CN110567495A - 三态值编码方法及其编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三态值编码方法及其编码器，用于测量旋转轴、盘或环的角位移和角坐标。该方法及编码器由三态值编码盘和数据处理仪组成编码系统。三态值编码盘由齿盘、四副悬臂梁传感器和传感器支撑框架三部分组成。齿盘设在传感器支撑框架的中间位置。四副悬臂梁传感器分别固定在传感器支撑框架上，四个悬臂梁的自由端分别在齿盘上、下、左、右的齿顶、齿根和两个半齿高位置与齿盘弹性接触。各悬臂梁传感器的电阻应变计分别组成四个测量电桥与数据处理仪连接。齿盘转动时，各悬臂梁传感器实时输出表示齿盘旋转角度和旋转方向的三态值信号0、0.5和1，数据处理仪实时给出齿盘的旋转角度和位置，即角坐标。

Description

三态值编码方法及其编码器
技术领域
本设计涉及一种三态值编码方法及编码其器，用于测量旋转轴、旋转盘或旋转环的角位移，属传感器与测量控制技术领域。
背景技术
角位移测量，属于基本机械量的测量。目前在旋转轴角位移测量中普遍使用数字式传感元件，如感应同步器、磁栅、光栅、编码器等。从角位移转变成电信号的物理方式看，感应同步器为电磁感应式，磁栅为磁电转换式，光栅为光电转换式，而编码器有电刷触点转换、电磁转换、光电转换三种转换方式。这几种信号转换方式使传感元件在环境适应性及其它多方面性能受到限制。现有数字式角位移传感元件还有一个共同特点，即传感元件独立于测量对象，对测量对象的动作感受和角位移信号的产生完全由传感元件自身的功能零、部件实现。角位移数字式传感元件的一类重要应用是测量线位移，选择传感原件时，在需要综合评估的技术性能指标中，信号转换方式往往是首先要考虑的基本因素之一。这是因为，传感元件的结构形式、复杂程度、与轴的适配性、测量范围、分辨力、精度水平、抗干扰能力、稳定性、可靠性、可维护性等技术指标，以及经济性，都与信号转换方式紧密相关。由此可见，提供信号转换方式不同于现有传感元件的角位移测量器件，有助于满足一些特定的设计需求。
发明内容
本设计的目的，是为旋转轴或旋转盘的角位移测量以及利用角位移测量线位移，提供一种由齿盘和电阻应变式传感器配合实现角位移-电信号转换的三态值编码方法及其编码器。
本设计的三态值编码方法及其编码器，由三态值编码盘和数据处理仪组成编码测量系统。
三态值编码盘包括传感器支撑框架、齿盘和四副悬臂梁传感器。
传感器支撑框架为一矩形框架，框架的四条边顺次在靠近一侧边角的位置加工有一个轴线平行于框架平面且垂直于所在边的矩形通孔和一个与该矩形通孔垂直联通的螺纹孔。
齿盘为周边带有若干圆弧齿的圆盘，圆盘中心与传动轴配合，并利用这一配合安装在传感器支撑框架内部的中央位置。传动轴可由驱动机构驱动，从而带动圆盘正向或反向转动。
四副悬臂梁传感器包括左上悬臂梁传感器、右上悬臂梁传感器、右下悬臂梁传感器、左下悬臂梁传感器，这四副悬臂梁传感器的结构、尺寸相同，采用等截面弹性梁或变截面弹性梁，四个弹性梁分别通过各自的根部与矩形通孔的配合和紧定螺钉的压紧作用固定于传感器支撑框架的上侧内壁、右侧内壁、下侧内壁和左侧内壁。左上悬臂梁传感器和右下悬臂梁传感器在靠近梁根部处的左、右表面分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R1,R2]和[R3,R4]，右上悬臂梁传感器和左下悬臂梁传感器在靠近根部处的上、下表面分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R5,R6]和[R7,R8]。四个悬臂梁传感器在靠近自由端处朝向齿盘一侧各加工有一个三角形突棱，左上悬臂梁传感器、右上悬臂梁传感器、右下悬臂梁传感器、左下悬臂梁传感器分别对应左上三角形突棱、右上三角形突棱、右下三角形突棱、左下三角形突棱；装配好的四个悬臂梁传感器，其弹性体均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使四个三角形突棱的棱顶分别与齿盘的圆弧齿保持接触，四个接触点的具体位置如下：
a.设齿盘的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿和正下方圆弧齿的中心，同时齿盘的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿和最右端圆弧齿的中心。
