CN1171075C - 电感式位置检测器和用于确定位移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电感式位置检测器(1)以及用于确定位移的方法，该电感式位置检测器包括具有一纵向轴的第一部件(9)和在纵向轴的方向延伸、并且在垂直于纵向轴的方向具有周期性变化尺寸的磁性元件，和可以沿着纵向轴相对于第一部件移动的第二部件(10)，并包括用于感应该元件中的磁场的装置。该位置检测器分析磁场的特性变化以确定第一部件相对于第二部件的位置。

Description

电感式位置检测器和用于确定位移的方法

技术领域

在现代生产机器(例如机床)中，需要有精密的位置检测器来精确地测量和生产大的零件。这种机器通常是巨大和笨重的，并且需要使用长的和精密的位置检测器，而这类位置检测器很难精确制造和安装。这些位置检测器通常被安装到机床的两个部件上，并提供有关这两个部件之间位移的信息。本发明涉及对用于测量两个部件之间相对位移的位置检测器的改进。

背景技术

本领域中已经使用了各种方式，例如通过提供一个随位移而变化的电信号来提供位置信息。GB 1513567中揭示了这种方式，其中一个承载有一行球的第一部件相对于一个承载有电磁感应线圈和拾波线圈的第二部件移动。感应线圈沿着球的触点线感应出电场，由拾波线圈输出的信号取决于球的位置。第一和第二部件之间的相对位移导致球移动过拾波线圈，因此提供一个随位移变化的信号。在这种方式中，为了计算相对位移，必须对信号的周期数进行计数。

尽管GB 1513567中揭示的装置在商业应用上是成功的，但是它的分辨率有限，并且不能自动校准或自诊断。而且，该现有技术位置检测器产生非标准信号，这需要检测器的原始制造商(通称为OEM)设计的设备来对信号解码以提供位置信息。

诸如GB 1513567中的现有技术装置是由熟练的操作员手工校准的。通常，在装置的制造和组装之后并投入使用之前，把该装置的精度与一个标准装置进行比较，并对其进行调整以使偏差最小。该调整是使用该装置内的手动电位计进行的。

一旦投入使用，就不便进行再校准。而且，该装置不能自己进行调整以考虑由于例如环境温度、工作频率、或甚至是该装置的部件的性质随时间发生的变化所造成的信号波动。尽管这些波动可能相对较小，但是它们会影响装置的精度。现有技术装置的另一个缺点是，它们不能在装置需要再校准时提供即时指示，而这一点对于小但重要的偏差是特别重要的。

工作频率决定现有技术装置的分辨率。这些装置通常以相对低的1kHz频率(每秒1000循环)工作。尽管该装置可以在更高频率工作并可以提供更高分辨率，但是它们将需要更昂贵的更高频率时钟。而且，较高的工作频率导致系统的磁性质的变化，在不校正的情况下，这进而导致位置测量中的误差增加。

此外，在现有技术装置中，用于提供位置信息的信令内插在一个循环只能发生一次。这是因为现有技术装置通过比较驱动信号和返回信号之间的相位偏移来操作，这可以通过比较信令中的零幅度来非常方便地进行。由于内插在一个循环中只能发生一次，对于通常使用的球的大小和工作频率，现有技术装置的分辨率被限制为大约2.5μm。但是，生产机器的操作速度的改善意味着，在某些情况下，该分辨率是不够的。需要1μm或更小数量级的精确分辨率。

发明内容

因此，本发明提供一种位置检测器，包括第一部件，第二部件，变换器，至少一个模数信号转换器，和至少一个数字信号处理器，其中：

第一部件承载有一个由磁性材料元件构成的元件链，这些元件具有一个中心轴，在一行中并排设置，相互接触并限制相对移动，其中该链在垂直于中心轴的方向具有变化的尺寸；

第一和第二部件可以在平行于中心轴的方向相对移动；

第二部件承载该变换器；

变换器包括发送和感测装置，发送装置被设置为产生一个通过元件链的磁场，感测装置包括至少一个设置在元件链附近的拾波线圈，并且拾波线圈被设置为检测在第一和第二部件相对移动期间由于拾波线圈与最接近该拾波线圈的元件链边沿之间距离的变化、而产生的磁场变化，由此每个拾波线圈提供一个模拟信号，该信号的幅度取决于第一和第二部件的相对位置而变化；

每个模数信号转换器被设置为接收从至少一个拾波线圈获得的模拟信号，并将其转换为数字信号；

每个数字信号处理器被设置为接收来自每个模数信号转换器的数字信号，并且以预定的抽样间隔对数字信号进行抽样，并使用信号幅度的取决于第一和第二部件相对位置的变化，确定第一部件相对于第二部件的位置。

优选地，该链在垂直于中心轴方向的尺寸沿着链以周期性方式变化。

数字信号处理器也可以以固定的预定间隔对信号进行抽样。

数字信号处理器可以被设置为把来自第一拾波线圈的随信号位置变化的信号幅度与来自第二拾波线圈的随信号位置变化的信号幅度进行比较，并调整幅度以从第一和第二线圈产生具有基本上相同幅度的信号。

优选地，发送装置被设置为产生一个随时间呈周期性变化的磁场。在该优选实施例中，数字信号处理器被设置为在基本上接近于随时间变化的峰值幅度对来自拾波线圈的信号进行抽样。另选地，数字信号处理器可以被设置为监视并调整信号的抽样以使抽样的幅度基本上接近信号随时间变化的峰值幅度。

