CN100451558C - 一种绝对式角位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种绝对式角位移传感器，它由一个工作于非调制式工作原理的普通增量式角位移传感器、信号合成电路和绝对式时栅信号处理电路组成。用普通增量式角位移传感器输出的两路空间正交的信号作为反映位移的周期性变化的被调制信号Bsin2π(x/W)和Bcos2π(x/W)，该被调制信号与时钟电路产生的两路时间正交的载波信号Acos2π(t/T)和Asin2π(t/T)同时连接乘法器，通过乘法器将载波信号分别和被调制信号进行合成调制，输出的两路已调制好的驻波信号直接相加成为一路电行波信号；将此电行波信号和与载波信号同频率的信号接入比相电路进行比相，得到角位移测量结果。本传感器具有成本低、可靠性好、智能化程度高等显著特点。

Description

一种绝对式角位移传感器
技术领域
本发明涉及一种角位移传感器
背景技术
目前的角位移传感器有多种形式，各自有优缺点：
增量式位移传感器以增量式光栅为典型代表，采用非调制式工作原理，栅线数从每周一百线到十万线不等。一般线数较少的(一万线以下)，分度精度不高、分辨率不高，多用作测速或其它几何精度要求不高的场合，价格在几百元到几千元。而用于精密分度和角位移测量的高精度计量光栅，多数为1～3万线/周，精度可到±1″～±5″，价格为数万元。
绝对式位移传感器，以感应同步器为典型代表，采用调制式工作原理，极对数从每周几十对极到720对极，极对数越多精度越高，最高精度与计量光栅相当，价格也差不多。
感应同步器采用调制式原理，分辨率不取决于栅线数，可达0.5″～1″。光栅采用非调制式原理，原始分辨率与栅线数直接相关，例如10800线/周的光栅，每线代表120″，再采用电子细分作120细分，也可以达到1″的分辨率。
在现有技术中还有一种时栅角位移传感器，价格数千元。它采用旋转磁场的方式制造一个运动坐标系，得到一个行波电场或称电行波，以时间差反应位置差，也可以测出一个圆周的绝对位置，精度目前能达到±0.6″，而分辨率取决于高频时钟频率，很容易达到1″，目前最高能达到0.2″。
从上述各传感器的性能特点可以看出，目前的角位移传感器，精度和分辨率要求越高，价格就越高，而时栅具有很高的性价比。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的角位移传感器存在的不足，提出一种绝对式角位移传感器，利用现有普通低精度低分辨率的增量式角位移传感器，配合电路，构成一种新的高精度高分辨率的绝对式角位移传感器。
本发明利用了背景技术中述及的三种传感器各自的特点，组合成为一种新原理和新型角位移传感器，其原理框图如图1所示。利用两路空间正交的空间被调制信号与两路时间正交的时间载波信号进行合成调制得到驻波信号，再迭合相加成可实现时空转换的电行波信号。
本传感器的具体构成如下：它由一个工作于非调制式工作原理的普通增量式角位移传感器、信号合成电路和绝对式时栅信号处理电路组成。用普通增量式角位移传感器输出的两路空间正交的信号作为反映位移的周期性变化的被调制信号和用时钟电路产生两路时间正交的载波信号
Figure C20061005458600043
和
Figure C20061005458600044
再通过乘法器将此载波信号分别和被调制信号进行合成调制，得到两路已调制好的驻波信号，最后再相加成为一路电行波信号；将此电行波信号和与载波信号同频率的信号用比相电路进行比相，即可实现角位移测量；若对电行波信号用分频器进行分频，且分频数等于原增量式角位移传感器的栅线数，即可实现角位移的绝对式测量。
其中空间被调制信号用低精度、低分辨率(少栅线数)的非调制式传感器产生，这里不是用它直接来反映角位移变化，而只是把它当作调制式传感器的“极”，一条栅线当成一对极，普通的1000线光栅就可以当作高精度调制式传感器的1000对极。1000线对于非调制式传感器来说是少刻线数，对调制式传感器来说却是相当高的极对数。
本发明的特点如下：
1、与光栅不同的是：沿空间的均匀刻线不是用来直接计量空间微位移，而是用来产生两路正交的空间简谐波，因此即使是低精度少刻线数的增量式光栅信号，极对数也容易做得很高，相对精度也就很容易保证。