b.此时，右下三角形突棱位于齿盘水平对称线和最右端圆弧齿的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿之间的谷底。左上三角形突棱位于齿盘的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿的顶点接触。右上三角形突棱和左下三角形突棱均位于齿盘纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿的右侧和正下方圆弧齿的右侧接触。右下三角形突棱到齿盘纵向对称线的距离用hmin表示，左上三角形突棱到齿盘纵向对称线的距离用hmax表示，右上三角形突棱与正上方圆弧齿接触点到齿盘水平对称线的距离和左下三角形突棱与正下方圆弧齿接触点到齿盘水平对称线的距离均用hmid表示；hmid与hmin和hmax之间存在式(1)表示的关系：
hmin、hmid和hmax统称特征高度，其中hmin称为最小特征高度，hmid称为平均特征高度，hmax称为最大特征高度。
数据处理仪用于采集、分析、处理三态值编码盘输出的四路应变信号，并控制传动轴的转动。
三态值编码盘与数据处理仪连接，二者配合，组成三态值编码测量系统，该系统按以下方式工作：
1)测量电路连接：将四组电阻应变计[R1,R2]、[R3,R4]、[R5,R6]、[R7,R8]分别以半桥方式接入数据处理仪，用分别表示数据处理仪测得的这四个半桥测量电路的应变读数。
2)测量电路零位调整：转动传动轴，带动齿盘转动，应变读数 随之发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T同时也表示齿盘上相邻两个圆弧齿的齿顶间距。齿盘每转过一个齿，即一个周期T，应变读数 分别完成一次循环变化。观察的变化，当刚好达到最小值εrmin时，停止转动齿盘，调节数据处理仪上电阻应变计[R1,R2]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即重复前述动作，依次在 取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R3,R4]、[R5,R6]、[R7,R8]所在电桥的平衡电路，使按以上方法完成四个半桥测量电路零位调整后，再转动齿盘，则均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化。最小值0表示三角形突棱刚好处在正对相邻两圆弧齿之间的谷底位置，即对应于最小特征高度hmin；最大值εrmax表示三角形突棱刚好处在与圆弧齿顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax。以上调整测量电路零位的方法，称为零位四步调整法。
3)确定应变读数与齿盘旋转状态的关系：完成测量电路零位调整后，将应变读数归一化，即规定用数字1、0和0.5分别表示应变读数的最大值εrmax、最小值0和平均值0.5εrmax。数字1与最大特征高度hmax对应，定义为满值。数字0与最小特征高度hmin对应，定义为零值。数字0.5与平均特征高度hmid对应，定义为中值。满值、零值和中值共同定义为应变读数的三态编码值，简称三态值。齿盘旋转时，三态值0、0.5、1按周期T循环变化。三态值的循环变化，用于确定齿盘的旋转状态，即旋转方向和旋转角度。三态值总共有四个不同的组合，如表1所示：
表1应变读数的三态值组合
从表1中任选一个三态值组合，做为确定齿盘旋转状态的起始点，为明确起见，选择三态值组合1，则齿盘沿顺时针方向每转过一个齿，三态值按表2所示完成一个周期T的循环，齿盘沿逆时针方向每转过一个齿，三态值按表3所示完成一个周期T的循环。在表2和表3中，周期T被划分成四个1/4子周期，在每一个1/4子周期内，四个应变读数的三态值0、1/2、1分别发生不同的升降变化。编号①至⑧的八行数据，两两互异，而且均具有唯一性，其中每一行数据都唯一地表示齿盘的一个特定旋转状态，例如编号③的一行数据表示且只表示齿盘沿顺时针方向转过一个周期T内的第三个1/4周期，即0.5T至第0.75T；编号⑤的一行数据表示且只表示齿盘沿逆时针方向转过一个周期T内的第一个1/4周期，即0至0.25T。
表2齿盘顺时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
表3齿盘逆时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
4)测定齿盘的角位移：当齿盘处于任意位置时，或将其转动到某一指定位置时，将该位置记作齿盘零位。从零位开始转动齿盘，用公式(2)计算齿盘的角位移，即齿盘转过的角度：