在一个优选实施例中，该元件链包括多个基本上球形的、相同的磁性材料球，这些球以点接触方式并排设置，

第一和第二部件可以在平行于球之间的接触点连线的方向相对移动，

感测装置包括至少两个拾波线圈，这两个拾波线圈靠近元件链设置并且沿着元件链间隔一定距离。

数字信号处理器被设置为通过使用包括以下项目的数学计算来确定第一部件相对于第二部件的位置：

来自至少一个拾波线圈的被抽样的第一数字信号的幅度与来自至少另一个拾波线圈的被抽样的第二数字信号的幅度的比率的反正切值，

在一个信号在其周围波动的轴之上或之下的信号的相对幅度和对应位置，

和一个常数，该常数由一个随位置变化的信号的峰值幅度和一个球尺寸确定。

优选地，在本实施例中，随位置变化的信号的峰值幅度通过与预定校准值的比较来确定。另选地，在数学计算的常数中使用的随位置变化的信号的峰值幅度通过在使用期间在一段时间内对随位置变化的信号的峰值幅度进行抽样来确定。

有利地，在本优选实施例中，数字信号处理器被设置为把在一个信号在其周围波动的轴之上的随位置出现的信号幅度与在该轴之下的对应信号的幅度进行比较，并调整信号的幅度以产生在该轴之上和之下具有基本上相同幅度的对称信号。

优选地，变换器包括：

至少一组四个拾波线圈，这些拾波线圈靠近所述一行球设置并且沿着所述一行球间隔四分之一球间距；

其中数字信号处理器被设置为测量相距二分之一球间距的第一/第三对拾波线圈的信号和相距二分之一球间距的第二/第四对拾波线圈的信号中的幅度差，并调整信号以减小两对信号之间的幅度差。

另选地，变换器包括：

至少一组四个拾波线圈，这些线圈靠近所述一行球设置并且沿着所述一行球间隔四分之一球间距；

分别用于该组线圈中的相距二分之一球间距的第一/第三对线圈和相距二分之一球间距的第二/第四对线圈的至少一个不平衡电路，该不平衡电路被设置为接收来自拾波线圈的信号，并且包括一个被设置为接收和调整来自拾波线圈的模拟信号的电位计和一个减法电路；

其中该组线圈中的第一拾波线圈被设置为接收一个比该组线圈中的第三拾波线圈的信号幅度低的信号，该组线圈中的第四拾波线圈被设置为接收一个比该组线圈中的第二拾波线圈的信号幅度低的信号，

并且用于第一/第三对拾波线圈的电位计可操作地通过增加第一拾波线圈信号的幅度的一部分来增大第一拾波线圈信号的幅度，减法电路可操作地减去第三拾波线圈信号的幅度以提供在数学计算中使用的第一信号，

并且用于第四/第二对拾波线圈的电位计可操作地通过增加第四拾波线圈信号的幅度的一部分来增大第四拾波线圈信号的幅度，减法电路可操作地减去第二拾波线圈信号的幅度以提供在数学计算中使用的第二信号。

本发明还提供一种确定上述位置检测器的第一部件相对于第二部件的位移的方法，该位置检测器包括所述第一部件、所述第二部件、变换器、至少一个模数信号转换器、和至少一个数字信号处理器，其中第一部件承载有一个由磁性材料元件构成的元件链，这些元件具有一个中心轴，在一行中并排设置，相互接触并限制相对移动，其中该链在垂直于中心轴的方向具有变化的尺寸；

第一和第二部件可以在平行于中心轴的方向相对移动；

第二部件承载该变换器；

变换器包括发送和感测装置，感测装置包括至少一个设置在元件链附近并提供模拟信号的拾波线圈，该模拟信号的幅度取决于由于拾波线圈与最接近拾波线圈的元件链边沿之间距离的变化而导致的第一和第二部件的相对位置；

该方法包括以下步骤：利用发送装置产生一个通过元件链的磁场；利用拾波线圈检测在第一和第二部件相对移动期间由于拾波线圈与最接近拾波线圈的元件链边沿之间距离的变化、而产生的磁场变化；利用模数信号转换器把来自所述至少一个拾波线圈的模拟信号转换为数字信号；以预定的间隔对数字信号进行抽样；以及使用信号幅度的取决于第一和第二部件相对位置的变化，确定第一部件相对于第二部件的位置。

优选地，该方法包括：在抽样步骤之后，把来自第一组拾波线圈的信号幅度随信号位置的变化与来自第二组拾波线圈的信号幅度随信号位置的变化进行比较，并调整幅度以从第一和第二组线圈产生具有基本上相同幅度的信号。

在位置检测器中，该元件链包括多个基本上球形的、相同的磁性材料球，第一和第二部件可以在平行于球之间的接触点连线的方向相对移动，并且感测装置包括至少两个拾波线圈，这两个拾波线圈靠近元件链设置并且沿着元件链间隔一定距离；该方法进一步包括：在抽样步骤之后，

