CN111566448B - 用于位置编码的编码器 - Google Patents

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Abstract

一种编码器包括层状结构，该层状结构包括金属板、布置在金属板上的介电层、以及布置在介电层上以形成谐振电路的图案的多个金属组件。编码器包括向层状结构发射谐振频率的波形的发射器以及测量从层状结构反射的波形的振幅的接收器。处理器可操作地连接至存储有将发射器的位置与反射波形的振幅相关联的数据的存储器，处理器基于所述数据从振幅的测量值来确定发射器的位置。编码器包括呈递发射器的位置的输出接口。

Description

用于位置编码的编码器
技术领域
本发明总体上涉及非接触式编码器，并且更具体地，涉及基于偏振波形的反射来测量位置的编码器。
背景技术
在要确定沿路径可移动的元件的位置(例如，机械组件在诸如驱动装置或枢轴臂之类的线性轴上的位置)的许多应用领域中需要用于位置测量的编码器。在这种情况下检测到的位置可以用作用于测量目的的位置值，或者也用于通过具有位置控制环的驱动装置来定位组件的位置值。这种位置编码器由此被用在诸如坐标测量机(CMM)、大地测量装置、机器人臂、电梯、火车系统、雷达、声纳、通信、声学、光学或液压致动器之类的装置中。
出于此目的，编码器具有相对于彼此可移动的定标器和用于扫描定标器的读取头，以及用于调整测量操作并且用于为扫描信号指派由读取头记录的位置值的处理器。依据要求和结构选项，或者读取头是固定的而定标器是可移动的，或者定标器固定地定位而读取头相对于定标器移动。
定标器的扫描以非接触方式执行，并且通常基于光学、电感性、磁性或电容性物理原理。例如，读取头可以具有光源，该光源用光来照射具有光反射或光散射(反射光扫描)或光透射(透射光扫描)标记的定标器。光从光源入射到传感器的光敏拾取器上，例如，光电池或CCD阵列上。如果定标器具有光反射标记，则传感器与照明装置附接在读取头的同一侧。在另一种情况下，读取头横向围绕定标器，并且传感器和照明装置在读取头中/处/上大致彼此相对地布置。标记被用作用于对读取头相对于定标器的相对位置进行编码的代码元件。例如，通过相似的明/暗过渡、莫尔图案(moir é pattern)交替，可以将编码实现为增量编码，或者针对除光学测量方法之外的测量方法，可以将编码实现为电极或磁极，或者例如通过大量定义的不同图案，可以将编码实现为绝对编码。参见，例如，US 2015/0233742。
位置的准确度取决于定标器的分辨率、传输信号的频率、以及编码器对于由工业环境中的灰尘引起的散射事件的敏感性。因此，需要提高适于在多尘和烟雾环境中的工业应用的编码器的相对位置的估计准确度。
发明内容
一些实施方式基于以下理解：偏振依存型编码器能够适于高频位置感测。在这样的编码器中，发射器向条形码发送偏振信号，并且接收器检测来自条形码的反射信号。条形码被设计为使得条形码的不同部分对偏振入射波形有不同的响应。例如，条形码可以反射或吸收发射的信号，以在反射的信号中编码发射器的位置。
一些实施方式基于以下认识：这种偏振依存型编码器适于THz位置感测或其它感测应用。例如，与电感型和电容型编码器的低频编码器相比，基于THz的编码器能够实现更好的分辨率；与光学编码器相比，基于THz的编码器由于散射而具有较低的衰减，这使得基于THz的编码器更适于多尘和烟雾环境中的工业应用。
一些实施方式基于以下理解：偏振依存型编码器可以用经由偏振器实现的条形码来实现，该偏振器反射一个偏振而使其它偏振通过以对偏振波的发射器的位置进行编码。然而，偏振器后面的物体(包括支撑偏振器的基板)可能引起回到编码器的接收器的附加反射，这向传感系统引入了噪声。
例如，使用线栅膜设计的偏振器对偏振信号有不同的响应。对于电场与线平行的线的一种方位，信号被反射回去。对于电场与线垂直的线的另一方位，信号通过。如果向例如作为基板的偏振器添加附加材料，则对于通过的偏振信号可能发生附加反射。线栅膜后面的物体也可能导致破坏反射信号的附加反射。因此，需要设计一种在机械上稳定并且不易受由于来自外部物体的反射而引起的噪声的影响的偏振器。
一些实施方式基于以下理解：偏振器的缺点的原因之一在于其默认操作使入射波形通过的原理。具体而言，除非做一些事情来反射波形，否则偏振器使全部入射波形通过。例如，除非使栅格旋转以反射波，否则线栅偏振器使入射波形通过。以这种方式，在信号的反射中对定位进行编码，使得这种偏振器易于受到破坏反射信号的、不希望的反射的影响。
一些实施方式基于以下认识：可以变换偏振器的操作的原理。具体地说，可以设计出这样的偏振器：除非做些一些事情来吸收波，否则反射全部入射波形。以这种方式，在信号的吸收中对发射器的位置进行编码，减少了对入射的反射的依存性。另外，默认反射的原理能够帮助实现偏振器的机械稳定性。
为此，一些实施方式基于以下认识：包括金属板、布置在金属板上的介电层和布置在介电层上以形成多个谐振电路的多个金属组件的层状结构能够实现这种偏振器。具体地，金属板为偏振器提供机械支撑并防止信号通过偏振器。这样的金属板提供了入射波形的默认反射。另外，由层状结构形成的谐振电路吸收反射信号，作为层状结构的金属组件的布置、方位和几何参数的函数。这种吸收(例如，部分吸收或全部吸收)能够对编码器的位置进行编码。
例如，当谐振电路的谐振频率等于偏振信号的谐振频率，并且谐振电路的方位与发射信号的偏振方向一致时，谐振电路将吸收谐振频率的入射偏振信号。通过改变金属组件的方位和尺寸，能够改变吸收率。为此，层状结构中由形成谐振电路的金属组件所占据的部分吸收了波形的至少一部分，并且层状结构中没有金属组件的部分反射来自金属板的偏振波形。
发射器相对于层状结构的位置能够被编码为指示以下项中的一个或组合的数据：谐振电路相对于彼此的位置、谐振电路相对于波形的频率的谐振频率、以及谐振电路相对于波形的偏振方向的方位。这样的数据可以使编码器的位置与反射数据的振幅的测量值相关联。例如，在一个实施方式中，数据包括振幅值序列与发射器的位置之间的映射，使得编码器的处理器能够根据映射将振幅的测量值映射到发射器的位置。
因此，一个实施方式公开了一种具有层状结构的编码器，该层状结构包括金属板、布置在金属板上的介电层、以及布置在介电层上以形成多个谐振电路的多个金属组件。编码器包括向层状结构发射谐振频率的波形的发射器以及测量从层状结构反射的波形的振幅的接收器。波形是被偏振以沿偏振方向振荡的横波。编码器包括：存储器，其存储指示以下向中的一个或组合的数据：谐振电路相对于彼此的位置、谐振电路相对于波形的频率的谐振频率、以及谐振电路相对于波形的偏振方向的方位；处理器，其基于数据从振幅的测量值确定发射器的位置；以及输出接口，其呈递发射器的位置。
数据将发射器的位置编码为取决于波形的偏振方向的偏振波形的吸收的函数。例如，在一个实施方式中，数据包括针对波形的不同偏振方向而确定的多个映射，其中处理器基于由发射器发射的波形的偏振方向选择映射，并根据映射将振幅的测量值映射到发射器的位置。
