CN1086309A - 用于绝对位置测量的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于绝对位置测量的测量装置，它 包括位移传感器、解调器、相位检测器、复合电路和显 示部分。

Description

本发明涉及位移测量装置，它与诸如数字游标卡尺之类的小型测量装置一起使用，本发明特别相关于所谓的绝对位移测量装置，它是用于测量一个可动部件相对于一个固定部件的绝对位移的。

在小型测量装置（诸如数字游标卡尺、数字测微计以及测高计）中，电容型传感器得到了越来越广泛的应用。电容型位移传感器包括一个固定部件（如一个主刻度尺），以及一个相对于固定部件可移动的可动部件（如一个滑尺）。在固定部件和可动部件上，以相应的结构设置了大量的电极。当可动部件相对于固定部件移动时，代表在电极结构之间所产生的电容的周期性变化的信号被检测出来，从而得到一个位移值。

这种位移传感器被分为两类，一类是增量型，而另一类是绝对型，其区别在于其输出信号的格式。在增量型位移传感器中，当滑尺从一个参考位置移动时，则产生周期信号。通过连续测量这些周期信号，就可测量出位移。另一方面，在绝对型移传感器中，不用连续计数周期信号的运行就可得到可动部件相对于固定部件的绝对位移（位置）。在绝对型位移传感器中，对应于在固定部件和可动部件上形成的电极结构的形状，具有粗螺距的周期信号（粗刻度信号）、具有中螺距的周期信号（中刻度信号）、以及个有细螺距的周期信号（细刻度信号）被输出。通过将这些周期信号的相位信息复合，即可检测出可动部件的绝对位移。这种电容型绝对位移传感器的原理在诸如美国专利4，879，508中得以公开了。

在绝对型位移测量装置中，上面所述的粗刻度信号、中刻度信号和细刻度信号被解调为平方律周期信号，且在其边缘上具有相位信息。当检测到这些周期信号的相位时，周期信号的前沿和后缘的相位被多次检测，并且随后作平均。这是由于这些操作能够阻止相位信息受到解调器的运行放大器的偏移的影响，并且能够阻止显示值由于数据变化而产生波动。

当位移传感器的滑尺相对于主刻度尺作相对移动（这种动作称之为位移传感器的运行）时，由解调器所获得的每个信号的周期被拉长或缩短。信号周期的变化程度是依赖于位移传感器的移动方向而变化的。这是因为，尽管电容型位移传感器的激励信号的频率是常数，但是位移传感器的移动导致输出信号相应于发射器电极和接收器电极的相对关系的变化作频率解调。信号周期的变化大小是以细刻度信号、中刻度信号以及粗刻度信号的次序为序的。由于信号周期是变化的，因此用于采样相位数据的周期，相应于位移传感器是停止还是移动，也发生变化。

因此，在传感器移动情况下用于采样相位数据的周期（通过检测前缘和后缘）比在探测器停止情况下要长。

如上所述，在绝对型位移测量装置中，当位移深测器以高速度向一个特定方向移动时，对必要的相位信息的采样要花费一段长时间。如果模拟电路在这样一段长时间内为采样相位数据而工作，那么该装置的能耗就会增大。如果显示刷新周期根据相位数据的采样周期而变化，那么该相位数据就不可能有规律地显示出来。考虑到相位数据采样周期的变化，如果显示刷新周期被设置得太长，那么数据就不能恰当地跟随探测器的移动，从而其显示就会是反常的。

本发明的一个目的就是要解决由于相位数据的采样周期变化而产生的问题，并且提供消耗较少电能、并且平滑显示数据的绝对型位移测量装置。

本发明的第一方面是用于绝对测量位置的一个测量装置，它包括一个位移传感器，该位移传感器具有一个固定部件和一个相对于固定部件可移动的可动部件，它适用于输出一个与可动部件相对于固定部件的相对位置相关的信号;包括解调器，用于处理位移传感器的输出信号，从而得到周期性平方信号，用于检测至少两类位移，即粗刻度和细刻度位移，平方信号的每个边缘具有相位信息;包括相位检测器，用于检测由解调器得到的每个平方信号的相位信息，从而得到至少粗刻度和细刻度的相位数据;包括一个复合电路，用于复合由相位检测器所得到的粗刻度和细刻度的相位数据，从而得到可动部件相对于固定部件的一个绝对位移;包括一个显示部份，用于显示由复合电路在预定的刷新周期所获得的绝对位移;还包括一个控制电路，用于限制解调器和相位检测器进行相位数据采样的运行期限。

