一种基于线阵CCD的数字差分式张力传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种基于线阵CCD的数字差分式张力传感器，包括由弹性材料制成的悬梁，悬梁的内端固定、中部的正反面分别设置镜面反射区、外端为自由受力端；悬梁内端的上方和下方对称设置有第一激光发射器和第二激光发射器，两激光发射器的光路倾斜设置且朝向镜面反射区，悬梁外端的上方和下方对称设置能感应激光反射光的第一线阵CCD元件和第二线阵CCD元件，两个线阵CCD元件的信号输出端与一控制电路电连接。本实用新型专利技术结构简单、方便可靠，检测精度、线性度和灵敏度高，实现了微张力的数字化测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于线阵CCD的数字差分式张力传感器
本专利技术涉及传感器
，具体的说是一种基于线阵CCD的数字差分式张力传感器。
技术介绍
张力传感器主要有应变式、压阻式和压电式等，这些传感器的敏感元件与力学弹性元件直接接触，其抗瞬变冲击的能力弱，常因过载而造成传感器的损坏，降低了传感器的使用寿命。张力传感器数据读取为模拟信号，再经数模转换器转换为数字信号，使得测量繁琐并且增加了成本。非接触测量技术中常用光和磁作为测量媒介，检测元件则用光敏器件和磁敏器件，为了克服环境光和磁的影响，常用差动测量技术来提高线性度和灵敏度，并提高抗干扰能力。电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice，CCD)用电荷量来表示光强度的大小，电荷量以移位传输的耦合方式输出光强图像信号，分为线阵CCD和面阵CCD，其基本功能可实现光强分布和图形尺寸的数字化非接触测量,其中线阵CCD具有动态范围大、空间分辨率高、可输出数字化信息的特点，常用来设计力学传感器。基于上述问题，本专利技术通过激光照射敏感元件实现非接触测量且利用两个对称线阵CCD做差分处理实现数字差分式测量。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于线阵CCD的数字差分式张力传感器，该传感器结构简单，设计精巧，使用寿命长，测量误差小，检测精度高，尤其适用于微张力的数字化测量。为解决上述技术问题，本专利技术的基于线阵CCD的数字差分式张力传感器的结构特点是包括由弹性材料制成的悬梁，悬梁的内端固定、中部的正反面分别设置镜面反射区、外端为自由受力端；悬梁内端的上方和下方对称设置有第一激光发射器和第二激光发射器，两激光发射器的光路倾斜设置且朝向镜面反射区，悬梁外端的上方和下方对称设置能感应激光反射光的第一线阵CCD元件和第二线阵CCD元件，两个线阵CCD元件的信号输出端与一控制电路电连接。优选的，激光发射器的光路与悬梁呈45度夹角，初始状态下线阵CCD的感光面与悬梁呈45度夹角。对于镜面发射区，所述镜面反射区通过在悬梁中部的正反面贴附反光层形成，或者，镜面反射区由悬梁中部的正反面经镜面抛光后形成。对于控制电路，所述控制电路为单片机电路，第一线阵CCD元件和第二线阵CCD元件的信号输出端分别连接到单片机电路的信号输入端，单片机电路的信号输出端连接有显示器。其中，所述显示器为四位七段数码管模块。本专利技术的工作原理是：在悬梁不受力时，两个激光发射器分别发射激光经悬梁反射点反射至线阵CCD元件的中心位置，两个线阵CCD元件的感光面与反射后的光路垂直；在悬梁施力端垂直向下施加张力，使得激光反射角度发生变化，线阵CCD元件感光面上的感应光斑发生位移，该位移被控制电路记录，将激光照射线阵CCD的像元间隔数经单片机通过显示屏显示并记录，通过像元间隔数与张力的关系得出施加张力的大小。本专利技术具有如下优点效果：1)采用线阵CCD元件，具有传输速度高、暗电流小和驱动时序简单的优点；2)采用激光照射的非接触式测量，延长了传感器的使用寿命；3)利用线阵CCD元件直接读取数字离散信息，不需经ADC数模转换器，实现了数字化测量；4)采用悬梁上下两侧对称放置线阵CCD元件，实现了差分式测量，避免了非线性影响，减小误差，提高了测量的精度。综上所述，本专利技术结构简单、方便可靠，检测精度、线性度和灵敏度高，实现了微张力的数字化测量。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明：图1是本专利技术张力传感器的构成结构示意图。图2是本专利技术张力传感器的传感器差动结构原理示意图。图3是本专利技术张力传感器的光路测量原理示意图。具体实施方式参照附图，本专利技术的基于线阵CCD的数字差分式张力传感器包括由弹性材料制成的悬梁1，悬梁1的内端固定、中部的正反面分别设置镜面反射区、外端为自由受力端。悬梁1内端的上方和下方对称设置有第一激光发射器2和第二激光发射器3，两激光发射器的光路倾斜设置且朝向镜面反射区，悬梁1外端的上方和下方对称设置能感应激光反射光的第一线阵CCD元件4和第二线阵CCD元件5，两个线阵CCD元件的信号输出端与一控制电路6电连接。