所发射的波形由于谐振电路的属性而被吸收，该谐振电路具有在周围循环的强电流，并将能量转换为热量。为此，在一些实施方式中，金属组件的几何参数是谐振频率的函数。在一些实现中，谐振频率处于太赫兹频谱中。例如，距金属板一定距离布置在介电层上的金属组件形成电感由谐振频率管控的电感器。类似地，至少两个金属组件彼此以一定距离定位，以形成电容由谐振频率管控的电容器。金属组件的几何参数和相互布置能够改变以调谐谐振电路的谐振频率。
在一些实现中，金属组件具有包括相同形状和尺寸的相同几何参数，以简化制造工艺。然而，不同金属组件的几何参数可以变化。附加地或另选地，为了便于实现和位置编码，一组金属组件被布置为形成单位单元的图案，并且其中，层状结构包括多个单位单元以对位置进行编码。例如，从层状结构中由单位单元所占据的部分反射的波形的振幅值能够形成由处理器分析以确定发射器的位置的信号的单位或像素。例如，多个单位单元能够形成周期性图案和/或形成对编码器的位置值进行编码的条形码。
将参照附图进一步解释当前公开的实施方式。所示的附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在例示当前公开的实施方式的原理上。
附图说明
[图1]
图1示出了根据一些实施方式的编码器的示意图。
[图2]
图2示出了根据一些实施方式的基于计算机的位置信息系统的框图。
[图3A]
图3A示出了根据一些实施方式的配置为发射横波的发射器的示意图。
[图3B]
图3B示出了根据一些实施方式的用于测量从层状结构反射的波形的振幅的接收器的框图。
[图4A]
图4A示出了例示一些实施方式用来对位置进行编码的偏振信号的属性的示意图。
[图4B]
图4B示出了例示一些实施方式用来对位置进行编码的偏振信号的属性的示意图。
[图5A]
图5A示出了例示一些实施方式用来对位置进行编码的层状结构的属性的示意图。
[图5B]
图5B示出了例示一些实施方式用来对位置进行编码的层状结构的属性的示意图。
[图5C]
图5C示出了根据一些实施方式的响应于接收到所发送的具有偏振的入射波形而激发的电荷分布。
[图5D]
图5D示出了描述图5C的电荷分布的物理行为的电路模型的示意图。
[图6A]
图6A示出了根据一些实施方式的使用层状结构的金属组件对位置进行编码的示例的示意图。
[图6B]
图6B示出了根据一些实施方式的使用层状结构的金属组件对位置进行编码的示例的示意图。
[图6C]
图6C示出了例示存储器中存储的数据、层状结构处金属组件的布置以及根据一些实施方式的由处理器用来确定位置的反射信号的振幅的测量值之间的关系的示意图。
[图7]
图7示出了根据不同实施方式的由处理器可执行的用于执行位置估计的程序实施于其上的非暂时性计算机可读介质的示例性示意图。
[图8A]
图8A示出了根据一些实施方式的图7的模块的性能的示意图。
[图8B]
图8B示出了根据一些实施方式的图7的模块的性能的示意图。
[图9A]
图9A示出了根据一个实施方式的由层状结构形成的谐振电路的图案的示例。
[图9B]
图9B示出了一个实施方式使用的示例性信号模型的示意图。
[图10A]
图10A示出了根据一个实施方式的由层状结构形成的谐振电路的图案的示例。
[图10B]
图10B示出了根据一个实施方式的提供反射波的振幅值的序列与发射器的位置之间的映射的查找表。
[图10C]
图10C示出了根据一个实施方式的用于使用图10B的查找表确定位置的方法的框图。
[图11]
图11示出了一些实施方式用来对位置进行编码的单位单元的示意图。
[图12]
图12示出了例示反射信号的振幅基于一些实施方式使用的单位单元的方位的变化的曲线图。
[图13]
图13示出了根据一些实施方式的产生谐振电路的相似图案的单位单元的不同布置的示意图。
[图14]
图14示出了根据其它实施方式的产生与图13的布置图案类似的谐振电路图案的单位单元的不同布置的示意图。
[图15]
图15示出了根据一些实施方式的单位单元的布置的示意图，其中单位单元的位置和方位定义了代码的两个比特。
[图16]
图16示出了根据一些实施方式的当入射波形激发由针对谐振频率设计的单位单元所形成的谐振电路时的示例性反射频谱。
[图17A]
图17A示出了根据一个实施方式的当入射波形包括多个谐振频率时的示例性反射频谱。
[图17B]
图17B示出了具有由一个实施方式针对图17A的不同频率而设计的代码的查找表。
[图18]
图18示出了一些实施方式使用多个谐振频率对位置进行编码所使用的复合单位单元的顶视图。
[图19]
图19示出了根据一些实施方式的多个复合单位单元的布置的顶视图。
[图20A]
图20A示出了根据一些实施方式的被配置为发射横波的发射器的示意图。
[图20B]
图20B示出了根据一些实施方式的用于测量从层状结构反射的波形的振幅的接收器的框图。
[图21A]
图21A示出了根据一个实施方式的针对多比特条形码而设计的查找表。
[图21B]
图21B示出了根据一个实施方式的基于多频率和多方位的3比特条形码的示例。
[图21C]
图21C示出了根据一个实施方式的基于多频率和多方位的3比特条形码的示例。
[图22]
图22示出了根据一个实施方式的用于设计层状结构的方法的框图。
[图23]
图23示出了根据一些实施方式的具有不同形状以对位置进行编码的金属组件的一些示例。
[图24A]
图24A示出了使用根据一些实施方式的位置编码器来确定电梯轿厢位置的电梯系统的示意图。
[图24B]
图24B示出了使用一些实施方式的原理来确定在铁路轨道上移动的火车的位置的火车系统的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据一些实施方式的编码器100的示意图。编码器100是偏振依存型位置编码器，其至少部分在偏振波形的吸收中对位置进行编码。为此，编码器100包括层状结构130，以基于由发射器121发射的入射偏振波形的反射和/或吸收来对位置进行编码。层状结构130包括金属板132、布置在金属板上方的介电层133、以及布置在介电层上方的多个金属组件134。由于这种布置，层状结构的包括金属组件134的至少一部分150形成谐振电路155，使得布置在介电层上的多个金属组件134形成谐振电路的图案。谐振电路的这种图案被一些实施方式用于位置编码和解码。层状结构130还可以包括基板135，以向层状结构的各层提供机械支撑。
一些实施方式基于以下认识：层状结构130使得偏振器能够反射全部入射波形，除非波被吸收。以这种方式，可以用信号的默认反射和吸收来对位置编码，从而减少了对偶然反射的依存性。另外，默认反射的原理可以帮助实现偏振器的机械稳定性。具体地，金属板132为偏振器提供机械支撑并防止信号通过偏振器。这样的金属板提供入射波形的默认反射。另外，由层状结构形成的谐振电路吸收反射信号，作为层状结构的金属组件的布置、方位和几何参数的函数。这种吸收(例如，部分吸收或完全吸收)被一些实施方式用来对位置进行编码。
例如，在一些实施方式中，层状结构中由金属组件占据的部分150形成谐振电路155，谐振电路155依据金属组件的几何参数吸收波形的至少一部分。例如，选择金属组件的几何参数以形成具有入射偏振波形的谐振频率的谐振电路155。以这种方式，入射偏振波形的至少一部分可以被谐振电路吸收并作为热量散发。相反，层状结构中没有金属组件的部分151反射来自金属板132的偏振波形。