2、与感应同步器不同的是：不是以传感器自身的刻线及其空间电磁耦合方法米合成两路时空正交的驻波，而是用乘法器来完成这些信号调制的全过程。其结果是利用成熟的信息技术和电子产品，大大简化传感器制造的复杂程度。
3、与时栅不同的是：不是用旋转磁场来感应导体产生电行波，而是用两路驻波相加得到电行波。
从电行波到位移数字量的处理，依靠的是微处理器技术，与感应同步器采用的数字电路在技术方法上完全不同。时栅多数采用绝对角位移输出方式，并且也符合栅式位移传感器的发展趋势，所以最终本传感器为绝对式传感器的输出方式。
本发明把以光栅、感应同步器、时栅为代表的三种典型角位移传感器的原理结合在一起，发挥各自优势，形成一种新型的角位移传感器，具有精度高、分辨力高、成本低、可靠性好、智能化程度高的显著特点和优势。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的信号处理框图；
图3是本发明的一种具体的实现方式的电路图。
具体实施方式
参见图2，把非调制式传感器用于调制式工作方式，即用普通非调制式传感器如光栅输出的两路正交的空间简谐波作为被调制信号，时钟电路输出的两路正交的时间简谐波作为载波信号，利用乘法器完成两种不同性质信号的调制，得到两路拍频驻波输出，直接相加后得到电行波
Figure C20061005458600051
再与时钟信号源中的一路信号比相，即可实现角位移的增量式测量。若对电行波进行分频，且分频数等于非调制式角位移传感器的栅线数，即可实现角位移的绝对式测量，且精度和分辨力大大提高。
本发明可采用图3所示电路来具体实现，采用高频晶振、可编程逻辑器件EPM7064S、数模转换器DAC0832和两片运算放大器OP07(U4和U5)合成一路载波正弦信号，电压基准芯片MC1403用于提供高精度电压基准，通过调整运算放大器OP07(U6)外围可变电阻W1大小使载波正弦信号峰-峰值为4V。此信号接入运算放大器OP07(U7)及外围电阻、电容构成的移相电路处理后，得到两路互差90°(时间正交)、峰-峰值为4V的载波正弦信号。这两路载波正弦信号分别通过X2和Y2端接入两块AD534乘法器芯片(U8和U9)。采用成都中科院光电所生产的价格低廉的低档GBZ05型光栅传感器作为被调制信号发生器。此光栅栅线数为每周2000线，响应频率0～1000KHz，输出两路互差90°(空间正交)、峰-峰值为4V的正弦波信号。来自光栅的两路正弦波信号A和B分别通过Y2和X2端接入两块AD534乘法器芯片(U8和U9)。两块AD534(U8和U9)从OUT端输出的两路信号接入由OP07(U10)及4个电阻构成的加法电路，其输出的电行波信号与一路载波正弦信号一起接入时栅处理电路，最终实现绝对角位移的数字显示。

Claims (1)

1、一种绝对式角位移传感器，其特征在于它由一个工作于非调制式工作原理的普通增量式角位移传感器、信号合成电路和绝对式时栅信号处理电路组成；用普通增量式角位移传感器输出的两路空间正交的信号作为反映位移的周期性变化的被调制信号
Figure C2006100545860002C1
和
Figure C2006100545860002C2
将被调制信号
Figure C2006100545860002C3
与时钟电路产生的时间正交的载波信号
Figure C2006100545860002C4
连接一个乘法器，同时将被调制信号
Figure C2006100545860002C5
与时钟电路产生的时间正交的载波信号
Figure C2006100545860002C6
连接另一个乘法器，通过两个乘法器分别将载波信号和被调制信号进行合成调制，乘法器输出的两路已调制好的驻波信号相加成为一路电行波信号；将此电行波信号和与载波信号同频率的信号接入比相电路进行比相，比相电路的输出即得到角位移测量结果；对电行波信号用分频器进行分频，且分频数等于原增量式角位移传感器的栅线数，得到角位移的绝对式测量结果。
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