式(b)中，Nc表示齿盘的齿数，nz,s表示齿盘自零位起顺时针累计转过的齿数；nz,n表示齿盘自零位起逆时针累计转过的齿数，规定nz,s和nz,n恒取正值；nz表示nz,s与nz,n之差，定义为等效转动齿数；nz是代数量。齿盘顺时针转动时，nz的符号取“-”；齿盘逆时针转动时nz的符号取“+”。
本设计具有以下特点：
1、用齿盘与电阻应变测量结合的传感方式实现角位移-电信号转换。与现有的数字式传感元件相比，三态值编码器的工作原理是将电阻应变式悬臂梁传感器与齿盘配合，利用齿盘转动时齿的周期性变化，将齿盘的角位移转换成周期性电信号输出，用三态值编码算法对齿盘的旋转状态进行监测。可见，三态值编码器的信号转换方式和信号分析方法(角位移算法)与现有数字式传感元件有很大的区别。
2、齿盘可以用被测对象上的旋转部件替代。三态值编码器的齿盘，既可以是为其专门设计的传感部件，也可以利用被测对象设计而成。在后一种情形下，齿盘就成为了兼具被测对象的旋转功能和角位移传感功能的双功能部件。齿盘的直径可以在很宽的范围内选择，因此在实际应用中有很大的灵活性，特别是适合于将某些大直径轴或大型回转盘等构件设计成编码盘。可以利用被测旋转件做为传感齿盘，也是三态值编码器与现有数字式传感元件的一个不同之处。
3、齿盘结构形式和齿安装位置可以多样化。三态值编码器的齿盘可以看作一种凸轮，其齿形曲线相当于凸轮曲线，可以根据需要，设计不同形式的凸轮曲线。齿盘上的齿，不仅可以安装在齿盘外圆周边，也可以安装在齿盘的侧面(端面)，对于环形结构，还可以在其内圈上布齿。
4、模拟测量与数字测量相结合。三态值编码盘输出的应变信号是模拟量，经过数据处理仪中数据采集-分析-处理单元的三级量化处理，得到数字量，即三态编码值0、1/2、1。因此，三态值编码器具有模拟测量与数字测量双重属性。在测量过程中，数据处理仪根据两方面的条件参数连续跟踪并实时判定齿盘的转动方向和转动角度：一是利用三态值编码盘四路应变电桥输出的应变值(模拟量)的升降变化，即四路应变输出信号的交替递增和递减；二是利用三态值的变化，即表2、表3给出的8个逻辑状态组合。这两方面条件参数具有确定的一一对应关系，二者相互配合，保证角位移测量的正确性和准确性。
5、分辨力可以在齿盘每圈脉冲数的基础上提高。三态值编码器的基本分辨力由齿盘每圈脉冲数(即齿盘齿数)决定。利用三态值编码盘模拟输出的性质，根据齿廓函数形式设计细分算法，可以提高角度分辨力。例如对于齿数360的齿盘，将一个齿廓对应的脉冲波形划分为10格，即可使角度分辨力由1°提高到0.1°。
6、同时具备增量式编码测量和绝对值编码测量的性能。三态值编码器以连续测量齿盘转角的方式工作，其量程在齿盘正负两个旋转方向上均不受转动圈数限制，因此属于增量式编码器。由于可以将齿盘的任意位置设定为齿盘零位，因此在测量过程中能够连续获取齿盘的相对于齿盘零位的位置信号，这说明三态值编码器又具有绝对值编码测量的性能。如果将齿盘上的一个齿或若干个齿的齿廓曲线设计成不同于其它齿的形状，则可以利用这些特殊齿形产生的信号确定齿盘的绝对位置。
附图说明
图1是三态值编码器构造简图；
图2是三态值编码器测量电路示意图，其中(a)电阻应变计[R1,R2]半桥图，(b)电阻应变计[R3,R4]半桥图，(c)电阻应变计[R5,R6]半桥图，(d)电阻应变计[R7,R8]半桥图；
图1中：1.传感器支撑框架，2.齿盘，3.左上悬臂梁传感器，4.左上三角形突棱，5.右上三角形突棱，6.右上悬臂梁传感器，7.螺纹孔，8.紧定螺钉，9.矩形通孔，10.圆弧齿，11.右下悬臂梁传感器，12.右下三角形突棱，13.传动轴，14.左下三角形突棱，15.左下悬臂梁传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本设计作进一步说明。
参照图1-图2，本设计的三态值编码方法及其编码器，由三态值编码盘和数据处理仪组成编码测量系统。
三态值编码盘的构造包括传感器支撑框架1、齿盘2和四副悬臂梁传感器。
传感器支撑框架1一般采用矩形结构，框架的四条边顺次在靠近一侧边角的位置加工有一个轴线平行于框架平面且垂直于所在边的矩形通孔9和一个与矩形通孔9垂直联通的螺纹孔7。
齿盘2为周边带有若干圆弧齿10的圆盘，圆盘中心与传动轴13配合，并利用这一配合安装在传感器支撑框架1内部的中央位置。传动轴13可通过联轴器与驱动装置连接。
