CN104236437B - 绝对线性位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及位移测量技术领域，特别是一种绝对线性位移测量装置；包括标尺、滑动读头、信号源和计算单元；标尺包括M条相同的条状电极和若干条信号线，M条条状电极等间距并排排列，且每N个连续的条状电极构成一个空间周期，滑动读头，用于沿着M个条状电极移动，滑动读头上设置有一个以上的拾取区，拾取区覆盖N个条状电极并探测所覆盖的条状电极上加载的激励信号，输出探测到的信号组合，信号源，用于产生激励信号，并同时给的信号线加载频率不同的激励信号；本发明避免了控制信号传输造成的延时与衰减问题，在对信号组合的处理上时间更短，实时性更好且成本更低。

Description

绝对线性位移测量装置

技术领域

本发明涉及位移测量技术领域，特别是一种绝对线性位移测量装置。

背景技术

线性编码器是把直线位移转换成电信号的传感器.按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种。接触式一般不适合高速运动场合，耐用性差，所以不在讨论范围。非接触式线性编码器一般包括静尺和滑动读头。静尺上有刻度信息，滑动读头一般安装在被测物体上，随被测物体一起运动，通过与静尺的刻度信息比较，输出位移信号。

线性位移测量装置通常包括一个能够提供位置信息的标尺和一个可动的读头，根据读头检测位移的类型，可分为增量位移测量和绝对位移测量。增量位移测量方式被广泛使用于线性位移传感，因为该方法的仪器容易加工和低成本的优势。由于增量式测量只能测量相对位移，因此绝对参考点往往要在测量系统加电启动时刻获取，读头的绝对位置通过把绝对参考点和相对位移测量值运算得到，这个绝对参考点一般由位置接近开关或者光学标记提供。寻找参考点的过程需要移动读头，使其经过并记录参考点。这个过程不仅耗时，而且对于某些应用是不允许的，比如电梯轿箱位置测量。广泛使用的光学和磁感应增量编码器产品通过增加一个参考通道来解决这个问题，但是它增加了系统的成本和复杂度。

对于采用测量电容感知位移的编码器，标尺上制作了发射信号的电极，读头上的测量经由电容耦合的信号，或者读头上的电极发射信号，标尺上的电极测量经由电容耦合的信号，通过一定方式的解读，读头就能给出相对位移量。增量位移测量需在标尺上制作均匀的刻度，这些刻度总是用均匀排列的导电的条状电极来实现。因为刻度同一性的要求，这些条状电极必须是同样的尺寸，同样的形状和同样的导电性能，只有这样，读头获取的信息才不受电极非均一性的影响而计算出相对位移量。利用同一套增量刻度电极条提供绝对位置信息可以弥补增量式测量的不足，同时降低绝对式测量系统的成本。绝对位置测量翻译读头读取到一串二进制码，涉及到的问题有绝对码方式的选取、编制与读取。

读取这个二进制码一般需要从读头上发射信号，用信号线传递到标尺上，然后再用读头检测出电极条对应的编码。因为滑动读头随着被测物作往复运动，所以实际应用中往往这根信号线需要安装在类似坦克链的一种机构中，以防止在运动过程中与障碍物碰撞。这样的方案不仅增加成本，而且机构的尺寸增大了。特别是在大于百米的长行程情况下，长信号线造成的延时和信号衰减都变成一个严重的问题。