编码器100还包括位置信息系统110和偏振波形系统120，以形成能够与层状结构130处于相对运动的位置检测器101的至少一部分。例如，在一些实现中，层状结构130被固定在诸如铁路轨道和电梯壁之类的固定主体上，而位置检测器101被固定到诸如火车和电梯轿厢之类的移动物体上。以这种方式，编码器100能够用于检测移动物体在传送路径上的位置。
偏振波形系统120包括发射器121，以向层状结构发射谐振频率的偏振波形。波形是被偏振以沿偏振方向振荡的横波。发射器121可以使用振荡器125生成这样的波形，并且将该波形从天线122经由自由空间发送到层状结构130。
偏振波形系统120包括接收器124，以测量从层状结构反射并由接收器124的天线123收集的波形的振幅。反射波形的测量值被提交给位置信息系统110，以确定位置检测器101和/或发射器121的位置，并且将位置呈递给输出接口140。
位置信息系统110包括：存储器108，其存储指示发射器的位置的数据；以及处理器102，其基于指示由谐振电路155形成的图案的数据，从振幅的测量值来确定发射器的位置。在一些实施方式中，数据包括谐振电路相对于彼此的位置、谐振电路相对于波形的谐振频率的谐振频率、以及谐振电路相对于波形的偏振方向的方位中的一个或者组合。
图2示出了根据一些实施方式的基于计算机的位置信息系统110的框图。位置信息系统110包括被配置为执行所存储的指令的处理器102，以及存储处理器可执行的指令的存储器104。处理器102可以是单核处理器、多核处理器、计算集群或任何数量的其它配置。存储器104可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存或任何其它合适的存储器系统。处理器102通过总线106连接到一个或更多个输入和输出装置。
这些指令实现基于由发射器发射的偏振波的反射和吸收来对发射器进行位置估计。值得注意的是，发射器刚性地布置在位置检测器101内，并且发射器的位置是位置检测器101的位置的直接指示。在本公开中，发射器的位置与检测器的位置可互换使用。
位置信息系统110还可以包括适于存储指示发射器的位置的数据131的储存装置或存储器108。具体地，数据131基于由层状结构形成的谐振电路的图案使波发射器的位置与反射波信号相关联。数据131的示例包括谐振电路相对于彼此的位置、谐振电路相对于波形的谐振频率的谐振频率、以及谐振电路相对于波形的偏振方向的方位中的一个或组合。数据131的示例还包括基于谐振电路的图案而设计的反射信号的信号模型和包括表示谐振电路的图案的比特序列的代码。
可以使用硬盘驱动器、光盘驱动器、拇指驱动器、驱动器阵列或其任何组合来实现储存装置108。附加地或另选地，储存装置可以实现为存储器104。在一些实现中，存储器104和108被合并到一个非暂时性计算机可读存储介质中。
位置信息系统110包括输出接口140以呈递所估计的位置。在一些实施方式中，输出接口140包括适于将处理器连接到显示装置142的显示接口141。显示装置可以包括相机、计算机、扫描仪、移动装置、网络摄像头或其任何组合。在一些实施方式中，输出接口140包括适于将编码器连接到打印装置的打印接口。在一些实施方式中，输出接口140包括适于将处理器连接到网络上的一个或更多个装置144的网络接口143。在一些实施方式中，输出接口140是向诸如控制移动物体(诸如，电梯轿厢或火车之类)的运动的控制器之类的基于位置的应用装置146提交所估计的位置的应用接口145。
位置信息系统110还包括输入接口165，以接收反射信号的振幅的测量值195。例如，网络接口控制器160可以适于将位置信息系统110通过总线106连接到网络190。网络190可以实现为有线网络或无线网络。通过网络190和/或输入接口165的其它实现，可以下载反射信号的振幅的测量值195并将其存储在计算机的储存系统108内，以进行储存和/或进一步处理。
图3A示出了根据一些实施方式的被配置为发射横波301的发射器121的示意图，该横波被偏振以沿着偏振方向朝着层状结构130振荡。横波301是包括垂直于能量传递和/或波传播的方向发生的振荡的运动波。光是横波的示例。
偏振是横波的指定了振荡的几何方位的属性。在横波中，振荡的方向横穿波的运动方向，因此振荡可以具有与波方向垂直的不同方向。例如，发射器121可以发射波长λ350的“水平偏振的”电磁波330，该电磁波在图3A中具有沿垂直方向振荡的电场矢量E。另选地，发射器121可以发射波长λ350的“垂直偏振的”电磁波340，该电磁波在图3A中具有沿水平方向振荡的电场矢量E。在本公开中，偏振方向与主电磁分量(例如，电场)的方向可以互换使用。
发射器121可以使用各种类型的振荡器125来产生偏振波330或340。例如，发射器可以使用具有电子电路的电子振荡器，该电子电路产生周期性、振荡电子信号。例如，电子振荡器可以使用RC振荡器电路、LC振荡器电路和/或晶体振荡器电路来产生特定偏振的振荡波。发射器121可以可选地使用偏振滤波器320来增强横波的偏振。
层状结构130对波301的吸收或反射尤其取决于由波长λ350限定的入射波形330或340的谐振频率。在一些实施方式中，谐振频率为将波长λ350置于最多毫米范围内的太赫兹(THz)频谱。为此，在那些实施方式中，振荡器125是高频振荡器。这样的高频振荡器的示例是由一个实施方式使用的、利用高电子迁移率晶体管(HEMT)310的振荡器。然而，其它实施方式使用不同类型的高频振荡器。
图3B示出了根据一些实施方式的测量从层状结构反射的波形的振幅的接收器的框图。由天线123接收到的反射信号利用使发射器121发射的偏振信号的频率通过的滤波器360进行滤波。滤波器模拟信号365被直接提交给位置信息系统110或可选地通过模数转换器(ADC)370转换成数字表示375。
图4A和图4B示出了例示一些实施方式用来对位置进行编码的偏振信号的属性。例如，线栅膜401对偏振信号的不同偏振有不同响应。线栅膜401可以实现为在基板402上平行布置的金属线403的层。在该示例中，入射波形410朝向线栅膜传播。图4A示出了线栅膜401的顶视图，并且波410在垂直于图4A的片材的方向上传播。图4B示出了线栅膜401的侧视图，并且波410在平行于图4B的片材的方向上传播。
一些实施方式基于以下认识：响应于振荡场，与线平行地振荡420的入射波形410生成沿着线的电子运动。电子运动创建了抵消与线平行地振荡的入射波的行进波并以与薄金属片相同的方式反射行进波。因此，由于线中电子运动引起的焦耳热，导致入射波的偏振平行于线的分量被反射并具有一些损失。对于电场垂直于430线的波，电子不能在每条导线的宽度上移动非常远。因此，几乎没有能量被反射，并且入射波形能够穿过栅格。在这种情况下，线栅膜的表现类似于介电材料。
为此，线栅膜401可以作为偏振器而工作，该偏振器基于波的振动和线之间的相互方位来反射入射波形或者使入射波形通过。然而，偏振器后面的物体(包括支撑偏振器的基板)会引起返回到编码器的接收器的附加反射，从而将噪声引入传感系统。因此，需要设计一种偏振器，该偏振器在机械上稳定并且不太容易受到由于外部物体的反射而引起的噪声的影响。
