處理和通信，而上位機主要負責對PIC單片機處理得到位置值的實時顯示。上位機的實時顯示功能主要利用基於圖形界面的Windows系統下的Visual Basic製作的實時顯示操作平臺實現。上、下位機通過數據通信傳遞信息。單片機和PC機的通信是通過單片機的串口和PC機串口之間的硬體連接實現的。其實際結構圖如圖2所示，實物圖中沒有拍下位置顯示平臺。