CN115817584B - 无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测系统，它包括无源测尺组、映射器和点线采集器，映射器和点线采集器设置在被测设备上，无源测尺组包括多段沿被测设备运动轨迹长度方向布置的无源测尺，相邻两段无源测尺之间具有间隙，所述映射器包括无线供电发送线圈和地址信息接收线圈，点线采集器包括点线采集处理器，每段无源测尺均包括无线供电接收线圈、地址信息发送线圈和无源测尺处理器；本发明测距部分采用标准分段式无源组合结构，使得单根钢尺的损坏或故障不影响系统运行，本发明能够提供精准定位，防止移动机车接料跑偏或超过极限位置脱轨事故，延长设备的使用寿命，实现精确作业，优化流程，减少出错机率，提高工作效率。

Description

无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测系统及方法

技术领域

本发明涉及机车运行轨迹和位置监测技术领域，具体地指一种无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测系统及方法。

背景技术

随着工业自动化的飞速发展，各行各业的大小型机械设备具有进行自动化控制的需求，特别是对于一些现场环境恶劣的设备，如可逆皮带卸料车、重型卸料车、堆取料机和行车等，这些设备要想实现自动控制，首先就需要获取精准的机械行走位置信息，目前一般采用编码电缆来获取机械行走位置信息。

目前传统的传统编码电缆存在诸多不足之处：

(1)作为其定位基础的编码电缆整条编制、整条使用、不能分段，其任意位置的损坏，将导致系统整体失效不可用，也无法隔离故障，后期维护更换极为不方便；

(2)在其编码电缆所延伸的整个空间，各类气电干扰、工业干扰，相线互感干扰、平行串扰，多站干扰，较大范围金属覆盖的涡流干扰，都会被叠加引入，不可隔离，影响系统的可靠性和定位精度，表现现象之一就是定位错误或跳字；

(3)由于编码电缆自身不可备件，其电缆的故障恢复，则需要联系厂商，说明故障现象，再由其技术人员携带备件、工具、仪器到场检修，整个过程麻烦、耗时，在此期间系统无法运行；

(4)在厂家自身的生产环节，大部分厂商仍采用人工编缆的方法，常发生编制出错；加之各应用现场又长度不一，生产管理麻烦；

(5)不能做成通用备件，必须定制化生产。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测系统及方法，本发明测距部分采用标准分段式无源组合结构，使得单根测尺的损坏或故障不影响系统运行，本发明能够提供精准定位，防止移动机车接料跑偏或超过极限位置脱轨事故，延长设备的使用寿命，实现精确作业，优化流程，减少出错机率，提高工作效率。

为实现此目的，本发明所设计的无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测系统，它包括无源测尺组、映射器和点线采集器，映射器和点线采集器设置在被测设备上，无源测尺组包括多段沿被测设备运动轨迹长度方向布置的无源测尺，所述映射器包括无线供电发送线圈和地址信息接收线圈，点线采集器包括点线采集处理器，每段无源测尺均包括无线供电接收线圈、地址信息发送线圈和无源测尺处理器；

所述点线采集处理器用于通过无线供电发送线圈发射无线供电信号，与映射器位置对应的无源测尺的供电接收线圈用于接收供电信号，并对该无源测尺的无源测尺处理器进行供电，无源测尺处理器将线圈地址信息发送给该无源测尺的地址信息发送线圈，地址信息发送线圈将接收到的线圈地址信息进行无线发送，地址信息接收线圈接收上述线圈地址信息并发送给点线采集处理器，点线采集处理器根据接收的线圈地址信息解算出映射器相对无源测尺组的位置。

本发明的有益效果：

1、本发明中无源测尺组与映射器为非接触式检测，无源测尺组采用无源方式(无需供电)。通过映射器向对应的无源测尺提供无线供电；映射器通过内部线圈组读取无源测尺输出的地址数据并解算出对应的地址，实现了映射器的精确定位，确保被测设备接料不跑偏或不会超过极限位置，减免碰撞、脱轨等事故发生，确保被测设备的自动化生产管理，延长设备使用寿命，确保精确作业，优化流程，减少人工参与操作，提高工作效率；