一些实施方式基于以下理解：线栅膜偏振器的缺点的原因之一在于其默认操作使入射波形通过的原理。具体而言，除非做一些事情来反射波，否则线栅膜偏振器使全部入射波形通过。例如，除非使栅格旋转以反射波形，否则线栅膜偏振器使入射波形通过。以这种方式，在信号的反射中对定位进行编码，使得这种偏振器易于受到不希望且不受控制的破坏反射信号的反射的影响。
一些实施方式基于以下认识：可以颠倒偏振器的操作原理。具体地说，可以设计出除非做些一些事情来吸收波否则反射全部入射波形的偏振器。以这种方式，在信号的受控反射和吸收中，对发射器的位置进行编码，减少了对偶然反射的依存性。另外，默认反射的原理能够帮助实现偏振器的机械稳定性。
为此，一些实施方式使用包括金属板、布置在金属板上的介电层、以及布置在介电层上以形成多个谐振电路的多个金属组件在内的层状结构来实现这种偏振器。
图5A和图5B示出了例示一些实施方式通过反射和/或吸收偏振波来编码位置所使用的层状结构的属性的示意图。图5A示出了层状结构的顶视图，其中一组可见的金属组件134部分地遮盖了顶部介电层133。在该示例中，该组金属组件以矩形金属贴片的周期性图案来布置，矩形金属贴片的边长为w1和w2并且相邻贴片之间的间隔为g1和g2。金属贴片的厚度为t，并且介电层的厚度为d。
在该示例中，对于具有与金属贴片长边w1>w2平行的电场的偏振方向的入射波形510，入射电场生成沿电场方向振荡的电子运动。由于贴片之间存在间隙，因此电子或电荷的振荡受到贴片的物理长度w1的约束。横跨顶部金属层和底部金属平面之间的小间距d，在底部接地平面上出现相反符号的图像电荷。电子电荷累积对入射波形具有电容性响应。
如果适当地选择金属组件的几何参数，则在吸收沿方向530以谐振频率振荡的入射波形510的层状结构处激发谐振电路155。如果由于金属组件的方位和/或尺寸，沿振荡方向520的谐振电路没有被激励，则具有电场520的入射波形510从金属板132反射。
为此，一些实施方式将金属组件的几何参数设计为谐振频率的函数。以这种方式，金属组件可以形成电感由谐振频率管控以激发谐振电路155的电感器。类似地，彼此以一定距离定位的至少两个金属组件可以形成电容由谐振频率管控以激发谐振电路155的电容器。
图5C示出了根据一些实施方式的响应于接收到所发送的具有偏振530的入射波形510而被激发的电荷分布540。有效地，电流由于振荡电荷而流动。结果，系统对入射波形也具有电感性响应。
图5D示出了描述图5C的电荷分布540的物理行为的电路模型550的示意图。在该模型中，由在金属对应物(metallic match)134和底部金属平面132中振荡的电流来创建电感L 560。电容C 555是由于入射电场引起的电子电荷累积，并且电阻R565由金属材料的有限电导确定，并由于欧姆损耗而有助于吸收。
所有的有效电路组件均由用于顶部金属平面和底部金属平面的金属材料的几何设计和材料属性以及两个金属层之间的介电层的介电材料属性确定。电路的谐振频率由
Figure GDA0002559526730000131
确定。在谐振时，电荷累积和电流振荡变得更强；由此，由于发热而导致能量吸收也更加有效。两种要素可以有助于总体吸收，一种是金属材料中的欧姆损耗，一种是两个金属层之间的损耗介电材料中的介电损耗。整体吸收能够达到很高的比率，谐振频率下的入射能量几乎全部能够被系统吸收。
设计这种吸收器有很多不同的方法。例如，一些实施方式创建反映所需条形码的金属图案并调整介电层的材料和厚度，使得能够调谐有效电感L和有效电容C，并且能够在操作谐振频率处激发谐振模式，从而导致吸收入射波形。
图6A和图6B示出了根据一些实施方式的使用层状结构的金属组件对位置进行编码的示例的示意图。图6A是图6B的层状结构的顶视图的截面A-A′。
层状结构的由金属组件占据的一部分形成谐振电路，该谐振电路依据谐振电路的谐振频率和入射波形的谐振频率之间的差以及金属组件相对于波形的偏振方向的方位，来吸收波形的至少一部分。相反，层状结构中没有金属组件的部分反射640来自金属板132的偏振波形。
例如，当选择金属组件610的几何参数以形成具有波形的谐振频率的谐振电路时，并且当金属组件610的方位与波形的偏振方向一致时，由这种金属组件形成的谐振电路最强劲地吸收615入射波形。
当金属组件620的方位与波形的偏振方向不一致时，由金属组件620形成的谐振电路对入射波形的吸收625弱于吸收615。例如，当入射波形具有与具有矩形贴片形状的金属组件的长边垂直的电场，或者与矩形贴片的短边平行的电场时，由于几何差异不能以相同的频率激发相同的谐振模式。由于外部电场对电子振荡的约束不同，导致有效电容C和有效电感L也不同。
可以以与操作频率不同的频率来激发谐振模式。结果，预期到低吸收；并且大部分能量被反射。例如，当选择金属组件630的几何特性以形成谐振频率不同于波形的谐振频率的谐振电路时，由金属组件630形成的谐振电路对入射波形的吸收635弱于吸收615。
以这种方式，一组金属组件可以以谐振电路图案的形式提供用于对发射器的位置进行编码的代码。编码反映在这样的数据中，该数据指示谐振电路相对于彼此的位置、谐振电路相对于波形的谐振频率的谐振频率以及谐振电路相对于波形的偏振方向的方位中的一个或组合。该数据被存储在存储器中以形成由处理器用来确定位置的编码图案。
图6C示出了例示存储器中存储的数据、层状结构处金属组件的布置以及根据一些实施方式的由处理器用来确定位置的反射信号的振幅的测量值之间的关系的示意图。存储器108中存储的数据131基于由层状结构形成的谐振电路的图案650，使发射器的位置与反射波形的振幅相关联。在一些实施方式中，数据指示谐振电路相对于彼此的位置、谐振电路相对于波形的频率的谐振频率、以及谐振电路相对于波形的偏振方向的方位中的一个或组合。数据131的示例还包括基于谐振电路的图案而设计的反射信号的信号模型和包括代表谐振电路的图案的比特序列的代码。
以这种方式，数据定义了影响反射波形的振幅的谐振电路的图案650。图案650提供用于对位置进行编码的代码。因此，知道测量值195和数据131，可以恢复图案650的一部分。
图7示出了根据不同实施方式的由处理器可执行的用于执行位置估计的程序实施于其上的非暂时性计算机可读介质700的示例性示意图。在该示例中，程序被组织为用于执行位置信息系统110的不同功能的多个软件模块。
例如，信号处理软件710负责准备指示从层状结构反射的波形的振幅的测量值的接收信号。例如，信号处理软件710可以从信号中去除噪声以及对信号进行归一化、采样、阈值和/或调制。映射模块720接收处理后的信号，并将处理后的信号映射到编码器的位置。
图8A和图8B示出了根据一些实施方式的图7的模块的性能的示意图。例如，图8A示出了指示波形的振幅的测量值的信号810以及相应的解码序列820的例示。在该示例中，解码序列820是对位置进行编码的de Bruijn序列的一部分。长度为2n的查找表可以用于确定整个de Bruijn序列内的位置解码序列。例如，图8B示出作为对位置进行编码的de Bruijn序列的代码830、以及将解码序列820与de Bruijn序列830的一部分进行匹配的结果840，以产生位置850。