计算来自至少一个拾波线圈的第一抽样信号的幅度与来自至少另一个拾波线圈的第二抽样信号的幅度的比率的反正切值，

确定在信号的波动轴之上或之下的每个抽样信号的相对幅度和它们的相应位置，

以及通过使用抽样信号的幅度的比率的反正切值、相对于该轴的相对幅度和它们的位置、和一个常数进行数学计算以确定第一部件对第二部件的相对位置，

该常数由随位置变化的信号的峰值幅度和一个球尺寸确定。

优选地，在本实施例中，随位置变化的信号的峰值幅度通过与预定校准值的比较来确定。另选地，在数学计算的常数中使用的随位置变化的信号的峰值幅度通过在使用期间在一段时间内对随位置变化的信号的峰值幅度进行抽样来确定。

有利地，在本优选实施例中，在抽样步骤之前，把在信号波动轴之上的随位置出现的信号幅度与该轴之下的对应信号的幅度进行比较，并调整信号幅度以产生在该轴之上和之下具有基本上相同幅度的对称信号。

在发送装置被设置为产生一个随时间呈周期性变化的磁场的优选实施例中，对数字信号进行抽样的步骤在基本上靠近随时间变化的峰值幅度对来自拾波线圈的信号进行抽样。另选地，在对数字信号进行抽样的同时可以监视并调整信号的抽样以便在基本上靠近随时间变化的信号峰值幅度进行抽样。

在变换器包括与一行球靠近并沿着该行球间隔四分之一球间距的至少一组四个拾波线圈的优选实施例中，该方法包括：在检测磁场变化的步骤之后，测量相距二分之一球间距的第一/第三对线圈和相距二分之一球间距的第二/第四对线圈的信号中的幅度差，并减小两对信号之间的幅度差。

另选地，通过为变换器提供以下元件来减小抽样信号中的幅度差：

至少一组四个拾波线圈，这些线圈相互靠近设置并且沿着所述一行球间隔四分之一球间距；

和分别用于该组线圈中的相距二分之一球间距的第一/第三拾波线圈和相距二分之一球间距的第二/第四拾波线圈的至少一个不平衡电路，该不平衡电路被设置为接收来自拾波线圈的信号，并包括一个被设置为接收和调整来自拾波线圈的模拟信号的电位计和一个减法电路；

并且包括以下步骤：设置该组线圈中的第一拾波线圈来接收比该组线圈中的第三拾波线圈的信号幅度低的信号，并设置该组线圈中的第四拾波线圈来接收比该组线圈中的第二拾波线圈的信号幅度低的信号，

通过使用第一电位计和第三电位计增加第一拾波线圈信号的幅度的一部分来增大第一拾波线圈信号的幅度，并使用减法电路从增大的第一拾波信号中减去第三拾波线圈信号的幅度，以提供数学计算中使用的第一信号，

并通过使用第四电位计和第二电位计增加第四拾波线圈信号的幅度的一部分来增大第四拾波线圈信号的幅度，并使用减法电路从增大的第四拾波信号中减去第二拾波线圈信号的幅度，以提供数学计算中使用的第二信号。

本发明认识到由拾波线圈检测的信号的幅度取决于拾波线圈和最靠近拾波线圈的磁性元件链边沿之间的距离。因此，通过在垂直于磁性元件中心轴的方向改变磁性元件链的尺寸，可以确定拾波线圈和链之间的相对位置与拾波线圈所记录的信号幅度之间的特性关系。因此，与现有技术不同，本发明不依赖于电信令的内插，而是通过用于定义信号幅度与链和拾波线圈的相对位置之间的特性关系的数学计算来确定位置。因此，本发明可以提供1μm或更小数量级的精确分辨率。

当然，如果使用一个随时间变化的电流(例如正弦电流)来感应通过元件链的磁场，拾波线圈所记录的信号的幅度取决于何时提取一个抽样来确定位置。因此，对于每个抽样频率都有一个位置和信号幅度之间的特性关系。

本发明还允许位置检测器在每个工作循环中执行一次或多次从信号到位置信息的转换，因此本发明的分辨率不仅仅由工作频率决定。

而且，可以使用一个自动过程来校准位置检测器，而无需一个熟练操作者的介入，并且位置检测器还可以自己进行校准以考虑在使用期间信令中的波动。此外，在装置自己无法进行使用期间再校准而因此需要人类介入时，本发明的位置检测器可以提供相应指示。

附图说明

下面将参考附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是根据本发明的位移或位置检测器的透视图；

图2是图1中所示的配置中使用的发送器和拾波线圈和磁球的布置的示意图；

图3是表示用于处理来自三个现有技术检测器(分别用于三个轴X，Y和Z)的信号的电路/装置的方框图；

图4a表示从图2的拾波线圈接收的信号如何沿着间距为P的球的位置而变化；

图4b表示本发明如何操作和解释所接收的信号；

图5表示现有技术中如何计算位移；

图6是表示本发明中用于处理信号的电路/装置的方框图。

具体实施方式

图1表示一个检测器，其适用于机床以提供一个随位移呈周期性变化的信号，并且是GB1513567中揭示的类型，其还是本发明的主题。如图所示，该装置或检测器1包括标尺9和外壳10。标尺9被固定地(直接或间接)安装到机床的第一部件50，而外壳10被固定地(直接或间接)安装到机床的第二部件(未示出)。检测器1测量这两个部件之间的相对位移。例如，第一部件可以是机床的一个部分，而第二部件可以是被加工的工件。

在该配置中，标尺9由一个非磁性材料管4形成，其内成直线地设置有多个磁球2。标尺9以固定到第一部件50的关系由标尺支撑件3a和3b支持。球2是基本上球形的相同的钢球，它们在与标尺9和外壳10之间的相对移动方向平行的直线上相互以点接触方式并排设置。这些球被限制相互间移动。在外壳10内提供发送线圈7和拾波线圈6(见图2)。