其中，镜面反射区用于反射激光光线，镜面反射区可通过在悬梁1中部的正反面贴附反光层形成，或者，镜面反射区由悬梁1中部的正反面经镜面抛光后形成。参照附图，激光发射器的光路与悬梁呈45度夹角，初始状态下线阵CCD的感光面与悬梁呈45度夹角。参照附图，控制电路6为单片机电路，第一线阵CCD元件4和第二线阵CCD元件5的信号输出端分别连接到单片机电路的信号输入端，单片机电路的信号输出端连接有显示器7。优选的，显示器7采用四位七段数码管模块。下面结合附图，介绍利用本传感器进行张力检测的具体方法，包括如下步骤：步骤一)将悬梁的内端记为A端，外端记为B端，中间反射点记为C点；反射点C与两个线阵CCD元件感光面的垂直距离相等且均记为h，激光反射面的法线记为法线n1；步骤二)在悬梁B端施加待测张力F，法线n1产生偏角记为θ，悬梁上激光反射面法向偏角θ与受力F之间的关系为：θ＝KθF，Kθ为灵敏系数，在悬梁材质且AB长度确定时Kθ为已知常数；步骤三)计算反射光在两个线阵CCD元件感光面上产生的实际偏移量d1和d2，计算公式为d1＝htan(2θ)，d2＝-htan(2θ)，两者求差分运算Δd＝d1-d2＝2htan(2θ)；步骤四)偏角θ极其微小，设定角度2θ的正切值与其角度值近似相等，也即tan(2θ)≈2θ，得到Δd＝d1-d2＝4hθ，从而得到反射光在两个线阵CCD元件感光面上产生的实际偏移量的差分值Δd＝d1-d2＝4hKθF；步骤五)控制电路分别读取两个线性CCD元件的偏移量d1和d2，得到Δd的实际值，控制电路经计算得出待测张力其中，两个激光发射器的光路均设置为与悬梁呈45度夹角，在施加张力前，反射光正对两个线阵CCD元件感光面的中心。步骤五)具体的包括：读取两个线阵CCD元件在受力前后移动的像元间隔数N1、N2，像元中心间距为d0，d0为已知量；取线阵CCD元件感光面的中心像元作为位移零点，两个线性CCD元件的偏移量d1＝d0N1，d2＝-d0N2，两者求差分得到Δd＝d1-d2＝d0(N1+N2)，进而得出可见，张力正比于像元偏移量的差分值，也即两个线阵CCD元件像元偏移量的差分值能直观的反应张力大小。因此，更为优选的，控制电路上连接四位七段数码管模块，控制电路将两个线阵CCD元件在受力前后移动的像元间隔数之和N＝N1+N2显示在四位七段数码管模块上。由于像元中心间距d0为已知量，通过显示两个线阵CCD元件在受力前后移动的像元间隔数之和，即可直观反应张力大小，在具体实施中，可以将该数字量的多少直接作为计算张力的大小来使用。本专利技术的工作原理是：在悬梁不受力时，两个激光发射器分别发射激光经悬梁反射点反射至线阵CCD元件的中心位置，两个线阵CCD元件的感光面与反射后的光路垂直；在悬梁施力端垂直向下施加张力，使得激光反射角度发生变化，线阵CCD元件感光面上的感应光斑发生位移，该位移被控制电路记录，将激光照射线阵CCD的像元间隔数经单片机通过显示屏显示并记录，通过像元间隔数与张力的关系得出施加张力的大小。本专利技术具有如下优点效果：1)采用线阵CCD元件，具有传输速度高、暗电流小和驱动时序简单的优点；2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于线阵CCD的数字差分式张力传感器，其特征是包括由弹性材料制成的悬梁（1），悬梁（1）的内端固定、中部的正反面分别设置镜面反射区、外端为自由受力端；悬梁（1）内端的上方和下方对称设置有第一激光发射器（2）和第二激光发射器（3），两激光发射器的光路倾斜设置且朝向镜面反射区，悬梁（1）外端的上方和下方对称设置能感应激光反射光的第一线阵CCD元件（4）和第二线阵CCD元件（5），两个线阵CCD元件的信号输出端与一控制电路（6）电连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于线阵CCD的数字差分式张力传感器，其特征是包括由弹性材料制成的悬梁（1），悬梁（1）的内端固定、中部的正反面分别设置镜面反射区、外端为自由受力端；悬梁（1）内端的上方和下方对称设置有第一激光发射器（2）和第二激光发射器（3），两激光发射器的光路倾斜设置且朝向镜面反射区，悬梁（1）外端的上方和下方对称设置能感应激光反射光的第一线阵CCD元件（4）和第二线阵CCD元件（5），两个线阵CCD元件的信号输出端与一控制电路（6）电连接。2.如权利要求1所述的基于线阵CCD的数字差分式张力传感器，其特征是激光发射器的光路与悬梁呈45度夹角，初始状态下线...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙雪，张敏，马晨阳，白雪，邱召运，
申请(专利权)人：潍坊医学院，
类型：新型
国别省市：山东,37