图9A示出了根据一个实施方式的由层状结构形成的谐振电路的图案的示例。在该实施方式中，金属组件被布置在介电层上以形成以恒定距离915彼此分开的、具有相同特性的谐振电路155的周期性图案910。图案910对应于值0和1交替的二进制代码920。这样的图案更容易实现并且被一些实施方式用来对发射器的相对位置进行编码。
在不同的实施方式中，存储器中所存储的数据存储了图案910的周期性的不同指示。例如，在一个实施方式中，数据131包括从形成具有相同特性的谐振电路的周期性图案的层状结构反射的波形的信号模型。在该实施方式中，处理器基于信号模型从振幅的测量值确定位置。
图9B示出了一个实施方式所使用的示例性信号模型的示意图。在该实施方式中，信号模型940包括描述反射信号930和位置935之间的关系的两个分量。具体地，该实施方式基于以下认识：可以根据信号模型940从发射信号930的相位变化推断发射器的相对位置935，该信号模型940具有多项式相位信号(PPS)分量943和调频(FM)分量945中的一个或组合。该模型的PPS分量由于发射器与层状结构之间的相对运动而具有多项式结构。由于发射器在其运动期间的振动，FM分量以周期性方式影响反射信号的相位。
通常，来自空间周期性结构的反射信号可以写为
Figure GDA0002559526730000151
其中，A是未知振幅，d是移动读数头的轴向位置索引，bm>0和φm是分别第m正弦波FM分量的调制指数和初始相位，M是该相位中正弦波FM分量的数量，ψ0是初始相位。第一相位项是由于与反射器间间隔h成比例的相位变化引起的。因此，可以从第一相位项的变化来推断移动编码器的移动距离和速度。此外，通过空间周期性的吸收器和/或反射器而引起的第二项是运动相关正弦波FM分量。根据(1)，我们有x(d)＝x(d+lh)，其中l是整数。即，移动接收器在彼此间隔开距离h的两个轴向位置处看到完全相同的反射波形。
在采样间隔为ΔT并且假设编码器以初始速度v0和加速度a运动的情况下，一个实施方式通过d＝v0t+at2/2|t＝nΔT＝v0nΔT+a(nΔT)2/2,n＝n0,…,n0+N-1将位置索引变换为离散时间索引，其中n0和N分别表示初始采样索引和总采样数。结果，离散时间反射信号按下式给出：
Figure GDA0002559526730000161
对于编码器的更多动态运动，在反射信号中可能出现高阶相位项。例如，如果加速度是时变的，则可能需要三阶相位项(关于t3)来对反射信号进行建模，即，d＝v0t+at2/2+gt3/6，其中，g表示加速度。为了概括所结合的信号模型，一些实施方式使用PPS和正弦波FM信号的结合混合物：
Figure GDA0002559526730000162
其中，基本正弦波FM频率f0现在与PPS相位参数a1,…,aP结合。依据应用，结合函数f0(a1,…,aP)相对于
Figure GDA0002559526730000163
可以是非线性的或线性的。在线性编码器的情况下，它是作为
Figure GDA0002559526730000164
线性函数，其中，c0表示已知的缩放因子。
图10A示出了根据一个实施方式的由层状结构形成的谐振电路的图案的示例。在该实施方式中，金属组件布置在介电层上以形成具有相同特性的谐振电路的非周期性图案1010，以对发射器的绝对位置进行编码。存储在数据中的代码1020包括振幅值序列与发射器位置之间的映射。该代码和映射是谐振电路的非周期性图案的函数，使得处理器根据该映射将振幅的测量值映射到发射器的位置。
图10B示出了根据一个实施方式的提供反射波的振幅值序列与发射器的位置之间的映射的查找表。在该实施方式中，处理器从反射波的振幅的测量值对代码1031进行解码，并将代码1031映射到发射器的位置1032。
图10C示出了根据一个实施方式的用于使用图10B的查找表来确定位置的方法的框图。处理器将振幅测量值195与一个或更多个阈值1035进行比较(1040)，以确定代码的比特1045。例如，一个实施方式将测量值与单个阈值进行比较，使得当振幅小于阈值时比特1045等于零，或者当振幅大于阈值时比特1045等于1。该实施方式对反射波形的噪声不太敏感。附加地或另选地，一个实施方式将测量值与多个阈值进行比较，使得一个测量值产生多个比特代码以提高位置编码的分辨率。
接下来，该方法组合多个测量值的比特以产生解码的代码1055，并使用代码1055检索位置1065(1060)。例如，一个实施方式迭代地执行位置估计。该实施方式将新接收的比特附加至先前迭代期间确定的代码，并且从代码的开始移除最旧的比特以更新代码，同时保持其长度。
一些实施方式基于以下认识：对于高频编码器而言，具有对位置进行编码的金属组件可能是不方便的。在那些实施方式中，位置不是由单个金属组件编码而是由一组金属组件编码。例如，在一些实施方式中，一组金属组件形成对位置进行编码的单位单元。层状结构包括多个单位单元，并且存储器中所存储的数据包括由单位单元的位置和方位中的一个或组合(即，由单位单元形成的谐振电路的图案)所定义的代码。以这种方式，单位单元形成在由处理器分析的反射信号中的一个单元。
图11示出了一些实施方式用来对位置进行编码的单位单元的示意图。在一些实现中，相同单位单元的金属组件的结构是相同的，以给予入射波形相同的响应。例如，使用一组六个矩形贴片1115来形成单位单元1110。形成单位单元1110的金属组件1115的几何参数和布置是谐振频率的函数，使得单位单元的金属组件形成电感由谐振频率管控的电感器，并且单位单元的至少两个金属组件彼此以一定距离定位，以形成电容由谐振频率管控的电容器。因此，在整个单位单元上反射的信号振幅是相同的。
单位单元1120具有与单位单元1110相同的结构，但是具有相对于入射波形的偏振方向不同的方位。单位单元1110的方位在本文中称为吸收方位。具有吸收方位的单位单元吸收入射的偏振波形，使得反射信号1130的振幅的值较低。单位单元1120的方位在本文中被称为反射方位。具有反射方位的单位单元反射入射的偏振波形，使得反射信号1131的振幅的值较高。考虑具有对不同偏振进行响应的结构/方位的两个单位单元共存的情况。对于相同的入射波形，每个单位单元给出不同的反射振幅，从而导致从一个振幅跨越单位单元的边界到另一振幅的急剧过渡1140。
可以通过金属组件的形状相对于入射波形的偏振的方位来指示单位单元的方位。在该示例中，入射波形的电场沿水平轴偏振。例如，在具有吸收方位的单位单元1110中，形成单位单元的金属组件1115的最长尺寸与偏振方向一致。相反，在具有反射方位的单位单元1120中，形成单位单元的金属组件的最长尺寸垂直于偏振方向。
层状结构的吸收的偏振依存性也可以通过旋转来探索。虽然角度为0°处的反射振幅为0(吸收方位)并且在角度为90°处的反射振幅为1(反射方位)，但是两者之间的角度是两种模式的混合。这是因为可以用不同的权重将线性偏振分解成在0°和90°的两个方向。