四副悬臂梁传感器包括左上悬臂梁传感器3、右上悬臂梁传感器6、右下悬臂梁传感器11、左下悬臂梁传感器15，这四副悬臂梁传感器的结构、尺寸相同，采用等截面弹性梁或变截面弹性梁，四个弹性梁分别通过各自的根部与矩形通孔9的配合和紧定螺钉8的压紧作用固定于传感器支撑框架1的上侧内壁、右侧内壁、下侧内壁和左侧内壁。左上悬臂梁传感器3和右下悬臂梁传感器11在靠近梁根部处的左、右表面分别沿梁轴线方向贴单轴电阻应变计[R1,R2]和[R3,R4]，右上悬臂梁传感器6和左下悬臂梁传感器15在靠近根部处的上、下表面分别沿梁轴线方向贴单轴电阻应变计[R5,R6]和[R7,R8]。四个悬臂梁传感器在靠近自由端处朝向齿盘2一侧各加工有一个三角形突棱，左上悬臂梁传感器3、右上悬臂梁传感器6、右下悬臂梁传感器11、左下悬臂梁传感器15分别对应左上三角形突棱4、右上三角形突棱5、右下三角形突棱12、左下三角形突棱14。装配好的四个悬臂梁传感器，其弹性体均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使四个三角形突棱的棱顶分别与齿盘2的圆弧齿10保持接触，四个接触点的具体位置按以下条件确定：
a.设齿盘2的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿和正下方圆弧齿的中心，同时齿盘2的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿和最右端圆弧齿的中心。
b.此时，右下三角形突棱12位于齿盘2水平对称线和最右端圆弧齿的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿之间的谷底。左上三角形突棱4位于齿盘2的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿的顶点接触。右上三角形突棱5和左下三角形突棱14均位于齿盘2纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿的右侧和正下方圆弧齿的右侧接触。右下三角形突棱12到齿盘2纵向对称线的距离用hmin表示，左上三角形突棱4到齿盘2纵向对称线的距离用hmax表示。右上三角形突棱5与正上方圆弧齿接触点到齿盘2水平对称线的距离用hmid表示，左下三角形突棱14与正下方圆弧齿接触点到齿盘2水平对称线的距离也用hmid表示，因为这两个距离是相等的。hmid、hmin和hmax之间存在式(1)表示的关系：
hmin、hmid和hmax统称特征高度，其中hmin称为最小特征高度，hmid称为平均特征高度，hmax称为最大特征高度。齿盘2上的传动轴13用于带动齿盘2转动正、反向转动，可以由电动机带动的蜗轮-蜗杆机构或齿轮-齿带机构等装置驱动，也可以采用在传动轴13上安装手摇柄的方式驱动。由传感器支撑框架1、四副悬臂梁传感器和齿盘2按上述方法组装成的机构，称为三态值编码盘。
数据处理仪包括应变信号采集-调理电路和装有测量分析软件的微计算机控制系统，功能是采集、分析、处理三态值编码盘输出的应变信号，并控制传动轴13的转动。数据处理仪可以利用普通虚拟测量仪设计，也可以根据不同的使用要求专门设计。测量分析软件中的角位移分析程序，按式(1)、(2)和表1、表2、表3给出的算法进行设计。
三态值编码盘与数据处理仪连接、配合，组成三态值编码测量系统，该系统按以下方式工作：
(1)测量电路连接：将四组电阻应变计[R1,R2]、[R3,R4]、[R5,R6]、[R7,R8]分别以半桥方式接入数据处理仪，用分别表示数据处理仪测得的这四个半桥测量电路的应变读数。
(2)测量电路零位调整：用数据处理仪或手摇柄驱动传动轴13，带动齿盘2转动，应变读数随之发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T也表示齿盘2上相邻两个圆弧齿10的齿顶间距。齿盘2每转过一个齿，即一个周期T，应变读数分别完成一次循环。观察的变化，当刚好达到最小值εrmin时，停止转动齿盘2，调节数据处理仪上电阻应变计[R1,R2]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即重复前述动作，依次在取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R3,R4]、[R5,R6]、[R7,R8]所在电桥的平衡电路，使按以上方法完成四个半桥测量电路零位调整后，再转动齿盘2，则四个应变读数 均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0表示相应的三角形突棱处在正对相邻两圆弧齿10之间的谷底位置，即对应最于小特征高度hmin；最大值εrmax表示相应的三角形突棱处在与圆弧齿10顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax。以上调整测量电路零位的方法，称为零位四步调整法。