中国发明专利CN200910162340.3采用的绝对位移码是一种序列码，它被映射到一串条状的电极，因此，标尺上的电极可以看作是一串由“0”和“1”组成的二进制码，电极条的总根数对应着二进制码的总位数。当读头在标尺上方移动时，读到唯一的二进制序列码片段，再由这个序列码片段翻译成绝对位移，因为“0”和“1”在序列码片段中的排列是唯一的。“0”和“1”的编码利用了电极条电连接的不同，同时保证电极条的同一性。一串同样的条状电极分布在标尺基底的中央，电极的上下两侧均等地排列一组信号线，相同的信号经由上侧或者下侧的信号线加到每根电极。因此，每根电极连接到上侧信号线或者下侧信号线取决于该根电极所表示的二进制比特“0”或者“1”，举例来说，定义电极从上侧信号线获取信号为“0”，电极从下侧信号线获取信号为“1”，那么，预先设计的一串二进制码通过电极上侧或者下侧连接一一匹配到标尺上的这串同样的条状电极。考虑到增量测量的需求，电极的连接要同时兼容增量测量的要求。一般来说，流行的增量测量技术需将每相邻的四根电极排成一个空间周期，并把每根电极连到指定相位的激励信号源上。因为上侧信号线和下侧信号线均可以提供两组不同相位的信号源，所以绝对编码与增量测量能够在同一套结构实现。序列码的读取采用时间复用的方法。由于读头检验电极的连接状态是数字量，所以简单且可靠的“激励-探测”方法被采用。具体地，激励信号只对单侧信号线进行扫描，某个时刻只有一个相位的电极被激励，如果某些电极是跟激励的信号线有连接，读头就探测到响应，反之，如果没有，读头也接收不到信号。根据响应的有无，读头就能判断出那些电极代表的二进制比特值。下个时刻，激励信号对下一个相位的电极侦测，读取那些电极的比特信息。然后，根据信号扫描和读头探测信息的时间同步，排列产生一个唯一的二进制码，经过查表得到绝对位移。

上述专利CN200910162340.3采用的时间复用的编码读取方式虽然简单易行，但是其具有以下问题：

1、读头一定要和电子标尺用信号线连接，这样才能保证读头知道在当前时刻哪条电极被哪个通道的信号激励，与通道1相连的电极条对应编码值为“1”，那么与通道5相连的电极条对应的编码值就为“0”，读头通过接收信号的有无判断这个电极条的编码值。在大行程、高速往复运动的应用中，信号线的成本以及安装难度都大大增加。当信号线超过百米后，信号的延时、衰减现象明显；

2、采用时间复用的方法需要额外的硬件，如开关电路等控制不同通道的“通”或“断”。这样造成装置成本的上升；

3、时间复用方法的本质是串行处理，耗时长，需要比较长的等待时间才能得到所需的编码信息，实时性受到影响。

发明内容

本发明为了消除连接读头和标尺的信号线，并保证读头能够快速地探测出对应电极条的编码值同时降低测量装置的成本，而提供的一种绝对线性位移测量装置。

为达到上述功能，本发明提供的技术方案是：

一种绝对线性位移测量装置，包括标尺、滑动读头、信号源和计算单元；

所述标尺包括M条相同的条状电极和若干条信号线，M为大于或等于4的整数；M条所述的条状电极等间距并排排列，且每N个连续的条状电极构成一个空间周期，N为大于或等于2的整数；所述信号线分别与所述条状电极和所述信号源相连接；

所述滑动读头，用于沿着M个所述条状电极移动，所述滑动读头上设置有一个以上的拾取区，所述拾取区覆盖N个条状电极并探测所覆盖的条状电极上加载的激励信号，输出探测到的信号组合；

所述信号源，用于产生激励信号，并同时给所述的信号线加载频率不同的激励信号；

所述计算单元与所述滑动读头相连接，接收所述滑动读头探测到的信号组合并进行处理。

优选地，所述信号线的数量为2N条，并平均分成每组N条的第一组信号线和第二组信号线，所述第一组信号线和所述第二组信号线分别位于所述条状电极的上方和下方，每一组信号线中的每一条信号线依次排序。

优选地，每个空间周期内相同排序的条状电极连接到所述第一组信号线或所述第二组信号线中与该排序对应的信号线上。

优选地，所述计算单元包括译码器和排序器，所述译码器用于解析出所述信号组合所包含的频谱特征并翻译为二进制码，并提供给所述排序器，所述排序器根据该二进制码算出二进制绝对码并查出所述二进制绝对码所对应的绝对位置。