图12示出了例示反射信号的振幅1230基于一些实施方式所使用的单位单元1210的方位1240的变化1220的曲线图。可以看出，从角度0°到90°，反射振幅从接近0的小值逐渐增加到接近1的非常大的值。曲线的形状与角度成正弦关系。
为此，在一些实施方式中，至少一些单位单元具有在反射方位和吸收方位之间的中间方位。这些实施方式使得编码图案的分辨率增加。值得注意的是，在一些实施方式中，诸如单位单元110、1120和1210的单位单元具有由非正方形金属组件形成的正方形轮廓。由于正方形轮廓，那些实施方式更好地适于单位单元的旋转。
图13示出了根据一些实施方式的产生谐振电路的相似图案的单位单元的不同布置的示意图。在布置1320中，单位单元具有相对于波形的偏振的相同的方位。层状结构中被单位单元所占据的部分1322吸收波形的至少一部分，而层状结构中没有单位单元的部分1324反射来自金属板的偏振波形。这样的布置导致由代码1330表示的谐振电路的图案。该布置比布置1310更便宜地实现，但是入射波形以不同深度进入层状结构，从而引入了由不同反射延迟引起的噪声。
在布置1310中，至少一些单位单元具有相对于波形的偏振的不同的方位。在该示例中，不同的方位包括反射方位和吸收方位。具有吸收方位的单位单元1312吸收入射的偏振波形，而具有反射方位的单位单元1314反射入射的偏振波形。这样的布置还导致由代码1330表示的谐振电路的图案。该布置比布置1320更昂贵地实现，但是入射波形以相同的深度进入层状结构，从而减少了由不同的反射延迟引起的噪声。
图14示出了根据其它实施方式的产生与图13的布置图案类似的谐振电路图案的单位单元的不同布置的示意图。在这些布置1410和1420中，偏振信号的电场1435的偏振与条形码的布置的轴线1430不一致。
在图13和图14的实施方式中，单位单元的位置和方位定义了代码的一个比特。具体地，具有吸收方位的单位单元定义了代码的值为零的比特，而具有反射方位的单位单元定义了代码的值为1的比特。
图15示出了根据一些实施方式的单位单元的布置的示意图，其中单位单元的位置和方位定义了代码的两个比特。在这些实施方式中，至少一些单位单元具有在反射方位和吸收方位之间的中间方位。以这种方式，可以应用反射的多比特量化以将整数值分配给与在0度和90度之间的偏振旋转角度相对应的反射振幅。
例如，可以通过分配与0度的偏振旋转角度1510、30度的偏振旋转角度1520、60度的偏振旋转角度1530和90度的偏振旋转角度1540处的反射振幅相对应的整数值来设计2比特条形码。例如，查找表1550可以将整数值与不同的偏振旋转角度相关联。
在各种实施方式中，形成单位单元的金属组件的几何参数和布置是谐振频率的函数。以这种方式，单位单元的金属组件形成电感由谐振频率管控的电感器，并且单位单元的至少两个金属组件彼此以一定距离定位，以形成电容由谐振频率管控的电容器。
图16示出了根据一些实施方式的当入射波形激发由针对谐振频率1620设计的单位单元所形成的谐振电路时的示例性反射频谱。然而，替代实施方式基于以下认识：可以使用入射偏振波的多个频率来设计多比特条形码。
图17A示出了根据一个实施方式的当入射波形包括多个谐振频率时的示例性反射频谱1710。在该实施方式中，由发射器发射的波形包括具有第一谐振频率f1 1720的第一波形和具有第二谐振频率f2 1730的第二波形。可以通过组合分别在两个不同的谐振频率f1和f2上的响应来设计不同的条形码。
图17B示出了具有由一个实施方式针对图17A的不同频率而设计的代码的查找表1740。在此示例中，当两个波形被吸收时，代码为00。当第一波形被吸收但第二波形被反射时，代码为01。当第一波形被反射但第二波形被吸收时，代码为10。当第一波形被反射并且第二波形被反射时，代码为11。
图18示出了一些实施方式使用多个谐振频率对位置进行编码所使用的复合单位单元的顶视图。在该示例中，复合单位单元1800包括：第一单位单元1810，其具有针对第一谐振频率1720选择的金属组件的第一几何参数和第一布置；以及第二单位单元1820，其具有针对第二谐振频率1730选择的金属组件的第二几何参数和第二布置。值得注意的是，第一单位单元1810的至少一些第一几何参数不同于第二单位单元1820的对应的第二几何参数，以使单位单元适应于不同的谐振频率。在该示例中，几何参数w2和g2与对应的几何参数w3和g3不同。通过将不同的单位单元组合以及并排放置(在图18的顶视图中示出为上半部分和下半部分)，新的复合单位单元被造为用于2比特条形码。
图19示出了根据一些实施方式的多个复合单位单元的布置的顶视图。每个复合单元包括针对不同频率设计的单位单元。例如，复合单位单元1910、1920、1930和1940中的每一个包括方位不同的第一单位单元和第二单位单元，第一单位单元具有针对第一谐振频率而选择的金属组件的第一几何参数和第一布置，第二单位单元具有针对第二谐振频率而选择的金属组件的第二几何参数和第二布置。复合单位单元中的第一单位单元和第二单位单元的方位定义了对双频率发射器1950的位置进行编码的代码的2比特，该双频率发射器1950被配置为发射包括具有第一谐振频率的第一波形和具有第二谐振频率的第二波形的波形。
在图19的示例中，复合单位单元1910、1920、1930和1940的上半部分对应于谐振频率f1，而下半部分对应于谐振频率f2。发射器1950在具有沿层状结构在方向1955上相对运动的同时向层状结构发送信号。具有频率分量f1和f2的信号覆盖层状结构的上半部分和下半部分二者，并被反射回接收器。从左至右，在图中示出的复合单位单元根据如图17B所示的查找表1740分别对应于代码00、01、10和11。
为此，在一些实施方式中，接收器测量从层状结构反射的第一波形的振幅以产生第一测量序列，并且测量从层状结构反射的第二波形的振幅以产生第二测量序列，并且处理器组合来自相同复合单位单元的第一波形和第二波形的相应测量值，以产生代码的多个比特1960。在此示例中，代码在处理后为00011011，并且处理器基于所述比特代码确定发射器的位置。
图20A示出了输出信号具有两个频率分量的发射器的图。发射器121可以使用各种类型的振荡器125来产生具有频率f1或f2的偏振波330或340。例如，发射器可以使用具有产生周期性的振荡电子信号的电子电路的电子振荡器。例如，电子振荡器可以使用RC振荡器电路、LC振荡器电路和/或晶体振荡器电路，以产生特定偏振的振荡波。这样的高频振荡器的示例是一个实施方式所使用的使用高电子迁移率晶体管(HEMT)2010的振荡器。然而，其它实施方式使用不同类型的高频振荡器。
在一些实现中，依据振荡器的频率带宽，使用一个或更多个振荡器125。当振荡器的带宽覆盖频率f1和f2二者时，可以使用一个振荡器。当振荡器的带宽不足以覆盖f1和f2二者时，一个实施方式使用两个振荡器，例如，一个振荡器的输出频率以f1为中心，另一个振荡器的输出频率以f2为中心。来自振荡器2010的信号可以分为两个分量2011和2012。
一些实施方式使用带通滤波器2020和2030以滤除来自振荡器2010的其它频率分量。在滤波器之后，生成具有频率分量f1 2021和f2 2031的信号。发射器121可以可选地使用偏振滤波器2040来增强横波的偏振。