如图1所示，标尺9被设置为装配在穿过外壳10提供的一个管形孔中。为了避免入口处污物进入外壳10，在外壳内的管形孔的每一端提供一个密封件5。

图2表示外壳10中的发送线圈7和拾波线圈6的布置。如图所示，发送线圈7和多个拾波线圈6(6a，6b，6c，6d)位于球2的四周。发送线圈7和拾波线圈6相互同轴，并且还与这些球的中心线8同轴。球2和线圈6和7可以在平行于线8的方向相互移动。

发送线圈7包括多个串联连接的发送线圈部分7′。与每个发送线圈部分7′相关联的是一个拾波线圈部分，例如6a1，6b1，6c1或6d1。每个拾波线圈(例如6a)包括多个拾波线圈部分，例如6a1，6a2，6a3，这些拾波线圈部分串联连接在一起并且以对应于球2直径的长度或间距P的间隔相互隔开。

图3是与图1所示检测器相关联使用的现有技术电子电路的方框图。该电路包括主处理器20，其典型地是一个80C31处理器。主处理器20具有其非易失随机存取存储器(RAM)23，该非易失存储器23连接有一个关联电池(41)，用于在主电源失效时供电。该非易失存储器23保存所测量的位移数据。还提供程序只读存储器(ROM)22以用于主处理器20的操作。

一个键盘/显示器处理器24串行连接到主处理器20，并且该键盘/显示器处理器24连接到显示器25和键盘26，并控制键盘的输入和输出以及到主处理器20的显示数据。

提供RS232端口27以用于连接到诸如计算机之类的外部设备，并且该端口27串行连接到主处理器20。除了显示器25以外，还有一个显示器28用于以英寸或毫米显示所测量的位移。

从振荡器21向主处理器20提供10.16MHz的时钟信号。来自振荡器21的输出还被输出到分频电路29，该分频电路29把一个5.08MHz的时钟信号提供给位计数器30和再一个分频器31。分频器31把5.08MHz的时钟信号除以5080，以把一个1KHz信号提供给正弦波发生器32和分别用于X，Y，Z轴的三个信号调整单元33，34和35(为每个轴提供一个位移检测器36，37，38)。正弦波发生器32的输出也被输入到每个信号调整单元33，34和35。信号调整单元33，34和35直接连接到相应的检测器36，37和38。

来自检测器36，37和38的信号输出被输入到相应的信号调整单元33，34和35，该信号用于使位计数器30停止。位计数器30的起动脉冲是分频器31的输出。位计数器30的输出被输入到主处理器20。

主处理器20还配备有电源39和复位装置40。提供一个轴选择线42把主处理器20连接到每个信号调整单元36，37和38，以允许主处理器能够选择进行位移测量的轴。因此，该配置可以控制相互垂直布置的三个检测器。

下面简单描述图3所示的现有技术电路的操作。振荡器21提供一个10.16MHz时钟信号，该信号被分频为5.08MHz时钟信号以输入到位计数器30。分频器31进一步对该5.08MHz信号进行分频以提供一个用于信号调整单元33，34和35的1KHz参考脉冲，并作为位计数器的起动脉冲。然后使用该1KHz时钟信号来驱动正弦波发生器32。

每个信号调整单元33，34和35输出一个被施加到相应发送线圈7的1KHz正弦信号。因此，每个发送线圈7被提供一个信号，以产生平行于图2中的线8的磁场。由于球2和外壳10之间的相对轴向移动导致的磁场变化在每个拾波线圈6a，6b，6c和6d中感应的信号中产生相应变化。

图4a的上部表示分别从拾波线圈6a，6b，6c和6d输出的信号A，B，C和D沿着间距为P的球的位置的幅度变化。后面将结合本发明讨论图4b。

从图4a可以看出，每个信号A，B，C和D的幅度随位移呈正弦变化，其周期是P并且对应于球2的直径。而且，正弦波A，B，C和D不围绕零幅度波动，即它们从零偏移。典型地，波动仅是偏移的6％。

每个信号A，B，C和D的相位相差四分之一间距。这是因为，拾波线圈6a，6b，6c和6d分别间隔四分之一球间距P。各个检测器36，37和38中的信号处理器(未示出)从信号A中减去信号C并从信号D中减去信号B以提供图4a下部所示的周期性波形A-C和D-B。这些波形代表1KHz信号频率的幅度。然后，该信号处理器把信号A-C的相位延迟1KHz信号的45°，并把D-B信号的相位提前1KHz信号的45°。

然后把信号A-C和D-B相加以提供一个相位调制信号，这对于实际应用目的是优选的。所得的信号是一个恒定幅度正弦波形，其相位直接与由于标尺9和外壳10(因此是机床的第一和第二部件)的相对移动造成的相对位移成比例。检测器36，37和38把该信号输出到相应的信号调整单元33，34和35。

当确定所得信号的相位是一个预定值(例如0°)时，信号调整单元33，34和35输出一个轴位脉冲(axis bit phase)。然后使用该轴位脉冲使已经由来自分频器31的脉冲起动的位计数器30停止。来自分频器31的信号是一个1KHz的脉冲，其是发生器32的输入。因此，位计数器30提供一个计数值，该计数值与正弦波发生器产生的1KHz参考信号和在信号调整单元33，34和35内形成的移相相加后所得信号之间的相位差直接成比例。