本发明的有益效果在于：与现有的技术相比，本发明具有如下的优点：

1、通过给不同的信号线加载不同频率的激励信号，滑动读头读取条状电极上的信号得到一信号组合，再采用频谱分析的方法进行解析，得出条状电极的编码值；由于不需要分时控制多通道信号，因此滑动读头与标尺之间不需要通过信号线连接，从而避免了通道控制信号传输造成的延时与衰减问题；

2、本发明采用频谱分析的方法相当于并行处理，而现有技术采用时间复用的方法本质上是串行处理，因此本发明在对信号组合的处理上时间更短，实时性更好；

3、本发明的滑动读头与标尺之间不需要用信号线进行连接，因此节省了成本，长期往复运动的信号线往往要求高柔性、长疲劳寿命，价格不菲，在一些行程长的应用中(如电梯)，信号线的成本就不可忽视。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为滑动读头具有两个拾取区的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1和附图2对本发明作进一步阐述：

如图1所示的一种绝对线性位移测量装置，包括标尺1、滑动读头2、信号源3和计算单元4，滑动读头2与标尺1之间存在气隙并正对着标尺1移动。

标尺1包括M条相同的条状电极11和若干条信号线12，M为大于或等于4的整数；M条条状电极11等间距并排排列，且每N个连续的条状电极11构成一个空间周期，N为大于或等于2的整数；信号线12分别与条状电极11和信号源3相连接。

滑动读头2，用于沿着M个条状电极11移动，滑动读头2上设置有一个以上的拾取区21，拾取区21覆盖N个条状电极11并探测所覆盖的条状电极11上加载的激励信号，输出探测到的信号组合。

信号源3，用于产生激励信号，并同时给的信号线12加载频率不同的激励信号。

计算单元4与滑动读头2相连接，接收滑动读头2探测到的信号组合并进行处理。

计算单元4包括译码器41和排序器42，译码器41用于解析出信号组合所包含的频谱特征并翻译为二进制码，并提供给所述排序器42，排序器42根据该二进制码算出二进制绝对码并查出二进制绝对码所对应的绝对位置。

另外，为了使本发明的绝对线性位移测量装置，信号线12的排列更回合理，更容易连接，信号线12的数量可以采用2N条，并平均分成每组N条的第一组信号线和第二组信号线，第一组信号线和第二组信号线分别位于条状电极11的上方和下方，每一组信号线中的每一条信号线12依次排序。每个空间周期内相同排序的条状电极11连接到第一组信号线或第二组信号线中与该排序对应的信号线12上。

下面以N为4为例，即以4个条状电极11为一个空间周期为例，对本发明进行更详细的说明。

一串相同的导电条状电极11印在标尺1的中央，电极填充区与非电极填充区均等。八根信号线12也印在标尺1上，一半位于条状电极11的上侧，另一半位于条状电极11的下侧。每四根紧邻的条状电极11构成了一个空间周期，任意空间周期内的相同位置的条状电极11必须与上侧或者下侧对应的信号线12相连，比如空间周期中的第一根条状电极11与最靠近电极的信号线12(上侧或者下侧)相连，为叙述方便，定义成A相电极，空间周期中的第二根条状电极11条与次靠近条状电极11条的信号线12(上侧或者下侧)相连，定义成B相电极，以此类推，空间周期中的最后一根电极条与最远端的信号线12(上侧或者下侧)相连，定义为D相电极，条状电极11选择接上侧或者下侧的信号线12由绝对码的“0”或者“1”决定。

滑动读头2包含1个电绝缘的矩形拾取区21。拾取区21是导电的，周围是非导电的。每个拾取区21覆盖一个由4个条状电极11组成的空间周期。每个拾取区21有一根独立的输出线把接收到的信号传送给译码器41和排序器42。因此，一串连接到上侧信号线12或者下侧信号线12的电极条代表着唯一的绝对位置，基于“激励-探测”的方法可以读出这一串绝对码。

信号源3产生一组不同频率的周期信号分别加载到相应的信号线12。如图1中所示，八条信号线12上分别加载八种不同频率的激励信号，激励可以是正弦波、方波、三角波等周期性信号，频率分别计为f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8，对应的激励信号可以表示为：C(f1)、C(f2)、C(f3)、C(f4)、C(f5)、C(f6)、C(f7)、C(f8)。