根据本发明的第二方面，所述第一方面和绝对型位移测量装置进一步包括一个虚相位数据发生器，用于产生虚相位数据，以补充在由控制电路所限定的运行期限中被采样的相位数据。

根据本发明，在绝对型位移测量装置中，对相位数据采样操作指定一个时限，从而得到以一个固定的最佳显示刷新周期。因此，无论位移传感器是停止还是移动，所测量的值都能被平滑地显示出来。此外，对每个解调器和相位检测器都指定一个时限，从而能够有效地减小能耗，特别值得提出的是，在由模拟电路组成的解调器中，能耗被显著减小。

在位移传感器以高速移动时，如果对相位数据采样操作指定一个时限，那么相位数据可能在需要采样时没被采样，在这种情况下，相位数据最好与虚相位数据组合。因此，即使位移传感器以高速移动，数据也能被适当地显示出来，而不会影响数据的复合和显示。

本发明的另外目的及优点将在后面的说明书中提出，其中部分可从说明书中明显看出，或者从对发明的实施例中得到了解。本发明的目的和优点借助于在权利要求中特别指出的手段及组合可以得以实现。

图1的方框图示出了根据本发明的一个实施例的电容型位移测量装置的结构;

图2A的示意图示出了根据本实施例的ABS传感器的滑尺的结构;

图2B的示意图示出了根据本实施例的ABS传感器的主刻度尺的结构;

图3的方框图示出了根据本实施例的计时器实例的结构;

图4的时序图示出了根据本实施例的装置的运行;

图5的时序图示出了根据本实施例的装置的测量运行;

图6的方框图示出了根据本发明包含一个虚相位数据发生器的主要部份的结构。

附图示出了本发明目前的最佳实施例，它将与前面所作的概述以及后面要作的详细描述一起，对本发明的原理作出解释。

下面将参考附图来描述本发明的一个实施例。

图1示出了根据本发明的一个实施例的位移测量装置的系统结构。图2A和2B示出了电容型绝对位移传感器（以后简称为ABS传感器）10的结构。

ABS传感器10包括一个主刻度尺22和一个滑尺21。主刻度尺22如图2B所示是一个固定部件，而滑尺22如图2A所示是一个可动部件。滑尺21与主刻度尺彼此相对，并且隔开一小段距离。滑尺21在主刻度尺22的X方向（测量轴）上是可动的。在滑尺21上，第一发射极23以间距PtO被设置。此外，在滑尺21上设置了检测极26a、26b、27a、27b。在主刻度尺22上以间距Pr设置接收极24a和24b。另外，在主刻度尺22上，分别以间距Pt1和Pt2设置第二发射极25a和25b。第一发射极23被电容耦合到接收极24a和24b。接收极24a和24b以一个接着一个的关系连接到相应的第二发射极25a和25b，第二发射极25a和25b则电容耦合到检测极26a、26b、27a和27b。

每八个第一发射极23被共同连接起来，从而形成若干八电极组。包含八个彼此间相位相差45°的周期信号a、b、…、h的一个激励信号Sd被施加到每个八电极组上。换句话说，激励信号Sd是这样一个信号，其中一个正弦波信号被高频脉冲所斩断。激励信号Sd由图1中所示的一个激励信号发生器11所产生，并从中输出。

由激励信号Sd在第一发射极23上发生的电场结构的间距Wt比发射极23的间距PtO高八倍。间距Wt比接收极24a和24b的间距Pr高N倍。N的值最好是奇数值，如1、3、5、等等。在这一实施例中，N的值被指定为3。相继的八个发射极23在所有时刻都被电容耦合到三个或四个接收极24a或24b。接收极24a和24b是三角形或正弦形电极，它们被如图2B所示交替设置。由接收极24a和24b所接收到的信号的相位取决于第一发射极23和相应的接收极24a和24b之间的电容耦合面积。这些耦合面积随滑尺21与主刻度尺22的相对位置而变化。

当接收极24a和24b的间距与第二发射极25a和25b的间距相同时，检测极26a、26b、27a和27b检测当主刻度尺21的X位置偏离间距Pr时所产生的周期信号。在根据本发明的ABS传感器10中，为了检测三个位移级别，即粗刻度、中刻度以及细刻度，第二发射极25a和25b相对应的接收极24a和24b分别有偏移D1和D2。偏移D1和D2是与从一参考位置X0测出的距离X相关的函数。因此可得到下列式子：