(3)确定应变读数与齿盘2旋转状态的关系：完成测量电路零位调整后，将应变读数归一化，即规定用数字1、0和0.5分别表示应变读数的最大值εrmax、最小值0和平均值0.5εrmax。数字1与最大特征高度hmax对应，定义为满值。数字0与最小特征高度hmin对应，定义为零值。数字0.5与平均特征高度hmid对应，定义为中值。满值、零值和中值共同定义为应变读数的三态编码值，简称三态值。齿盘2转动时，三态值0、0.5、1按周期T循环变化。三态值的循环变化，用于确定齿盘2的旋转状态，即旋转方向和旋转角度。三态值总共有四个不同的组合，如表1所示。
从表1中任选一个三态值组合，做为确定齿盘2旋转状态的起始点。为明确起见，选择三态值组合1，则齿盘2沿顺时针方向每转过一个齿，三态值按表2所示完成一个周期T的循环，齿盘2沿逆时针方向每转过一个齿，三态值按表3所示完成一个周期T的循环。在表2和表3中，周期T被划分成四个1/4子周期，在每一个1/4子周期内，四个应变读数的三态值0、1/2、1分别发生不同的升降变化。编号①至⑧的八行数据，两两互异，而且均具有唯一性，其中每一行数据都唯一地表示齿盘2的一个特定旋转状态，例如编号③的一行数据表示且只表示齿盘2沿顺时针方向转过一个周期T内的第三个1/4周期，即0.5T至0.75T；编号⑤的一行数据表示且只表示齿盘2沿逆时针方向转过一个周期T内的第一个1/4周期，即0至0.25T。
表1应变读数的三态值组合
表2齿盘顺时针转动过程中，三态值01/21在每一个周期T内的变化。
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
表3齿盘逆时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
(4)测定齿盘2的角位移：当齿盘2处于任意位置时，或将其转动到某一指定位置时，将该位置记作齿盘零位，即在数据处理仪上设定齿盘的当前位置为零位。从零位开始转动齿盘2，用公式(2)计算齿盘2的角位移，即齿盘2转过的角度：
式(2)中，Nc表示齿盘2的齿数，nz,s表示齿盘2自零位起顺时针累计转过的齿数，nz,n表示齿盘2自零位起逆时针累计转过的齿数，nz,s和nz,n恒取正值，nz表示nz,s与nz,n之差，定义为等效转动齿数。nz是代数量。齿盘2顺时针转动时，nz的符号取为“-”；齿盘2逆时针转动时nz的符号取为“+”。

Claims (1)

1.三态值编码器，其特征是，由三态值编码盘和数据处理仪组成编码测量系统；
三态值编码盘包括传感器支撑框架(1)、齿盘(2)和四副悬臂梁传感器；
传感器支撑框架(1)为一矩形框架，框架的四条边顺次在靠近一侧边角的位置加工有一个轴线平行于框架平面且垂直于所在边的矩形通孔(9)和一个与矩形通孔(9)垂直联通的螺纹孔(7)；
齿盘(2)为周边带有若干圆弧齿(10)的圆盘，圆盘中心与传动轴(13)配合，并利用这一配合安装在传感器支撑框架(1)内部的中央位置；传动轴(13)可由驱动机构驱动，从而带动圆盘正向或反向转动；
四副悬臂梁传感器包括左上悬臂梁传感器(3)、右上悬臂梁传感器(6)、右下悬臂梁传感器(11)、左下悬臂梁传感器(15)，这四副悬臂梁传感器的结构、尺寸相同，采用等截面弹性梁或变截面弹性梁，四个弹性梁分别通过各自的根部与矩形通孔(9)的配合和紧定螺钉(8)的压紧作用固定于传感器支撑框架(1)的上侧内壁、右侧内壁、下侧内壁和左侧内壁；左上悬臂梁传感器(3)和右下悬臂梁传感器(11)在靠近梁根部处的左、右表面分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R1,R2]和[R3,R4]，右上悬臂梁传感器(6)和左下悬臂梁传感器(15)在靠近根部处的上、下表面分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R5,R6]和[R7,R8]；四个悬臂梁传感器在靠近自由端处朝向齿盘(2)一侧各加工有一个三角形突棱，左上悬臂梁传感器(3)、右上悬臂梁传感器(6)、右下悬臂梁传感器(11)、左下悬臂梁传感器(15)分别对应左上三角形突棱(4)、右上三角形突棱(5)、右下三角形突棱(12)、左下三角形突棱(14)；装配好的四个悬臂梁传感器，其弹性体均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使四个三角形突棱的棱顶分别与齿盘(2)的圆弧齿(10)保持接触，四个接触点的具体位置如下：