2、映射器采用有源方式，以特定模式和频率对无源测尺无线供电、击活，被击活后，无源测尺以特定编码、模式和时序发送地址信号，映射器采集接收到地址信息，处理解析出实际地址传输到点线采集器上并显示、点线采集器也可做地址信号输出，提供准确定位信息。

3、无源测尺组采用分段式安装，其单根的长度规则且固定(本例实施中，有1米和2米这两种规格)，结构简单、耐用，由于规格绝一可实现规模化生产、运输方便、易安装，维护更换便捷，系统中某一段无源测尺出现故障时，不影响前后无源测尺位置数据检测，不会影响到系统定位的运行。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2本发明的安装示意图；

图3为本发明的侧视结构示意图；

图4为本发明中无源测尺和映射器的原理框图；

图5为线圈极性组合图；

图5为映射器内的6组数据和地址信息复用的接收线圈；每一组内的正负极性总面积相等，图5右侧，未着色部分极性相同，着色部分极性相同；未着色和着色部分的极性相反，使得来自WPT线圈以及外界干扰所产生的感生电动势总和为零；图5左侧是6组圈线的绕制方法。R0是参考线，G3、G2、G1以及G0分别是1600mm、800mm、400mm和200mm的测定线圈，L0是配合G0的精分线圈。

其中，1—无源测尺组、1.1—无源测尺、1.2—无线供电接收线圈、1.3—地址信息发送线圈、1.4—无源测尺处理器、1.5—第一电参隔离模块、1.6—升压整流模块、1.7—效率调整模块、1.8—信号调理模块、1.9—第二电磁隔离模块、1.10—第二驱动模块、2—映射器、2.1—无线供电发送线圈、2.2—地址信息接收线圈、2.3—映射处理器、2.4—波形处理模块、2.5—第一电磁隔离模块、2.6—第一驱动模块、2.7—第二电参隔离模块、2.8—滤波模块、2.9—信号放大模块、2.10—模数转换模块、2.11—点线采集器、3—解码分析仪、4—PLC。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1～5所示无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测系统，它包括无源测尺组1、映射器2和点线采集器2.11，所述无源测尺组1沿被测设备的运动轨迹长度方向布置，无源测尺组1平行于被测设备的运动轨迹(无源测尺组1布置在轨道两侧、底部或顶部均可)，映射器2和点线采集器2.11固定在被测设备上，无源测尺组1包括多段无源测尺1.1，相邻两段无源测尺1.1之间具有间隙或者没有间隙的紧密相邻安装(所述安装间隙是由两根测尺之间的具体安装环境决定。本例的间隙可在0～100mm之间，推荐间隙为20mm，区域测量时，测尺可孤立安装)，所述映射器2包括无线供电发送线圈2.1和地址信息接收线圈2.2，点线采集器2.11包括点线采集处理器2.3，每段无源测尺1.1均包括无线供电接收线圈1.2、地址信息发送线圈1.3和无源测尺处理器1.4，本实施例中，无线供电发送线圈2.1为一组线圈，地址信息接收线圈2.2为六组线圈，六组地址信息接收线圈并排设置，无线供电接收线圈1.2有四组线圈，四组无线供电接收线圈并排设置，地址信息发送线圈1.3有四组线圈，四组地址信息发送线圈并排设置；

所述点线采集处理器2.3用于通过无线供电发送线圈2.1发射无线供电信号，与映射器2位置对应的无源测尺1.1的供电接收线圈1.2用于接收供电信号，并对该无源测尺1.1的无源测尺处理器1.4进行供电，无源测尺处理器1.4将线圈地址信息发送给该无源测尺1.1的地址信息发送线圈1.3，地址信息发送线圈1.3将接收到的线圈地址信息进行无线发送，地址信息接收线圈2.2接收上述线圈地址信息并发送给点线采集处理器2.3，点线采集处理器2.3根据接收的线圈地址信息解算出映射器2相对无源测尺组1的位置。