D1（x）＝（Pr-Pt1）x/Pr

D2（x）＝（Pr-Pt2）x/Pr

因此，第二发射极25a和25b相对接收极24a和24b具有这样的偏移。此外，设置检测极26a、26b、27a和27b的波形结构的间距，从而使关系式Wr1＝3Pt1和Wr2＝3Pt2得以满足。因此，检测极26a和26b输出信号B1和B2，其中相应于电极26a和26b的波形结构的短周期被分别叠加到对应于偏移D1（X）的长周期上。同样，检测极27a和27b输出信号C1和C2，其中对应于检测极27a和27b的波形结构的短周期被分别叠加到对应于偏移D2（X）的长周期上。

信号B1和B2的较长周期分量的相位被反相，而其较短周期分量的相位保持不变。换而言之，较长周期信号是通过从一个信号中减去另一个信号得到的，而较短周期信号是通过将信号相加得到的。这也能适用于检测信号C1和C2。当设置电极结构使得检测信号B1和B2的较长周期比较短周期大几十倍，并且检测信号C1和C2的较长周期比检测信号B1和B2的较长周期大几十倍时，可以由下面的式子来得到位移级：

C1-C2    （粗刻度）

B1-B2    （中刻度）

（B1+B2）-（C1+C2）    （细刻度）

上述ABS传感器的基本结构和运行原理与在上述美国专利4，879，508中所描述的相同。

运算输出信号（C1-C2）被粗刻度解调器12₁和粗相位检测器13₁进行处理。运算输出信号（B1+B2）被中刻度解调器12₂和中相位检测器13₂进行处理。运算输出信号[（B1+B2）-（C1+C2）]被细刻度解调器12₃和细相位检测器13₃进行处理。每个解调过程包括具有激励信号斩波频率的采样过程、混合过程、低频分量的滤波过程、数字化过程、等等。随后产生一个在其一个边缘具有相位信息的周期平方信号CMP。在这一实施例中，得到了三种类型的周期信号，它们是：粗刻度信号CPM-COA.、中刻度信号CMP-MED.、以及细刻度信号CMP-FIN.。相位检测器13₁、13₂、13₃的每一个，通过参照从激励信号发生器11中所接收到的具有0°相位的激励信号S_d，来检测刻度信号的前缘和后缘的相位信息。对所检测的相位信息作平均，并且将每个刻度信号的相位数据以数字值输出。

由相位检测器13₁至13₃所得到的数字值的每个相位数据对应于要被测量的位移。该相位数据复合电路14加权和复合。复合电路14从一个偏移存贮器（没有示出）中接收一个偏移值，该偏移存贮器是一个EPROM芯片或类似结构。因此，复合电路14调节所复合的值的偏移量。复合电路14的输出被送到运算电路16。例如，运算电路16将位移转换为实际尺寸值。该运算电路16通过一个接口（没有示出）被连接到控制电路18（如一台微计算机）。由运算电路16所得到的值被显示在一个LCD显示器17上。

在这一实施例中，采用太阳能电池或普通电池作为直流电源15。

控制电路18供有一个计时器19。该计时器19设置显示刷新周期的期限。在显示刷新周期中，相位数据采样期限和复合与显示期限被固定为预定值。控制电路18产生触发信号ON₁和ON₂。触发信号ON₁在预定的间隔触发激励信号发生器11、解调器12₁、12₂和13₃以及相位检测器13₁、13₂和13₃。另一方面，激励信号ON₂触发复合电路14和运算电路16。因此，数据采样过程在预定的间隔内实现。控制电路18给每个电路提供触发信号，它们与复位信号、时钟信号等一起接通和切断每个电路，从而控制整个系统的运行。

图3示出了与控制电路18一起提供的计时器19的更实际的功能方框图。计时器19包括时钟发生器31、LCD控制电路32、第一计时电路33、以及第二计时电路34。时钟发生器31产生一个基本时钟信号。LCD控制电路32用该基本时钟信号产生一个LCD控制信号，该信号指定显示刷新周期的期限。LCD控制电路32由对基本时钟信号进行计数的例如一个计数器所构成。LCD控制电路32的输出被连接到第一计时电路33，然后以串联形式连接到第二计时电路34。第一计时电路33产生触发信号ON₁，该信号接通解调器12和相位检测器13。第二计时电路34产生触发信号ON₂，该信号接通复合电路14和运算电路16。每个计时电路33和34实际上可以由一个边缘检测器和一个延迟电路构成。