滑动读头2采集到条状电极11组合耦合上来的信号S是这组信号的组合，可以表达为：

其中ki表示八条信号线12与对应条状电极11的连接关系，当k＝1时，表示信号线12与条状电极11相连，当k＝0时表示信号线12与电极条不相连。

译码器41对采集到的信号组合S进行处理，解析出其包含的频谱特征，现有技术中，有多种方法可以实现该功能，比较流行的方法是离散傅里叶变换法DFT或快速傅里叶变换FFT。译码器41获得组合信号S的频谱特征后，再通过其中包含的频率成分分析与对应条状电极11的编码值，可以利用以下表格进行判断。

如果滑动读头2读取的信号包含f1、f6、f7、f8四种频率分量，经查表则判断为状态1，即ABCD四根电极的编码值为“1000”；如果读取的信号包含f1、f2、f3、f4四种频率分量，经查表则判断为状态4，即ABCD四根电极条的编码值为“1111”。

如果需要认址长度较长，需要更多的条状电极11被解析，可以在滑动读头2内设计多个依次排列的拾取区21，多一个拾取区21就能增加一组4位码。多个拾取区21顺序读取，如图2所示，第一个拾取区21得到一组码为“1011”，第二个拾取区21得到一组码为“0101”，排序器42算出绝对码为“10110101”，最后查表找出该绝对码对应的绝对位置。

以上所述实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明的实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (2)

1.一种绝对线性位移测量装置，其特征在于：包括标尺、滑动读头、信号源和计算单元；所述标尺包括M条相同的条状电极和若干条信号线，M为大于或等于4的整数；M条所述的条状电极等间距并排排列，且每N个连续的条状电极构成一个空间周期，N为大于或等于2的整数；所述信号线分别与所述条状电极和所述信号源相连接；所述滑动读头，用于沿着M个所述条状电极移动，所述滑动读头上设置有一个以上的拾取区，所述拾取区覆盖N个条状电极并探测所覆盖的条状电极上加载的激励信号，输出探测到的信号组合；所述信号源，用于产生激励信号，并同时给所述的信号线加载频率不同的激励信号；所述计算单元与所述滑动读头相连接，接收所述滑动读头探测到的信号组合并进行处理；

所述信号线的数量为2N条，并平均分成每组N条的第一组信号线和第二组信号线，所述第一组信号线和所述第二组信号线分别位于所述条状电极的上方和下方，每一组信号线中的每一条信号线依次排序；

当N=4时，信号源产生一组不同频率的周期信号分别加载到相应的信号线，八条信号线上分别加载八种不同频率的激励信号，频率分别计为f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8，对应的激励信号表示为：C(f1)、C(f2)、C(f3)、C(f4)、C(f5)、C(f6)、C(f7)、C(f8)，滑动读头采集到条状电极组合耦合上来的信号S是这组信号的组合，表达为：

其中ki表示八条信号线与对应条状电极的连接关系，当k＝1时，表示信号线与条状电极相连，当k＝0时表示信号线与电极条不相连；译码器对采集到的信号组合S进行处理，解析出其包含的频谱特征，译码器获得组合信号的频谱特征后，再通过其中包含的频率成分分析与对应条状电极的编码值；如果需要认址长度较长，需要更多的条状电极被解析，可以在滑动读头内设计多个依次排列的拾取区，多一个拾取区就能增加一组4位码；

所述计算单元包括译码器和排序器，所述译码器用于解析出所述信号组合所包含的频谱特征并翻译为二进制码，并提供给所述排序器，所述排序器根据该二进制码算出二进制绝对码并查出所述二进制绝对码所对应的绝对位置。

2.如权利要求1所述的绝对线性位移测量装置，其特征在于：每个空间周期内相同排序的条状电极连接到所述第一组信号线或所述第二组信号线中与该排序对应的信号线上。