在一些实现中，谐振频率f1 2021和f2 2031处于太赫兹(THz)频谱中。为此，在那些实施方式中，振荡器125是高频振荡器。
图20B示出了根据利用两个频率分量的一些实施方式的测量从层状结构反射的波形的振幅的接收器的框图。天线123接收到的反射信号被分成两个分量，并用带通滤波器1260和1261滤波，使由发射器121发射的偏振信号的频率通过。滤波器模拟信号2065和2066被直接提交给位置信息系统110或者可选地由模数转换器(ADC)2070和2071转换为数字表示2075和2076。
一些实施方式基于以下认识：可以使用类似的概念来设计对位置进行编码的多比特条形码。例如，通过利用f1和f2的两个操作频率以及四个偏振旋转角度，可以构造3比特条形码。
图21A示出了根据一个实施方式的针对多比特条形码而设计的查找表2105。在该实施方式中，基于多个频率f1和f2以及形成复合单元的单元的多个方位，针对3比特条形码设计查找表2105。可以使用更多频率以及诸如0度、30度、60度和90度的偏振旋转角度的方位，来将更多信息编码到条形码中。
图21B和图21C示出了根据一个实施方式的基于多频率和多方位的3比特条形码的示例。在该实施方式中，条形码基于在三个不同的频率f1 2110、f2 2120和f3 2130处谐振的三个不同条形码。收发器发送具有频率分量f1、f2和f3的偏振信号。图21C示出了具有针对偏振旋转角度和频率的不同组合而确定的示例性3比特代码的查找表2140。
图22示出了根据一个实施方式的用于设计层状结构的方法的框图。该方法接收用于对位置进行编码的期望代码(2210)，并且设计表示期望代码的谐振电路的图案(2220)。例如，期望代码可以是用于对相对位置进行编码的周期性代码，或者对绝对位置进行编码的诸如de Bruijn序列之类的绝对代码。通过该方法设计的图案表示例如模仿期望的代码。
已知期望图案或谐振电路，该方法设计单位单元的各种实现(2230)和/或设计金属组件的实现(2240)以实现期望图案。这些实现考虑了谐振频率、所需分辨率和层状结构的尺寸等。
图23示出了根据一些实施方式的具有不同形状以对位置进行编码的金属组件的一些示例。例如，金属组件2310是易于实现的矩形贴片。金属组件2320包括组件2310的矩形形状，两个帽被添加到矩形贴片的两端，主要是为了增加到相邻金属组件的电容性耦合。金属组件2330和2340二者设计为创建具有紧凑结构尺寸的谐振模式。
使用更复杂的结构以增加有效电感L和有效电容C。当对操作频率、结构大小和尺寸有特定要求时，这种几何设计灵活性非常有用。
图24A示出了使用根据一些实施方式的位置编码器来确定电梯轿厢2410的位置的电梯系统的示意图。形成吸收体2430的层状结构被安装在导轨2450处。包括发射器和接收器2420的位置检测器被安装在移动的电梯轿厢2410处。
图24B示出了使用根据一些实施方式的位置解码器101来确定沿着方向2465在铁路轨道2470上移动的火车2460的位置的火车系统的示意图。在该实施方式中，位置检测器101安装在火车2460上，而层状结构130布置在铁路轨道2470上。
本描述仅提供示例性实施方式，并非旨在限制本公开的范围、适用性或配置。相反，示例性实施方式的以下描述将为本领域技术人员提供了用于实现一个或更多个示例性实施方式的充分描述。在不脱离如所附权利要求书中所公开的主题的精神和范围的情况下，预期到可以在元件的功能和布置上进行各种变型。
在该描述中给出了具体细节以提供对实施方式的透彻理解。然而，本领域普通技术人员可以理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施方式。例如，所公开的主题中的系统、过程和其它元件可以以框图形式示出为组件，以免在不必要的细节上模糊实施方式。在其它情况下，可以在没有非必要细节的情况下示出公知的过程、结构和技术，以避免使实施方式模糊。此外，在各个附图中相似的附图标记和指定指代相似元件。
另外，各个实施方式可以被描述为这样的过程，该过程被描绘为流程图、流图、数据流图、结构图或框图。尽管流程图可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行执行或同时执行。另外，操作顺序可以重新排列。当其操作完成时，过程可以终止，但是可以未讨论或未包含在图中的其它步骤。此外，并非在任何特定描述的过程中的所有操作都可以在所有实施方式中发生。过程可以对应于方法、函数、处理、子例程、子程序等。当过程对应于函数时，函数的终止可以对应于函数返回到调用函数或主函数。
此外，所公开的主题的实施方式可以至少部分地手动实现或自动实现。可以通过使用机器、硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任意组合来执行或至少辅助地手动或自动实现。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在机器可读介质中。处理器可以执行必要的任务。

Claims (8)

1.一种编码器，该编码器包括：
层状结构，该层状结构包括金属板、布置在所述金属板上的介电层、以及布置在所述介电层上以形成谐振电路的图案的多个金属组件；
发射器，该发射器向所述层状结构发射谐振频率的波形，其中，所述波形是被偏振以沿偏振方向振荡的横波；
接收器，该接收器测量从所述层状结构反射的所述波形的振幅；
存储器，该存储器存储基于由所述层状结构形成的所述谐振电路的图案将所述发射器的位置与所反射的波形的振幅相关联的数据；
处理器，该处理器基于所述数据从所述振幅的测量值确定所述发射器的位置；以及
输出接口，该输出接口呈递所述发射器的所述位置。
2.根据权利要求1所述的编码器，其中，一组金属组件形成对所述位置进行编码的单位单元，其中，所述层状结构包括多个单位单元，并且其中，所述存储器中存储的所述数据包括由所述单位单元的位置和方位中的一个或组合所定义的代码。
3.根据权利要求2所述的编码器，其中，所述单位单元的所述位置和所述方位定义所述代码的一个比特。
4.根据权利要求2所述的编码器，其中，所述单位单元的所述位置和所述方位定义所述代码的两个比特。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的编码器，其中，至少一些单位单元具有反射方位和吸收方位，并且还具有在所述反射方位与所述吸收方位之间的中间方位。
6.根据权利要求5所述的编码器，其中，代码根据所述单位单元的方位被设置为不同的值。
7.根据权利要求2所述的编码器，其中，形成所述单位单元的所述金属组件的几何参数和布置是所述谐振频率的函数，使得所述单位单元的金属组件形成电感由所述谐振频率管控的电感器，并且所述单位单元的至少两个金属组件彼此以一定距离定位以形成电容由所述谐振频率管控的电容器。
8.根据权利要求7所述的编码器，其中，所述层状结构包括多个复合单位单元，每个复合单位单元包括：第一单位单元，该第一单位单元具有针对第一谐振频率而选择的金属组件的第一几何参数和第一布置；以及第二单位单元，该第二单位单元具有针对第二谐振频率而选择的金属组件的第二几何参数和第二布置，