如图4所示，LCD控制信号的一个周期相应于刷新周期的一帧。对刷新周期的一个予定期间T1而言，触发信号ON₁的电平是高电平。当触发信号ON₁的电平变低后，触发信号ON₂的电平在一预定期间T2变高。

图5示出了用于由根据该实施的ABS传感器的控制电路18所控制的实际测量操作中的信号波形。

当显示刷新周期的一帧的期限太长时，在这种情况下，当ABS传感器移动时，所测量的值跟随传感器的移动，因此会反常显示;当显示刷新周期的一帧的期限太短时，在这种情况下，当ABS传感器高速移动时，数据不能被采样。因此，在本实施例中，显示刷新周期的一帧的期限被实验性指定为0.1秒。

在显示刷新周期中，采样数据的触发信号ON₁的高电平期限被定为40至50毫秒范围内的一个值。同样，对复合和显示数据的触发信号ON₂的高电平期限被定为40至50毫秒范围内的一个值。显示刷新周期的一帧的剩余期间为等待时期。该等待时期不是强制性的。换言之，首先指定显示刷新周期的一帧的期限，接着指定数据采样期限和数据复合和显示期限，因此，剩余的期限就变为等待时期。

如图5所示，对相应于触发信号ON₁的数据采样操作的期限指定一个时限。当传感器停止时，如图5的上栏所示，在该时限范围内，对于所有刻度信号，其前缘和后缘的相位信息（D_FR，D_FF）、（D_MR、D_MF）以及（D_CR，D_CF）都能被采样。对每一刻度而言，前缘和后缘的相位被取平均，从而采样该相位数据。

另一方面，相关于ABS传感器的移动速度和移动方向，由每个解调器12₁、12₂和12₃所得到的输出信号的期限是变化的。输出信号的期限正比于ABS传感器的移动速度。信号的期限主要是以细刻度信号CMP-FIN.、中刻度信号CMP-MED。以及粗刻度信号CMP-COA.的次序变化。

例如，如果传感器在一特定方向高速移动，如图5的中栏所示，那么细刻度信号CMP-FIN.的期限就变长。因此在时限中后缘D_FF的相位信息就不能被采样。如果传感器以更高的速度移动，如图5的下栏所示，那么细刻度信号CMP-FIN.和中刻度信号CMP-MED.的后缘D_FF和D_MF的相位信息就不能被采样。

在本实施例中，当相位数据采样操作在上述时限中没有完成时，那么采用虚相位数据来补偿不完全的相位数据。例如，若干已过去的显示刷新数据的最近数据或独立产生的数据被用作虚数据。

例如，如在图5的中栏所示，当不能从细刻度信号CMP-FIN.中采样相位数据时，虚相位数据与中刻度信号CMP-MED.和粗刻度信号CMP-COA.的相位数据一起使用，从而完成复合过程。在这种情况下，对采用实际相位数据的情况而言，尽管显示在显示器上的值的低位数字不准确，但是其值能够得以正常显示。

图6示出了采用虚相位数据的数据复合部份的示例性结构。在该图中，采用图1的粗、中、细刻度系统的其中一个作为例子。在实际装置中，具有同样结构的三个相位检测器系统被设置在ABS传感器10和复合电路14之间。如该图形所示，相位传感器13之后是一个虚相位数据发生器41。虚相位数据发生器41包括一个缓存器42和一个错误检测器43。缓存器42主要存贮由相位检测器13对刷新周期的至少一帧内所得到的相位数据，最好是存贮刷新周期之中的多个帧。错误检测器43检测相位检测的错误，并且控制缓存器42的读出操作。相位检测器13的输出或缓存器42的输出由一个选择器44来选择，以传送给复合电路14。

当相位数据被正确检测时（例如，传感器停止），由相位检测器13所得到的相位数据经由选择器44被送给复合电路14。如果传感器以高速移动，从而相位数据不能在时限中被检测出来时，则错误检测器42发出一个错误检测信号。缓存器42被错误检测信号所控制，从而存贮在其中的最近相位数据被作为虚数据读出。此外，选择器44由错误检测信号所切换，因此作为相位数据的虚数据被送到复合电路14。

当传感器高速移动时，由于采用了虚数据，因此所复合的数据包含一个错误。然而，当传感器高速移动时，在显示器上的数据是连续被更新的，特别是数据的低位数字迅速变化。因此，在传感器移动时，当显示器上的数据以一个精度被刷新，从而能确定其简单增大或简单减小时，用户可以自然地看见显示器上的数据。当传感器最后停止时，正确的数字被显示出来。因此，即使在传感器移动时在显示器上所显示的数据是不准确的，也没什么关系。