图5表示现有技术中如何由主处理器20计算相对位移。位计数器30的输出提供一个位计数，该位计数可以由一个如图5a所示的随位移变化的锯齿波形表示。该位计数是一个0到5079之间的值，并且当球2直径为1/2英寸或12.7mm时，该位计数代表0到12.7mm的位移。因此，每个位代表0.0025mm。但是，由于在12.7mm的移动后该位计数被复位到0，主处理器20必须对每个位计数转变进行计数，这被称为一个间距计数并且代表12.7mm的相对位移(图5b)。每个12.7mm的位移代表间距计数的一个递增。除了位计数和间距计数，还有一个偏移，它给出了相对于一个被选择数据的位置，并且在此情况下具有0到-12.7的值(图5c)。因此，第一和第二部件之间的总相对位移是：

相对位移[mm]＝(位×0.0025)+(间距×12.7)+偏移

因此，通过对检测器1的周期性波形的周期数进行计数，有可能使用本方法来测量标尺9和外壳10之间的相对位移。

但是，如前所述，这些装置具有有限的分辨率，并且不能自动校准或自诊断。而且，这些现有技术位置检测器产生非标准信号，需要OEM设计的设备来对信号进行解码以提供位置信息。

与此相反，本发明提供的位置检测器能够自动校准和自诊断，具有高分辨率，还产生可以由可购买到的设备解码的工业标准信号。

图6是本发明中用于信号处理的电路的方框图。为简明起见，以简化形式表示包括发送线圈和拾波线圈的线圈组件100，其构成没有变化。所示电路仅用于检测沿着单个移动轴的位移。

线圈组件100内的发送线圈(未示出)由放大器200以10KHz驱动。信号A，B，C和D与原来一样，其中，例如与前面参考图4a描述的相同，从A中减去C以产生信号A-C，从D中减去B以产生D-B。

实践中非常难以生产线圈组件100以使A和C信号完全平衡，即，在P/2位置A信号的幅度与C信号完全相同。因此，需要如下所述的一个不平衡电路。当然，如果首先把模拟信号转换为数字信号，然后馈送到处理器500，处理器500自己可以被设置为进行如下所述的信号操作，并因此替换不平衡电路。

为了解决该不平衡，组件100被物理地设置为使得感应的信号A小于信号C。然后，在相加点300(图6)增加A的一小部分kA(图6)，并因此产生结果A(1+k)-C。使用一个数控电位计400产生该部分kA。这是通过一个来自主处理器500的串行链路设置的。

类似地，在相加点600把信号D和B组合以产生结果D(1+k′)-B。在此情况下，使用数控电位计700产生该部分k′D。

经过不平衡调整后的信号A和D仍称为信号A和D，并在此后的计算中使用。这些信号由放大器800和900放大，并由模数信号转换器155和110数字化，然后由处理器500通过串行链路156读取。处理器500使用这些数字化值来计算线圈组件100相对于球2的相对位置。

如图4a所示，理想化的信号A-C是正弦波形式，被定义为Msin(2πd/P)，其中d是组件沿着球间距P的实际位移，M代表信号A-C的最大幅度。类似地，理想化的信号D-B的形式是M′cos(2πd/P)，其中M′代表信号D-B的最大幅度。这两个信号中第一个信号与第二个信号的比率，即(A-C)/(D-B)，是M/M′tan(2πd/P)。因此，在知道比率M/M′的值后，有可能利用以下方程，使用反正切函数和在一给定时间信号A-C和D-B的幅度值，计算在该给定时间的位移d的值：

$d=\frac{P}{2\mathrm{\π}}\arctan \left[\frac{M^{\′}}{M}\left(\frac{A-C}{D-B}\right)\right]$

回来参见图4a，在接近P/4和3P/4的位置，D-B信号的值较低，趋于零。因此，比率(A-C)/(D-B)非常高。如果比率(A-C)/(D-B)大于一，则使用比率(D-B)/(A-C)更方便。这是因为，用于计算-1到+1范围的值的反正切的算法是简单的泰勒级数。

如果忽略该比率的代数符号，那么其值在0和1之间，并且反正切在0到+π/4范围内。图4b中的实线代表在一个球间距范围内该比率的反正切转换结果，即arctan(N/D)的值，其中D是(A-C)或(D-B)中较大者，N是较小者。

通过检查信号A-C和D-B的符号，可以确定信号区(quadrant)0到P/4，P/4到P/2，P/2到3P/4，或3P/4到P。例如，如图4a所示，信号A-C和D-B在信号区0到P/4都是正的，在信号区P/4到P/2 A-C是正的、D-B是负的。因此，可以区分各信号区。

而且，通过检查信号A-C和D-B的相对幅度，有可能确定拾波线圈6位于每个信号区的哪半个部分。例如，如图4a所示，在信号区0到P/4的第一半部分，D-B的幅度大于A-C，在信号区0到P/4的第二半部分相反。

把该信息与反正切值一起组合以给出一个用于线圈组件100(因此是第二部件)在任何一个球间距中的位置的唯一值。这在图4b中由虚线表示。

对于一个10kHz系统，以每秒10,000个抽样的速率(而在现有技术的10kHz系统中进行每秒1000个抽样)，在每循环对信号A-C和D-B进行至少一次抽样。尽管几乎可以在循环中的任何点(除了零交叉)进行抽样，理想地是在每个循环中的一个峰值(正或负)进行抽样以获得最大信号。当然，仅当同时进行信号A-C和D-B的抽样时，上述转换方法才是有效的。

