CN104697424B - 一种双频率四象限平面坐标位置检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电气方法类，具体是一种双频率四象限平面坐标位置检测方法，其特征在于：在一绝缘基板上制备多个发射电极，在另一绝缘基板上有一长宽比与发射电极一致、且面积不大于发射电极的接收电极；将发射电极绝缘基板固定在参照物上，将接收电极绝缘基板固定在目标物体上，用两路频率不同、幅值及相位恒定的正弦交流电压信号，并分别通过反相缓冲器得到两路反相位信号，采用模拟加法器得到四个组合信号，将组合信号分别连接至位于参照物平面坐标系四个象限内的各发射电极；目标物体带动接收电极移动时，通过判断接收电极输出电压信号中两种频率分量的幅值和正、反相位即可检测目标物体在参照物平面坐标系的坐标位置。本发明坐标位置检测精度高，易于在高精度自动装置中推广应用。
Description
技术领域
本发明属于电气方法类，具体是一种双频率四象限平面坐标位置检测方法。
背景技术
位置检测是现代工业自动化技术的基础，被广泛用于机械加工设备、自动生产线等场合，位置检测具体形式主要分为直线、平面和三维空间等类别。无论在三维空间，还是在二维平面内检测目标物体的坐标位置，当前主流方案都是通过直线位置传感元件的正交组合方式实现，其中直线位置传感元件的常见类型包括线性变化差分变压器、线性电阻传感器、光栅传感器、磁栅传感器以及电容栅传感器等。
但在采用正交方式组建平面、三维空间位置检测装置的实践中，经常发生正交装配偏差、组合后尺寸超限、信号电缆连接复杂等问题，不仅影响位置检测精度而且限制应用范围。为实现集成化检测，公开号为CN103308045A的中国专利申请提出采用微传感器实现三维空间位置检测的方法，但精度有限，不适用于精密与超精密位置检测；公开号为CN102221323A的中国专利提出了平面矩形电极阵列和多方向传感电极组的多自由度变电容位置检测方法，但其不同方位间的电容变化信号耦合关系复杂，难以实现工程应用。在精密位置检测领域，各种直线位置传感元件及其组合方案仍占主导地位，目前尚缺少能提供高检测精度、方案简单、容易实现的平面坐标位置和三维空间坐标位置检测方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种方案合理、应用简便、测量精度高的双频率四象限平面坐标位置检测方法。
本发明的技术方案如下：
一种双频率四象限平面坐标位置检测方法，其特征在于：在一绝缘基板上制备多个发射电极，发射电极之间设有电气绝缘狭窄间隙，在另一绝缘基板上有一长宽比与发射电极一致、并且面积不大于发射电极的接收电极；将发射电极绝缘基板固定在参照物上，将接收电极绝缘基板固定在目标物体上，用两路频率不同、幅值及相位恒定的正弦交流电压信号，并分别通过反相缓冲器得到两路反相位信号，采用模拟加法器得到四个组合信号，将组合信号分别连接至位于参照物平面坐标系四个象限内的各发射电极；目标物体带动接收电极移动时，接收电极与不同发射电极的重叠区域发生变化，导致接收电极从不同发射电极通过电容耦合效应获取组合信号比例发生变化，通过判断接收电极输出电压信号中两种频率分量的幅值和正、反相位即可检测目标物体在参照物平面坐标系的坐标位置。
本发明接收电极输出电压信号通过两个同相缓冲器分别连接到两个带通滤波器，两个带通滤波器的中心频率分别与两路正弦交流电压信号频率相同；两个带通滤波器的输出信号连接至平面坐标位置检测控制器；平面坐标位置检测控制器通过判断两个带通滤波器输出信号的幅值及正、反相位得到目标物体在参照物平面坐标系内的横、纵坐标位置数据连接到显示存储单元，实现目标物体在参照物平面坐标系内坐标位置的实时显示和纪录。