本实施例中，无源测尺组1通过立柱、螺栓、夹具固定安装在移动运行机车轨道旁，映射器2通过支架、螺栓固定机车上，无源测尺组1与映射器2为非接触式检测，间隔距离为120mm正负50mm，上下位置为中心重合正负50mm；无源测尺1.1单根长度尺寸为1980mm(1980*108*28)采用分段式组合排列，相邻两段间距在0～100mm均可，检测长度可达1公里，无源测尺组1采用无源方式(无需供电)，内部阵列线圈，从映射器2中吸收能量用于给内部微功耗主电路板供电和地址信号反馈，映射器2采用有源方式；移动机车在运行时，映射器2在跨经无源测尺组1接头处时渐进式移动，映射器2中心位置位移到相邻无源测尺1.1接头处时，长度可覆盖到两条相邻无源测尺1.1两端各800mm，使相邻无源测尺1.1能量吸收和映射器2地址信息数据检测采集做到无缝衔接，无断点延续性好。在映射器盖里面加装有一块磁贴用来抵抗外部强磁场互相干扰。无源测尺组1每一段外形尺寸、内部结构、部件一样；每段无源测尺1.1中的每组地址信息发送线圈1.3通过无源测尺处理器1.4实现唯一编码，实现长距离位移检测，系统中某一段无源测尺1.1出现故障时，不影响前后无源测尺1.1位置数据检测，不会影响到系统定位的运行。

上述技术方案中，所述点线采集处理器2.3还用于通过无线供电发送线圈2.1发送握手通信信息和线圈地址注入信息，与映射器2位置对应的无源测尺1.1的供电接收线圈1.2用于接收握手通信信息，使得点线采集处理器2.3与对应的无源测尺处理器1.4建立握手通信，无源测尺处理器1.4用于根据接收到的线圈地址注入信息生成该无源测尺1.1的线圈地址信息。

每段无源测尺1.1具有沿被测设备运动轨迹方向依次排列的多个地址信息发送线圈1.3，无源测尺处理器1.4根据接收到的线圈地址注入信息生成与每个地址信息发送线圈1.3对应的线圈地址信息，无源测尺处理器1.4将与每个地址信息发送线圈1.3对应的线圈地址信息分时序循环发送给相应的地址信息发送线圈1.3，每个地址信息发送线圈1.3将自身获取的线圈地址信息进行发送。上述无源测尺处理器1.4根据接收到的线圈地址注入信息生成与每个地址信息发送线圈1.3对应的线圈地址信息的过程只在无源测尺组1进行初始化时需要，后续使用过程中映射器只对相应的无源测尺进行无线供电即可。

上述技术方案中，所述点线采集处理器2.3用于将握手通信信息和线圈地址注入信息调制到基带供电信号中，所述调制方式为振幅和频率复合调制。采用调幅/调频相结合的方法，本例采用2PSK结合2ASK，所以可在系统复杂度、成本，以及抗干扰性、误码率之间取得平衡。

上述技术方案中，所述点线采集器2.11还包括波形处理模块2.4、第一电磁隔离模块2.5和第一驱动模块2.6，所述波形处理模块2.4用于将握手通信信息、线圈地址注入信息与基带供电信号的调制信号转换成带死区保护的差分调制信号，避免后面的功率器件发生短路，使H桥类的功率电路的上下臂和功率器件不会同时开启，带死区保护的差分调制信号经过第一电磁隔离模块2.5进行隔离后输送到驱动模块2.6，隔离主要起硬件电路的保护作用，实现图腾柱驱动保护，第一驱动模块2.6用于将电磁隔离后的带死区保护的差分调制信号进行功率放大，本例放大到30W，无线供电发送线圈2.1将功率放大后的差分调制信号进行无线发送。在无源测尺组1初始化后的常规使用过程中，点线采集处理器2.3直接输出供电信号，供电信号通过第一电磁隔离模块2.5进行隔离后输送到驱动模块2.6，第一驱动模块2.6将隔离后的供电信号进行功率放大，本例放大到30W，无线供电发送线圈2.1将功率放大后的供电信号采用LC谐振供电原理进行无线供电信号发送。