在每个抽样后，执行上述转换以给出球间距中的一个位置。把这个位置与前一个位置进行比较以确定移动量，并在进行下一个抽样前输出这个位置变化。所测量的是位置中的递增变化。与现有技术装置不同，没有等同于间距计数的变量，尽管也可以把偏移值引入本系统。

为了使所测量的位置递增变化是正确的，假设所述转换之间的最大移动小于P/2。该假设使得有可能确定移动量而无需具有等同于间距计数的变量。例如，如果位置检测器从第一个抽样记录了位置是7P/8(见图4b)，然后从第二个抽样记录了位置是P/8，那么在移动量不超过P/2的情况下发生这种变化的唯一方式是位置检测器移动到另一个相邻球，并且没有沿着该同一个球回来。在大多数实际情况中，这个假设是完全可以接受的。

信号的转换速率限制了位置检测器工作的最大速度或分辨率。在现有技术中，转换速率完全由工作频率决定，通常是每毫秒一次(每循环一次)。对于一个12.7mm间距位置检测器，可得到的最大可能机器速度是6.35m/s(由(P/2)×频率来确定)。本发明的转换技术不完全由工作频率决定，可以是每循环很多次，因此适于速度高达63.5m/s的机器。但是，实际的最大速度可能受到数据发送速率的限制。

本发明系统的校准(即使得由非理想化信号造成的位置误差最小)可以通过以下过程的组合来完成。首先，把一个(10kHz)循环内的抽样点设置为与波形中的峰值一致。其次，测量A到C和D到B信号中的不平衡，并使用前述的数字电位计400和700减小该不平衡。第三，测量信号A-C和D-B的最大幅度M和M’中的差，并对所述转换应用一个校正因数。最后，根据一个已知的标准位移检查所计算的位置。

有可能执行前三个过程而不参考一个标准位移。如果抽样点不在峰值点，可以把抽样点重新定位。把数字电位计设置为产生对称A-C和D-B信号，即正负最大值的幅度相同。M和M’电平是A-C和D-B信号的峰值测量值。如果系统被设计为连续地监测这些信号电平，那么有可能连续地执行校正，尽管必须考虑这样作所需的时间。这种校正的目的是把校准(即误差校正)恢复到原始校准时的状态。通过这种方法，可以极大地减小由于温度、时间工作频率或其它因素造成的偏移的影响。

可以把测量到的误差：a)存储并连续地应用以校正所计算的位置，或b)可以确定一个数学表达式来近似和校正误差。

参考图6的方框图，处理器500的程序被存储在非易失存储器120中。校准数据也被存储在该存储器中。该存储器是一个电可擦除、可再编程、只读存储器(EEPROM)。

从处理器500把位置数据输出到线路驱动器130。该输出数据的形式通常是相位相差九十度的A，B脉冲。这是一个用于传送递增位置数据的工业标准2位Gray码。输出线的状态的每个变化代表一个分辨率单位的位置变化，例如1μm，2μm，5μm，或10μm。方向由线路变化的顺序确定。当然也可以使用其它数据格式。

可以通过线路接收器140把数据输入到处理器500。在校准过程期间，以及为了下载处理器程序和其它信息(例如分辨率)，需要这种输入。该数据被发送到存储器120进行存储。由于线路驱动器130和接收器140共享公共线路，它们从不同时工作。引导装载程序逻辑块150控制是输入还是输出数据。当最先给变换器加电时，引导装载程序逻辑块150询问一个输入线以确定是否连接了一个编程/校准装置(例如一个计算机)。如果是，接收器140被使能，并下载数据。如果没有检测到编程/校准装置，则装载并运行存储器120中的程序，即正常操作。

电源160，加电复位电路170和时钟发生器180支持其它电路的操作。

处理器500还产生描述一个具有线圈驱动频率10kHz的正弦波的数字数据。把该数据串行发送到数模转换器190，然后该数模转换器190把该输入信号提供给线圈驱动放大器200。

在不偏离本发明范围的情况下，可以对本发明进行修改。例如，标尺9中的磁球链可以用多个依次排列的不同直径的磁垫圈代替。这些垫圈可以具有不同的厚度，并在最靠近拾波线圈处具有平或倾斜的边沿。但是，滚珠的优点是很容易以高尺寸公差进行加工，因此价格低廉。

总之，本发明提供一种位置检测器，其分辨率不完全由工作频率决定，因此可以在一个工作循环提供很多次位置信息。而且，本发明提供一种可以使用自动过程校准的位置检测器，无需熟练操作者的介入。此外，该位置检测器可以自己进行调整以考虑使用中的信号波动，并且在装置自己无法执行使用中的再校准并因此需要人类介入时，还可以提供相应指示。而且，该位置检测器产生工业标准信号，不依赖于OEM设计的设备对其解码以提供位置信息。

Claims (23)