本发明发射电极绝缘基板上发射电极可以是四个长宽相等的矩形发射电极，四个矩形发射电极以绝缘基板横、纵中心线对称，发射电极绝缘基板的中心与参照物平面坐标系原点重叠，发射电极绝缘基板的横、纵中心线与参照物平面坐标系横纵坐标轴重叠；接收电极所处平面与四个发射电极所处平面平行、接收电极长宽方向与四个发射电极长宽方向一致；目标物体坐标位置检测范围是以参照物平面坐标系原点为中心长和宽与接收电极长、宽相等的矩形区域。
本发明发射电极绝缘基板上发射电极也可以是四组发射电极，用来提升坐标位置检测分辨率，每组发射电极含四个长宽相等的矩形发射电极，四组发射电极对称分布在发射电极绝缘基板横中心线、纵中心线划分的四个区域内，取其中一组发射电极的几何中心作为坐标原点，同时在平面坐标位置检测控制器中设置绝对坐标原点偏置参数，实现目标物体在参照物平面坐标系的绝对坐标位置检测。
上述发射电极间有宽度相等的电气绝缘狭窄间隙；接收电极在参照物平面坐标系内相对平移、无扭转，并且接收电极与发射电极间始终保持固定幅度的垂直微小间隙，确保接收电极不直接接触发射电极。
本发明采用四个组合信号分别连接至位于参照物平面坐标系四个象限内的各个发射电极；采用单接收电极检测目标物体在参照物平面坐标系内的横坐标、纵坐标位置，能避免多接收电极的间距制造误差以及绝缘基板热胀冷缩导致的检测误差，并且电极结构简单、易制作、信号处理过程少、坐标位置检测精度高，易于在高精度自动装置中推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例一的发射电极、接收电极结构示意图。
图2为本发明实施例一发射电极、接收电极、参照物及目标物体配合方式示意图。
图3为本发明实施例一的信号连接方式示意图。
图4为本发明实施例二的发射电极结构布置图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细描述。
实施例一发射电极为四个
如图1-3所示，一种双频率四象限平面坐标位置检测方法，其特征在于：
A、图1中，在发射电极绝缘基板5上制备大小一致的矩形发射电极一1、发射电极二2、发射电极三3、发射电极四4，四个发射电极间有宽度相等的电气绝缘狭窄间隙8(如0.1毫米)，并对称分布在发射电极绝缘基板5横中心线6、纵中心线7划分的四个区域内；在接收电极绝缘基板9上制备矩形接收电极10，接收电极10与发射电极的长宽比一致并且面积不大于发射电极；
B、在图2中，将发射电极绝缘基板5固定在参照物11上，发射电极绝缘基板5的横纵中心线分别与参照物平面坐标系的横坐标轴12、纵坐标轴13重合，四个发射电极分别位于参照物平面坐标系的四个象限；将目标物体14固定在接收电极绝缘基板9上，目标物体14与接收电极10的几何中心重叠；接收电极绝缘基板9与发射电极绝缘基板5平行，接收电极10与发射电极的长宽方向一致、垂直方向相对并且有固定幅度的微小间隙(如0.1毫米)；目标物体14带动接收电极绝缘基板9在参照物平面坐标系内平移，目标物体14几何中心的移动范围在横向宽度15、纵向宽度16限定的矩形区域内；