上述技术方案中，每段无源测尺1.1还包括第一电参隔离模块1.5、升压整流模块1.6、效率调整模块1.7和信号调理模块1.8，所述第一电参隔离模块1.5用于将无线供电接收线圈1.2接收到的差分调制信号进行电气参数隔离，LC谐振电路中，整个回路的电容值或电感值的变化将改变谐振频率，若直接相联，后级的处理电路必然会引入电参数的改变(电容、电感、阻抗)，从而导致LC谐振偏频失谐，使得电路无法正常工作，因此需要电参隔离。升压整流模块1.6用于对电气参数隔离后的差分调制信号进行升压整流处理，由于电磁感应的强度大致与两者的距离的3次方负相关，要想适应现场的工作环境，需要很大的动态范围，本发明中全桥整流升压3倍。效率调整模块1.7用于对升压整流后的差分调制信号进行效率调整，所有二极管都存在着正向压降，本发明中原始接收到的电压较小，需要升压。即便如此，由整流管的正向压降所带来的整流效率损失也不可忽视，本发明使用填谷电路改善了整流输出的最终效率。信号调理模块1.8用于对电参隔离后的差分调制信号进行信号调理(由于处在WPT的强电磁场中，以及现场其它的干扰，需要滤波、限幅、放大等基础处理)，无源测尺处理器1.4用于对效率调整后的差分调制信号进行对包络的频率和幅度解调获取供电信号，并利用该供电信号对无源测尺处理器1.4进行供电，无源测尺处理器1.4还用于对信号调理后的差分调制信号进行解调获取握手通信信息和线圈地址注入信息，点线采集处理器2.3与对应的无源测尺处理器1.4建立握手通信，无源测尺处理器1.4用于根据接收到的线圈地址注入信息生成无源测尺1.1的线圈地址信息。在无源测尺组1初始化后的常规使用过程中，第一电参隔离模块1.5将无线供电接收线圈1.2接收到的供电信号进行电气参数隔离，升压整流模块1.6用于对电气参数隔离后的供电信号进行升压整流处理，效率调整模块1.7用于对升压整流后的供电信号进行效率调整，无源测尺处理器1.4利用效率调整后的供电信号对无源测尺处理器1.4进行供电，无源测尺处理器1.4输出初始化时预测的无源测尺1.1的线圈地址信息；

上述技术方案中，每段无源测尺1.1还包括第二电磁隔离模块1.9和第二驱动模块1.10，无源测尺处理器1.4输出的线圈地址信息通过第二电磁隔离模块1.9后由第二驱动模块1.10进行功率放大，本实施例放大到30W，地址信息发送线圈1.3将功率放大后的线圈地址信息进行发送。

上述技术方案中，所述点线采集器2.11还包括第二电参隔离模块2.7、滤波模块2.8、信号放大模块2.9和模数转换模块2.10，地址信息接收线圈2.2接收上述线圈地址信息，第二电参隔离模块2.7对线圈地址信息进行电气参数隔离(隔离模拟电路高压与数字弱电电路)，滤波模块2.8对电气参数隔离后的线圈地址信息进行滤波处理(前级主要是BPF带通滤，滤除的是设备自身WPT干扰、现场的其它干扰。保留的是定位以及通信信号)，信号放大模块2.9对滤波处理后的线圈地址信息进行信号放大处理，信号放大用于采集解析，本实施例分为是40dB、46dB、52dB三档进行放大，模数转换模块2.10将信号放大后的线圈地址信息转换为数字信号，点线采集处理器2.3根据线圈地址数字信息解算出映射器2相对无源测尺组1的位置。