a.设齿盘(2)的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿和正下方圆弧齿的中心，同时齿盘(2)的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿和最右端圆弧齿的中心；
b.此时，右下三角形突棱(12)位于齿盘(2)水平对称线和最右端圆弧齿的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿之间的谷底；左上三角形突棱(4)位于齿盘(2)的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿的顶点接触；右上三角形突棱(5)和左下三角形突棱(14)均位于齿盘(2)纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿的右侧和正下方圆弧齿的右侧接触；右下三角形突棱(12)到齿盘(2)纵向对称线的距离用hmin表示，左上三角形突棱(4)到齿盘(2)纵向对称线的距离用hmax表示，右上三角形突棱(5)与正上方圆弧齿接触点到齿盘(2)水平对称线的距离和左下三角形突棱(14)与正下方圆弧齿接触点到齿盘(2)水平对称线的距离均用hmid表示；hmid与hmin和hmax之间存在式(1)表示的关系；
hmin、hmid和hmax统称特征高度，其中hmin称为最小特征高度，hmid称为平均特征高度，hmax称为最大特征高度；
数据处理仪用于采集、分析、处理三态值编码盘输出的四路应变信号，并控制传动轴(13)的转动；
三态值编码盘与数据处理仪连接，二者配合，组成三态值编码测量系统，该系统按以下方式工作：
1)测量电路连接：将四组电阻应变计[R1,R2]、[R3,R4]、[R5,R6]和[R7,R8]分别以半桥方式接入数据处理仪，用分别表示数据处理仪测得的这四个半桥测量电路的应变读数；
2)测量电路零位调整：用驱动机构使传动轴(13)转动，轴(13)带动齿盘(2)转动，应变读数随之发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T同时也表示齿盘(2)上相邻两个圆弧齿(10)的齿顶间距；齿盘(2)每转过一个齿，即一个周期T，应变读数分别完成一次循环；观察的变化，当刚好达到最小值εrmin时，停止转动齿盘(2)，调节数据处理仪上电阻应变计[R1,R2]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即重复前述动作，依次在取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R3,R4]、[R5,R6]和[R7,R8]所在电桥的平衡电路，使 按以上方法完成四个半桥测量电路零位调整后，再次转动齿盘(2)，则四个应变读数均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0表示相应的三角形突棱处在正对相邻两圆弧齿(10)之间的谷底位置，即对应最小特征高度hmin；最大值εrmax表示相应的三角形突棱处在与圆弧齿(10)顶点接触的位置，即对应最大特征高度hmax；以上调整测量电路零位的方法，称为零位四步调整法；
3)确定应变读数与齿盘(2)旋转状态的关系：完成测量电路零位调整后，将应变读数归一化，即规定用数字1、0和0.5分别表示应变读数的最大值εrmax、最小值0和平均值0.5εrmax；数字1与最大特征高度hmax对应，定义为满值；数字0与最小特征高度hmin对应，定义为零值；数字0.5与平均特征高度hmid对应，定义为中值；满值、零值和中值共同定义为应变读数的三态编码值，简称三态值；齿盘(2)旋转时，三态值0、0.5、1按周期T循环变化，其变化规律，用于确定齿盘(2)的旋转状态，即旋转方向和旋转角度；
4)测定齿盘(2)的角位移：当齿盘(2)处于任意位置时，或将其转动到某一指定位置时，将该位置记作齿盘(2)的零位；从零位开始转动齿盘(2)，用公式(2)计算齿盘(2)的角位移，即齿盘(2)转过的角度：
式(2)中，Nc表示齿盘(2)的齿数，nz,s表示齿盘(2)自零位起顺时针累计转过的齿数，nz,n表示齿盘(2)自零位起逆时针累计转过的齿数，nz,s和nz,n恒取正值，nz表示nz,s与nz,n之差，定义为等效转动齿数；nz是代数量；齿盘(2)顺时针转动时，nz的符号取为“-”；齿盘(2)逆时针转动时nz的符号取为“+”。
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