1.一种位置检测器，包括第一部件、第二部件、变换器、至少一个模数信号转换器、和至少一个数字信号处理器，其中：

第一部件承载有一个由磁性材料元件构成的元件链，这些元件具有一个中心轴，在一行中并排设置，相互接触并限制相对移动，其中该链在垂直于中心轴的方向具有变化的尺寸；

第一和第二部件可以在平行于中心轴的方向相对移动；

第二部件承载该变换器；

变换器包括发送和感测装置，发送装置被设置为产生一个通过元件链的磁场，感测装置包括至少一个设置在元件链附近的拾波线圈，并且拾波线圈被设置为检测在第一和第二部件相对移动期间由于拾波线圈与最接近拾波线圈的元件链边沿之间距离的变化、而产生的磁场变化，由此每个拾波线圈提供一个模拟信号，该信号的幅度取决于第一和第二部件的相对位置而变化；

每个模数信号转换器被设置为接收从至少一个拾波线圈获得的模拟信号，并将其转换为数字信号；

每个数字信号处理器被设置为接收来自每个模数信号转换器的数字信号，并且以预定的抽样间隔对数字信号进行抽样，并使用信号幅度的取决于第一和第二部件相对位置的变化，确定第一部件相对于第二部件的位置。

2.根据权利要求1所述的位置检测器，其中所述链在垂直于中心轴方向的尺寸沿着链以周期性方式变化。

3.根据权利要求1或2所述的位置检测器，其中数字信号处理器以固定的预定间隔对信号进行抽样。

4.根据权利要求1或2所述的位置检测器，其中数字信号处理器被设置为把来自第一拾波线圈的随信号位置变化的信号幅度与来自与其相隔一个拾波线圈的第二拾波线圈的随信号位置变化的信号幅度进行比较，并调整幅度以从第一和第二拾波线圈产生具有基本相同幅度的信号。

5.根据权利要求1或2所述的位置检测器，其中发送装置被设置为产生一个随时间呈周期性变化的磁场。

6.根据权利要求5所述的位置检测器，其中数字信号处理器被设置为在基本接近于随时间变化的峰值幅度对来自拾波线圈的信号进行抽样。

7.根据权利要求5所述的位置检测器，其中数字信号处理器被设置为监视并调整信号的抽样以使抽样的幅度基本接近于随时间变化的峰值幅度。

8.根据权利要求1或2所述的位置检测器，其中

该元件链包括多个基本上球形的、相同的磁性材料球，这些球以点接触方式并排设置，

第一和第二部件可以在平行于球之间的接触点连线的方向相对移动，

感测装置包括至少两个拾波线圈，这两个拾波线圈靠近元件链设置并且沿着元件链间隔一定距离，并且

数字信号处理器被设置为通过使用包括以下项目的数学计算来确定第一部件相对于第二部件的位置：

来自至少一个拾波线圈的被抽样的第一数字信号的幅度与来自至少另一个拾波线圈的被抽样的第二数字信号的幅度的比率的反正切值，

在一个信号在其周围波动的轴之上或之下的信号的相对幅度和对应位置，

和一个常数，该常数由一个随位置变化的信号的峰值幅度和一个球尺寸确定。

9.根据权利要求8所述的位置检测器，其中随位置变化的信号的峰值幅度通过与预定校准值的比较来确定。

10.根据权利要求8所述的位置检测器，其中在数学计算的常数中使用的随位置变化的信号的峰值幅度通过在使用期间在一段时间内对随位置变化的信号的峰值幅度进行抽样来确定。

11.根据权利要求8所述的位置检测器，其中数字信号处理器被设置为把在一个信号在其周围波动的轴之上的随位置出现的信号幅度与在该轴之下的对应信号的幅度进行比较，并调整信号的幅度以产生在该轴之上和之下具有基本上相同幅度的对称信号。

12.根据权利要求8所述的位置检测器，其中感测装置包括：

至少一组四个拾波线圈，这些拾波线圈靠近所述一行球设置并且沿着所述一行球间隔四分之一球间距；

其中数字信号处理器被设置为测量该组拾波线圈中的相距二分之一球间距的第一/第三对拾波线圈的信号和该组拾波线圈中的相距二分之一球间距的第二/第四对拾波线圈的信号中的幅度差，并调整信号以减小两对信号之间的幅度差。

13.根据权利要求8所述的位置检测器，其中感测装置包括：

至少一组四个拾波线圈，这些拾波线圈靠近所述一行球设置并且沿着所述一行球间隔四分之一球间距；

分别用于该组拾波线圈中的相距二分之一球间距的第一/第三对拾波线圈和该组拾波线圈中的相距二分之一球间距的第二/第四对拾波线圈的至少一个不平衡电路，该不平衡电路被设置为接收来自拾波线圈的信号，并且包括一个被设置为接收和调整来自拾波线圈的模拟信号的电位计和一个减法电路；

其中该组拾波线圈中的第一拾波线圈被设置为接收一个比该组拾波线圈中的第三拾波线圈的信号幅度低的信号，该组拾波线圈中的第四拾波线圈被设置为接收一个比该组拾波线圈中的第二拾波线圈的信号幅度低的信号，

并且用于第一/第三对拾波线圈的电位计可操作地通过增加第一拾波线圈信号的幅度的一部分来增大第一拾波线圈信号的幅度，减法电路可操作地从增大的第一拾波线圈信号中减去第三拾波线圈信号的幅度以提供在数学计算中使用的第一信号，

并且用于第四/第二对拾波线圈的电位计可操作地通过增加第四拾波线圈信号的幅度的一部分来增大第四拾波线圈信号的幅度，减法电路可操作地从增大的第四拾波线圈信号中减去第二拾波线圈信号的幅度以提供在数学计算中使用的第二信号。