其中，由所述发射器发射的所述波形包括具有第一频率的第一波形和具有第二频率的第二波形，
其中，所述接收器测量从所述层状结构反射的所述第一波形的振幅以产生第一测量值序列，并且测量从所述层状结构反射的所述第二波形的振幅以产生第二测量值序列，并且
其中，所述处理器将来自相同复合单位单元的所述第一波形和所述第二波形的相应测量值组合，以产生代码的多个比特，并基于所述代码的所述比特确定所述发射器的位置。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10866124B2 (en) * 2017-10-24 2020-12-15 Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. Systems and methods for speed estimation of contactless encoder systems
US10795151B2 (en) * 2018-04-12 2020-10-06 Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. Methods and systems for terahertz-based positioning
JP7109679B2 (ja) * 2019-08-21 2022-07-29 三菱電機株式会社 位置計測装置及び位置計測方法
CN117795386A (zh) * 2021-08-03 2024-03-29 三菱电机株式会社 偏振件、偏振件应用设备和偏振件的制造方法
EP4239296A1 (en) * 2022-03-04 2023-09-06 KappaSense Ltd Coded scale capacitive encoder

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE9203258L (sv) * 1992-01-20 1993-07-21 Rso Corp Saett och anordning vid laeges- och vinkelmaetning
EP0760087B9 (en) * 1994-05-14 2005-01-05 Synaptics (UK) Limited Position encoder
AU726074B2 (en) * 1994-05-14 2000-10-26 Synaptics (Uk) Limited Position encoder
US5894678A (en) * 1997-01-29 1999-04-20 Mitutoyo Corporation Electronic linear tape measure using a low power induced current position transducer
US7191943B2 (en) 2004-07-28 2007-03-20 Caterpillar Inc Robust barcode and reader for rod position determination
GB0419683D0 (en) 2004-09-06 2004-10-06 Weller Keith S Optical encoder system with directional output
US20060093476A1 (en) 2004-10-29 2006-05-04 Stanley Gavin D Fan stator
US9802225B2 (en) * 2005-06-27 2017-10-31 General Vibration Corporation Differential haptic guidance for personal navigation
US20070024865A1 (en) * 2005-07-26 2007-02-01 Mitchell Donald K Optical encoder having slanted optical detector elements for harmonic suppression
US7304294B2 (en) 2006-02-09 2007-12-04 Avago Technologis General Ip (Singapore) Pte Ltd Reflective encoder with reduced background noise
WO2008121159A2 (en) * 2006-10-19 2008-10-09 Los Alamos National Security Llc Active terahertz metamaterial devices
JP5615428B2 (ja) 2011-04-18 2014-10-29 三菱電機株式会社 位置測定装置及び位置測定方法
US9945697B2 (en) 2013-01-15 2018-04-17 Renishaw Plc Measurement scale with periodic nanostructure
US10026306B2 (en) * 2013-01-28 2018-07-17 Infineon Technologies Ag Signal generator, decoder, method for generating a transmit signal and method for determining speed data
JP2014163674A (ja) 2013-02-21 2014-09-08 Seiko Epson Corp テラヘルツ波検出装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置
EP2908098B1 (de) 2014-02-18 2016-11-30 Hexagon Technology Center GmbH Lineargeber mit Kalibrierfunktionalität
DE102014007643A1 (de) * 2014-05-23 2015-11-26 Astyx Gmbh Abstandmessvorrichtung, insbesondere für metallische und dielektrische Zielobjekte
FR3039298B1 (fr) * 2015-07-23 2018-06-22 Office National D'etudes Et De Recherches Aerospatiales (Onera) Dispositif et procede de codage optique d'une image

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