在本实施例中，当相位数据在时限中不能被采样时，采用在前一周期中采样的相位数据作为虚相位数据来进行补充。然而，另外的数据也可用作虚相位数据，在这种情况下，如果用到如“0”之类的固定数据，那么所复合的数据可能是奇数或偶数，从而显示出不正常的数据。为了正常地显示数据，最好采用随机数作为虚相位数据。

在本实施例中，对三种标度，即粗刻度、中刻度和细刻度的数据进行采样和复合。然而，应该注意到本发明可适应于两种刻度，即粗刻度和细刻度的数据被采样和复合的情况。

如上所述，根据本发明，由于对相位数据采样操作指定了一个时限，并且显示刷新周期的每一帧的期限被最佳指定，因此绝对型位移测量装置能在无论位移传感器停止或移动时适当地显示所测量的值，并且能减小平均电流消耗。另一方面，由于对相位数据采样操作被指定了一个时限，因此不能被采样的相位数据被虚相位数据所补充。因此，即使在传感器高速移动时，数据也能正常地得以显示。

本发明的另外优点和变化对本领域的技术人员是显然易见的。因此，本发明并不局限于所示出的和所描述的特定细节、代表性设备以及实施例。因此，在不脱离由权利要求所限定的发明精神或范围的情况下，可以有其他改变。

Claims (5)

1、用于绝对位置测量的测量装置，包括：

位移传感装置，具有一个固定部件和一个可相对所述固定部件作相对移动的可动部件，并且适合于根据所述可动部件相对所述固定部件的相对位置来输出一个信号；

解调装置，用于处理所述位移传感装置的输出信号，以便得到用于检测至少两类位移，即粗刻度和细刻度的位移的周期性平方信号，该平方信号的每个边缘具有相位信息；

相位检测装置，用于从由所述解调装置所得到的每个平方信号中检测相位信息，以便得到至少为粗刻度和细刻度的相位数据；

复合装置，用于复合由所述相位检测装置所得到的粗刻度和细刻度相位数据，以便得到所述可动部件相对所述固定部件的一个绝对位移；

显示装置，用于显示由所述复合装置在预定的刷新周期所得到的绝对位移；

控制装置，用于控制整个系统的运行，

其特征在于：

所述控制装置包括时间限定装置，用于限制所述解调装置和所述相位检测装置进行相位数据采样的操作期限。

2、根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：

所述时间限定装置是一个计时装置，用于指定所述刷新周期的期限，在所述刷新周期的一个预定期限内触发所述解调装置和所述相位检测装置，并且在一个预定期限相继触发所述复合装置。

3、一种用于绝对位置测量的测量装置，包括：

位移传感装置，具有一个固定部件和一个可相对所述固定部件作相对移动的可动部件，并且适合于根据所述可动部件相对所述固定部件的相对位置来输出一个信号;

解调装置，用于处理所述位移传感装置的输出信号，以便得到用于检测至少两类位移，即粗刻度和细刻度位移的周期性平方信号，该平方信号的每个边缘具有相位信息;

相位检测装置，用于从由所述解调装置所得到的每个平方信号中检测相位信息，以便得到至少为粗刻度和细刻度的相位数据;

复合装置，用于复合由所述相位检测装置所得到的粗刻度和细刻度相位数据，以便得到所述可动部件相对于所述固定部件的绝对位移;

显示装置，用于显示由所述复合装置在预定的刷新周期所得到的绝对位移;

控制装置，用于控制整个系统运行，

其特征在于：

所述控制装置包括时间限定装置，用于限制所述解调装置和所述相位检测装置进行相位数据采样的操作期限，并且

提供虚相位数据发生装置，用于产生虚相位数据，以便补偿在由所述控制装置所限制的运行期限中被采样的相位数据。

4、根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于：

所述虚相位数据发生装置包括：

缓存装置，用于主要存贮由所述相位检测装置对所述刷新周期的至少一帧所得到的相位数据;

选择装置，用于转换所述缓存装置的输出或所述相位检测装置的输出，并将所选定的输出传送给所述复合装置;

错误检测装置，用于检测所述相位检测装置的相位检测错误，并且实现对所述缓存装置的读出控制和对所述选择装置的转换控制。

5、根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于：

所述时间限定装置是一个计时装置，用于指定所述刷新周期的期限，在所述刷新周期的一个预定期限内触发所述解调装置和所述相位检测装置，并且在一个预定期限相继触发所述复合装置。

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