C、在图3中，信号发生器21产生幅值、频率和相位恒定的频率F1的正弦交流电压信号22和频率F2的正弦交流电压信号23，相位均为正相位；频率F1的正弦交流电压信号22通过第一反向缓冲器24产生幅值、频率相同的反相位信号，频率F2的正弦交流电压信号23通过第二反向缓冲器25产生幅值、频率相同的反相位信号；第一模拟加法器26将频率F1的正弦交流电压信号22与频率F2的正弦交流电压信号23相加后驱动发射电极1，第二模拟加法器27将频率F1的正弦交流电压信号22的反相位信号与频率F2的正弦交流电压信号23相加后驱动发射电极2，第三模拟加法器28将频率F1的正弦交流电压信号22的反相位信号与23的频率F2的正弦交流电压信号23反相位信号相加后驱动发射电极3，第四模拟加法器29将频率F1的正弦交流电压信号22与频率F2的正弦交流电压信号23的反相位信号相加后驱动发射电极4；
D、图3中，接收电极10输出信号通过第一同相缓冲器30、第二同相缓冲器31后分别连接到第一带通滤波器32与第二带通滤波器33，第一带通滤波器32的中心频率与频率F1的正弦交流电压信号22频率相同，第二带通滤波器33的中心频率与频率F2的正弦交流电压信号23频率相同；两个带通滤波器的输出信号连接至平面坐标位置检测控制器34；平面坐标位置检测控制器34通过判断第一带通滤波器32输出信号的幅值及正、反相位得到目标物体14在参照物平面坐标系内的横坐标位置，通过判断第二带通滤波器33输出信号的幅值及正反相位得到纵坐标位置；平面坐标位置检测控制器34获取的横、纵坐标位置数据连接到显示存储单元35，实现目标物体14在参照物平面坐标系内坐标位置的实时显示和纪录。
本发明采用频率F1的正弦交流电压信号22及其反相位信号、频率F2的正弦交流电压信号23及其反相位信号的四种加法组合分别驱动位于参照物平面坐标系四个象限内的发射电极，通过频率F1的正弦交流信号源22及其反相位信号区分参照物平面坐标系中纵坐标轴两侧区域、通过频率F2的正弦交流信号源23及其反相位信号区分横坐标轴两侧区域，进而用单接收电极10实现了目标物体14横坐标、纵坐标位置的同步检测，具体地说，本实施例的接收电极10中心与参照物平面坐标系原点重叠时输出电压信号为零，当目标物体14带动接收电极10逐渐进入参照物平面坐标系纵坐标轴一侧的二、三象限时，接收电极输出的F1频率信号分量幅值从零逐渐变大且为反相位，反之逐渐进入另一侧的一、四象限时，接收电极输出的F1频率信号分量幅值从零逐渐变大且为正相位；当目标物体带动接收电极逐渐进入参照物平面坐标系横坐标轴一侧的一、二象限时，接收电极输出的F2频率信号分量幅值从零逐渐变大且为正相位，反之逐渐进入另一侧的三、四象限时，接收电极输出的F2频率信号分量幅值从零逐渐变大且为反相位。
本实施例中接收电极10输出为零时，目标物体14处于参考平面坐标系原点；接收电极10输出中：与频率F1的正弦交流电压信号22同频率分量其幅值与目标物体14在参照物平面坐标系内的横坐标绝对值成正比，其正、反相位对应横坐标值的正、负；接收电极10输出中：与频率F2的正弦交流电压信号23同频率分量其幅值与目标物体14在参照物平面坐标系内的纵坐标绝对值成正比，其正、反相位对应纵坐标值的正、负。
实施例二发射电极为四组
如图4所示，本实施例发射电极绝缘基板5上发射电极为四组发射电极，每组发射电极含四个长宽相等的矩形发射电极，并对称分布在发射电极绝缘基板5横中心线6、纵中心线7划分的四个区域内，接收电极10与发射电极面积相同；取其中一组发射电极的几何中心作为坐标原点，接收电极输出电压信号中F1、F2频率分量的幅值分别表示接收电极中心在参照物平面坐标系内相对于四组发射电极中某一组几何中心的横向和纵向坐标偏移值，F1、
F2频率分量的正反相位分别表示横向和纵向坐标偏移的正负符号，接收电极10在每组发射电极的几何中心都产生一个输出信号零状态；取其中一组发射电极的几何中心作为坐标原点，同时在平面坐标位置检测控制器34中设置绝对坐标原点偏置参数，并采用接收电极跨越发射电极组事件的计数装置，实现绝对位置检测。