14.一种确定位置检测器的第一部件相对于第二部件的位移的方法，该位置检测器包括所述第一部件、所述第二部件、变换器、至少一个模数信号转换器、和至少一个数字信号处理器，其中第一部件承载有一个由磁性材料元件构成的元件链，这些元件具有一个中心轴，在一行中并排设置，相互接触并限制相对移动，其中该链在垂直于中心轴的方向具有变化的尺寸；

第一和第二部件可以在平行于中心轴的方向相对移动；

第二部件承载该变换器；

变换器包括发送和感测装置，感测装置包括至少一个设置在元件链附近并提供模拟信号的拾波线圈，该模拟信号的幅度取决于由于拾波线圈与最接近拾波线圈的元件链边沿之间距离的变化而导致的第一和第二部件的相对位置；

该方法包括以下步骤：利用发送装置产生一个通过元件链的磁场；利用拾波线圈检测在第一和第二部件相对移动期间由于拾波线圈与最接近拾波线圈的元件链边沿之间距离的变化、而产生的磁场变化；利用模数信号转换器把来自所述至少一个拾波线圈的模拟信号转换为数字信号；以预定的间隔对数字信号进行抽样；以及使用信号幅度的取决于第一和第二部件相对位置的变化，确定第一部件相对于第二部件的位置。

15.根据权利要求14所述的方法，包括：在抽样步骤之后，把来自第一组拾波线圈的信号幅度随信号位置的变化与来自第二组拾波线圈的信号幅度随信号位置的变化进行比较，并调整幅度以从第一和第二组拾波线圈产生具有基本上相同幅度的信号。

16.根据权利要求14所述的方法，其中在位置检测器中，该元件链包括多个基本上球形的、相同的磁性材料球，这些球以点接触方式并排设置成一行，第一和第二部件可以在平行于球之间的接触点连线的方向相对移动，并且感测装置包括至少两个拾波线圈，这两个拾波线圈靠近元件链设置并且沿着元件链间隔一定距离；

其中该方法进一步包括：  在抽样步骤之后，计算来自至少一个拾波线圈的第一抽样信号的幅度与来自至少另一个拾波线圈的第二抽样信号的幅度的比率的反正切值；确定在信号的波动轴之上或之下的每个抽样信号的相对幅度和它们的相应位置；以及通过使用抽样信号的幅度的比率的反正切值、相对于该轴的相对幅度和它们的位置、和一个常数进行数学计算以确定第一部件对第二部件的相对位置，该常数由随位置变化的信号的峰值幅度和一个球尺寸确定。

17.根据权利要求16所述的方法，其中随位置变化的信号的峰值幅度通过与预定校准值的比较来确定。

18.根据权利要求16所述的方法，其中在数学计算的常数中使用的随位置变化的信号的峰值幅度通过在使用期间在一段时间内对随位置变化的信号的峰值幅度进行抽样来确定。

19.根据权利要求16所述的方法，其中在抽样步骤之前，把在信号波动轴之上的随位置出现的信号幅度与该轴之下的对应信号的幅度进行比较，并调整信号幅度以产生在该轴之上和之下具有基本上相同幅度的对称信号。

20.根据权利要求14所述的方法，其中发送装置被设置为产生一个随时间呈周期性变化的磁场，并且对数字信号进行抽样的步骤在基本上靠近随时间变化的峰值幅度进行抽样。

21.根据权利要求14所述的方法，其中在对数字信号进行抽样的同时监视并调整信号的抽样以便在基本上靠近随时间变化的信号峰值幅度进行抽样。

22.根据权利要求16所述的方法，其中变换器包括与所述一行球靠近并沿着该行球间隔四分之一球间距的至少一组四个拾波线圈；其中该方法包括：在检测磁场变化的步骤之后，测量该组拾波线圈中的相距二分之一球间距的第一/第三对拾波线圈和该组拾波线圈中的相距二分之一球间距的第二/第四对线圈的信号中的幅度差，并把信号发送到电位计以减小两对信号之间的幅度差。

23.根据权利要求16所述的方法，其中通过为变换器提供以下元件来减小抽样信号中的幅度差：

至少一组四个拾波线圈，这些线圈相互靠近设置并且沿着所述一行球间隔四分之一球间距，

和分别用于该组拾波线圈中的相距二分之一球间距的第一/第三拾波线圈和该组拾波线圈中的相距二分之一球间距的第二/第四拾波线圈的至少一个不平衡电路，该不平衡电路被设置为接收来自拾波线圈的信号，并包括一个被设置为接收和调整来自拾波线圈的模拟信号的电位计和一个减法电路；

并且包括以下步骤：设置该组线圈中的第一拾波线圈来接收比该组线圈中的第三拾波线圈的信号幅度低的信号，并设置该组线圈中的第四拾波线圈来接收比该组线圈中的第二拾波线圈的信号幅度低的信号，

通过使用一个电位计增加第一拾波线圈信号的幅度的一部分来增大第一拾波线圈信号的幅度，并使用减法电路从增大的第一拾波线圈信号中减去第三拾波线圈信号的幅度，以提供数学计算中使用的第一信号，

并通过使用另一个电位计增加第四拾波线圈信号的幅度的一部分来增大第四拾波线圈信号的幅度，并使用减法电路从增大的第四拾波线圈信号中减去第二拾波线圈信号的幅度，以提供数学计算中使用的第二信号。

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