上述技术方案中，点线采集处理器2.3根据线圈地址数字信息利用信号极性组合方法解算出映射器2相对无源测尺组1的位置。线圈极性组合如图5，本例中：映射器内除1组WPT线圈外，还有6组数据和地址信息复用的接收线圈。这6组线圈独立编制，每组内均有不同的极性区域分布和数量，每组内相反极性的区域总面积相等，使得来自外界的干扰和映射器内WPT线圈所产生的感生电动势总和为零。无源测尺的线圈在发送地址信息后，会被这6组线圈同时接收，产生不同的极性、幅度组合结果。进一步，在本列中，这6组线圈所接收到的信号，其极性组合有16种情况，对应着以100mm为单位的16种不同的相对位置，再进一步，由G0和L0线圈的极性以及幅值可得出100mm以内的精分位置。

上述技术方案中，本发明还包括设置在车载机柜或地面机柜上的解码分析仪3和PLC4(可选)，其中，解码分析仪3用于采集分析前述6组线圈所接收到的信号，要析其极性及幅度组合，结合预先编制的线圈，可得到所收测尺的编号及其相对于映射器的位置，从而得出映射器所处的绝对位置，PLC4(可选)用于将已得到的绝对位置值传输给应用层。

一种无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测方法，它包括如下步骤：

步骤1：所述点线采集处理器2.3通过无线供电发送线圈2.1发射无线供电信号；

步骤2：与映射器2位置对应的无源测尺1.1的供电接收线圈1.2接收供电信号，并对该无源测尺1.1的无源测尺处理器1.4进行供电；

步骤3：无源测尺处理器1.4将线圈地址信息发送给该无源测尺1.1的地址信息发送线圈1.3，地址信息发送线圈1.3将接收到的线圈地址信息进行无线发送；

步骤4：地址信息接收线圈2.2接收上述线圈地址信息并发送给点线采集处理器2.3，点线采集处理器2.3根据接收的线圈地址信息解算出映射器2相对无源测尺组1的位置。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测系统，其特征在于：包括无源测尺组、映射器和点线采集器，映射器和点线采集器设置在被测设备上，无源测尺组包括多段沿被测设备运动轨迹长度方向布置的无源测尺，映射器包括无线供电发送线圈和地址信息接收线圈，点线采集器包括点线采集处理器，每段无源测尺均包括无线供电接收线圈、地址信息发送线圈和无源测尺处理器；

点线采集处理器通过无线供电发送线圈发射无线供电信号，与映射器位置对应的无源测尺的供电接收线圈接收供电信号，并对该无源测尺的无源测尺处理器供电，无源测尺处理器将线圈地址信息发送给该无源测尺的地址信息发送线圈，地址信息发送线圈将接收到的线圈地址信息进行无线发送，地址信息接收线圈接收上述线圈地址信息并发送给点线采集处理器，点线采集处理器根据接收的线圈地址信息解算出映射器相对无源测尺组的位置；映射器具有WPT线圈、数据和地址信息复用的接收线圈，每组接收线圈独立编制，每组接收线内均有不同的极性区域分布和数量，每组接收线内相反极性的区域总面积相等，使外界干扰和WPT线圈产生的感生电动势总和为零，无源测尺的线圈在发送地址信息后，被接收线圈同时接收，产生不同极性、幅度组合，得到精分位置；

每段无源测尺具有沿被测设备运动轨迹方向依次排列的多个地址信息发送线圈，在无源测尺组初始化时，无源测尺处理器根据接收到的线圈地址注入信息生成与每个地址信息发送线圈对应的线圈地址信息，无源测尺处理器将与每个地址信息发送线圈对应的线圈地址信息分时序循环发送给相应的地址信息发送线圈，每个地址信息发送线圈将自身获取的线圈地址信息进行发送；无源测尺组初始化后，无源测尺处理器输出初始化时无源测尺的线圈地址信息；