本实施例接收电极输出为零时，目标物体处于参照物平面坐标系内某组发射电极的几何中心，接收电极输出电压信号中两种频率分量的幅值分别表示接收电极中心相对于该组发射电极几何中心的横坐标偏移值和纵坐标偏移值，两种频率分量的正反相位分别表示横坐标偏移值和纵坐标偏移值的正负符号。
Claims (6)
1.一种双频率四象限平面坐标位置检测方法，其特征在于：在一绝缘基板上制备多个发射电极，发射电极之间设有电气绝缘狭窄间隙，在另一绝缘基板上有一长宽比与发射电极一致、并且面积不大于发射电极的接收电极；将发射电极绝缘基板固定在参照物上，将接收电极绝缘基板固定在目标物体上，用两路频率不同、幅值及相位恒定的正弦交流电压信号，并分别通过反相缓冲器得到两路反相位信号，采用模拟加法器得到四个组合信号，将组合信号分别连接至位于参照物平面坐标系四个象限内的各发射电极；目标物体带动接收电极移动时，接收电极与不同发射电极的重叠区域发生变化，导致接收电极从不同发射电极通过电容耦合效应获取组合信号比例发生变化，通过判断接收电极输出电压信号中两种频率分量的幅值和正、反相位即可检测目标物体在参照物平面坐标系的坐标位置。
2.根据权利要求1所述的双频率四象限平面坐标位置检测方法，其特征在于：接收电极输出电压信号通过两个同相缓冲器分别连接到两个带通滤波器，两个带通滤波器的中心频率分别与两路正弦交流电压信号频率相同；两个带通滤波器的输出信号连接至平面坐标位置检测控制器；平面坐标位置检测控制器通过判断两个带通滤波器输出信号的幅值及正、反相位得到目标物体在参照物平面坐标系内的横、纵坐标位置数据连接到显示存储单元，实现目标物体在参照物平面坐标系内坐标位置的实时显示和纪录。
3.根据权利要求1或2所述的双频率四象限平面坐标位置检测方法，其特征在于：发射电极绝缘基板上发射电极为四个长宽相等的矩形发射电极，四个矩形发射电极以绝缘基板横、纵中心线对称，发射电极绝缘基板的中心与参照物平面坐标系原点重叠，发射电极绝缘基板的横、纵中心线与参照物平面坐标系横纵坐标轴重叠；接收电极所处平面与四个发射电极所处平面平行、接收电极长宽方向与四个发射电极长宽方向一致；目标物体坐标位置检测范围是以参照物平面坐标系原点为中心长和宽与接收电极长、宽相等的矩形区域。
4.根据权利要求1或2所述的双频率四象限平面坐标位置检测方法，其特征在于：发射电极绝缘基板上有四组发射电极，每组发射电极含四个长宽相等的矩形发射电极，四组发射电极对称分布在发射电极绝缘基板横中心线、纵中心线划分的四个区域内，取其中一组发射电极的几何中心作为坐标原点，同时在平面坐标位置检测控制器中设置绝对坐标原点偏置参数，实现目标物体在参照物平面坐标系的绝对坐标位置检测。
5.根据权利要求3所述的双频率四象限平面坐标位置检测方法，其特征在于：接收电极输出为零时，目标物体处于参考平面坐标系原点，接收电极输出电压信号中两种频率分量的幅值分别表示接收电极中心在参照物平面坐标系内的横坐标绝对值和纵坐标绝对值，两种频率分量的正反相位分别表示横坐标值和纵坐标值的正负符号。
6.根据权利要求4所述的双频率四象限平面坐标位置检测方法，其特征在于：接收电极输出为零时，目标物体处于参照物平面坐标系内某组发射电极的几何中心，接收电极输出电压信号中两种频率分量的幅值分别表示接收电极中心相对于该组发射电极几何中心的横坐标偏移值和纵坐标偏移值，两种频率分量的正反相位分别表示横坐标偏移值和纵坐标偏移值的正负符号。
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