每段无源测尺还包括第一电参隔离模块、升压整流模块、效率调整模块，第一电参隔离模块将无线供电接收线圈接收到的差分调制信号进行电气参数隔离，升压整流模块对电气参数隔离后的差分调制信号进行升压整流，效率调整模块对升压整流后的差分调制信号进行效率调整，无源测尺处理器对效率调整后的差分调制信号进行解调获取供电信号，无源测尺处理器对信号调理后的差分调制信号进行解调获取握手通信信息和线圈地址注入信息，点线采集处理器与对应无源测尺处理器建立握手通信，无源测尺处理器根据线圈地址注入信息生成无源测尺的线圈地址信息。

2.根据权利要求1所述的无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测系统，其特征在于：所述点线采集处理器还用于通过无线供电发送线圈发送握手通信信息和线圈地址注入信息，与映射器位置对应的无源测尺的供电接收线圈用于接收握手通信信息，使得点线采集处理器与对应的无源测尺处理器建立握手通信，无源测尺处理器用于根据接收到的线圈地址注入信息生成该无源测尺的线圈地址信息。

3.根据权利要求1所述的无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测系统，其特征在于：所述点线采集处理器用于将握手通信信息和线圈地址注入信息调制到基带供电信号中，所述调制方式为振幅和频率复合调制。

4.根据权利要求3所述的无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测系统，其特征在于：所述点线采集器还包括波形处理模块、第一电磁隔离模块和第一驱动模块，所述波形处理模块用于将握手通信信息、线圈地址注入信息与基带供电信号的调制信号转换成带死区保护的差分调制信号，带死区保护的差分调制信号经过第一电磁隔离模块进行隔离后输送到驱动模块，第一驱动模块用于将电磁隔离后的带死区保护的差分调制信号进行功率放大，无线供电发送线圈将功率放大后的差分调制信号进行无线发送。

5.根据权利要求1所述的无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测系统，其特征在于：每段无源测尺还包括第二电磁隔离模块和第二驱动模块，无源测尺处理器输出的线圈地址信息通过第二电磁隔离模块后由第二驱动模块进行功率放大，地址信息发送线圈将功率放大后的线圈地址信息进行发送。

6.根据权利要求5所述的无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测系统，其特征在于：所述点线采集器还包括第二电参隔离模块、滤波模块、信号放大模块和模数转换模块，地址信息接收线圈接收上述线圈地址信息，第二电参隔离模块对线圈地址信息进行电气参数隔离，滤波模块对电气参数隔离后的线圈地址信息进行滤波处理，信号放大模块对滤波处理后的线圈地址信息进行信号放大处理，模数转换模块将信号放大后的线圈地址信息转换为数字信号，点线采集处理器根据线圈地址数字信息解算出映射器相对无源测尺组的位置。

7.根据权利要求1或6所述的无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测系统，其特征在于：点线采集处理器根据线圈地址数字信息利用信号极性组合方法解算出映射器相对无源测尺组的位置。

8.根据权利要求1所述的系统的无源测尺的非接触分段式连续绝对位置检测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：所述点线采集处理器通过无线供电发送线圈发射无线供电信号；

步骤2：与映射器位置对应的无源测尺的供电接收线圈接收供电信号，并对该无源测尺的无源测尺处理器进行供电；

步骤3：无源测尺处理器将线圈地址信息发送给该无源测尺的地址信息发送线圈，地址信息发送线圈将接收到的线圈地址信息进行无线发送；

步骤4：地址信息接收线圈接收上述线圈地址信息并发送给点线采集处理器，点线采集处理器根据接收的线圈地址信息解算出映射器相对无源测尺组的位置。