TWI628527B

TWI628527B - Programmable linear displacement sensing device

Info

Publication number: TWI628527B
Application number: TW106100867A
Authority: TW
Inventors: 鄧立國
Original assignee: 加銳企業有限公司
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2018-07-01
Also published as: TW201826056A

Abstract

本發明係揭露一種可程式線性位移感測裝置，包含依序電氣連接之一讀取頭、一波形處理單元、一A/D轉換單元、一控制單元、及至少一輸出連接埠。該讀取頭係用以對被測物提供一磁場，且磁場會因被測物的位移(或遠近)而相對變化，使讀取頭可依磁場之變化輸出一磁電訊號。該波形處理單元係對接收之磁電訊號進行雜訊去除。該A/D轉換單元係將連續之磁電訊號轉換成一數位信號。該控制單元用以儲存並執行預先載入之一程式，且接收數位信號進行編碼，另於後續作動時依程式設定，將接收之數位信號匹配編碼，選擇性的對應輸出至少一運算訊號。該輸出連接埠係用傳遞該運算訊號，並提供外部設備連接。藉由上述單元之組成，用以對一被測物之運動進行量測，並取得相對或絕對位置等資訊，達成單一信號源輸入多種感測資訊輸出之需求。

Description

可程式線性位移感測裝置

本發明係有關於一種位置量測之技術領域，尤其是指可單一信號源輸入多種感測資訊輸出之一種可程式線性位移感測裝置。

於工業自動化中，位置量測乃是一重要任務。諸如電腦化數值控制工具機(computed numerically controlled(CNC)machines)、鑽頭(drill bits)、機器人手臂(robot arm)、雷射切割器(laser cutter)之裝置等等，都需要精確的位置量測以用於反饋控制(feedback control)。期望以高取樣率(sampling rate)進行位置量測以致於能進行反饋控制。

舉例言之，常見光學編碼器(optical encoder)係用以量測絕對或相對位置。典型而言，具有規律性間隔標記之標尺(scale)與感測器一起使用，用以量測介於兩個標的間之相對位置。常見之光學編碼器依功能大致可區分：增量式線性編碼器(Incremental linear encoder)僅能量測位於該標尺上標記內之相對位置。

相對位置編碼器(relative position encoder)係持續追蹤橫越過標記之數量以判定相對位置。

絕對位置編碼器能判定絕對位置，且絕對位置編碼器(absolute position encoder)不需要記憶體及電源以儲存最後的位置，因此適用於某些應用中。此外，絕對位置編碼器係能於啟動時提供一絕對位置，而相對位置編碼器典型而言需要去定位起始位置(start point)，於某些應用時可能並不實用。

習知絕對位置編碼器，需使用獨特的編碼樣式以量測每一個位置。儘管此種編碼器係使用標尺，惟只有在樣式改變時，才會判定有位置改變。於此情形中，位置估計(position estimate)之解析度受限於該樣式之解析度。

同樣的，習知相對線性編碼器，利用光學偵測標尺上之標記以量測線性位置，該標記係平行於讀取頭(readhead)固設於一預設位置。然而，所得到之位置解析度亦被標尺上之標記解析度所限定。舉例言之，於該標尺上之標記係可能以40微米(micron)之解析度列印，故其精度被限制在40微米(micron)以下，而無法高於40微米。

為了增進解析度，曾有業者提出教案，使用兩個標尺，各標尺於檢測方向上對齊且具有週期之標尺樣式，例如白色及黑色之標記。該標尺係由一側被照亮，且一光二極體係感測到穿透該兩個標尺至另一側之光線，隨著該標尺相對彼此移動，該光二極體之信號係介於一最大及一最小之強度值(intensity value)間變化。使用一解調程序(demodulation process)以判定該信號之相(phase)，其係被轉變為相對位置，該相對位置係能以高於標尺解析度的解析度被還原。

然而，此種設計僅提供相對位置。為了擁有判定絕對位置之能力，某些複合式編碼器係使用額外的標尺，如此反增加了系統之成本與複雜性。此種複合式編碼器係使用個別之標尺來量測增量位置與絕對位置，但該複合式編碼器需要使用兩個讀取頭，第一讀取頭用以讀取該增量位置，且第二讀取頭用以讀取該絕對位置。

由上述習知編碼器之結構與限制可知，都需配合一標尺，緃是使磁性碼碼器亦需配合一磁尺使用，且都無法解決使用單一編碼器取得之單一感測訊號，同時輸出相對位置與絕對位置等多種資訊之需求。除此之外，上述光學式或磁性編碼器，都十分容易受環境之清潔、溫度等等影響，導致精準度的喪失。

有鑑於上述習知技藝之問題與缺失，本發明之主要目的，乃在於提供一種可程式線性位移感測裝置，藉由結構的設計，提供單一信號源輸入多種感測資訊輸出之需求。

本發明之另一目的，在於提供一種可程式線性位移感測裝置，藉由結構的設計，克服習知光學編碼器或磁性編碼器結構上之缺失與量測資訊提供上之限制。

根據本發明上述目的，提出一種可程式線性位移感測裝置，包含依序電氣連接之一讀取頭、一波形處理單元、一A/D轉換單元、一控制單元、及至少一輸出連接埠。該讀取頭係用以對被測物提供一磁場，且磁場會受被測物的位移(或遠近)而變化，使讀取頭可依磁場之變化輸出一磁電訊號。該波形處理單元係對接收之磁電訊號進行雜訊去除。該A/D轉換單元係將連續之磁電訊號轉換成一數位信號。該控制單元用以儲存並執行預先載入之一程式，且接收數位信號進行編碼，另於後續作動時依程式設定，將接收之數位信號匹配編碼，選擇性的對應輸出至少一運算訊號。該輸出連接埠係用傳遞該運算訊號，並提供外部設備連接。藉由上述單元之組成，對一被測物之運動量測，並取得相對或絕對位置等資訊，達成單一信號源輸入多種感測資訊輸出之需求。

1‧‧‧讀取頭

12‧‧‧磁性體

14‧‧‧磁感測單元

2‧‧‧波形處理單元

3‧‧‧A/D轉換單元

4‧‧‧控制單元

44‧‧‧訊號/資料輸出埠

46‧‧‧程式輸入埠

5‧‧‧輸出連接埠

M‧‧‧磁電訊號

MS1、MS2‧‧‧連續曲線

S‧‧‧行程

D‧‧‧數位信號

M0-M10‧‧‧區段

S10-S0‧‧‧區段

B1、B2‧‧‧殼體

第1圖係本發明實施例方塊示意圖。

第2圖係本發明讀取頭實施例示意圖。

第3圖係本發明讀取頭另一實施例示意圖。

第4圖係本發明磁電訊號示意圖。

第5圖係第4圖所示施實例轉換示意圖。

第6圖係第5圖所示施實例轉換示意圖。

第7圖係本發明另一實施例方塊示意圖。

第8圖係本發明再一實施例方塊示意圖。

以下請參照相關圖式進一步說明本發明可程式線性位移感測裝置實施例，為便於理解本發明實施方式，以下相同元件係採相同符號標示說明。

請參閱第1至6圖所示，有關可程式線性位移感測裝置，係用以對具導磁之被測物P進行線性運動時之量測；其包含一讀取頭1、一波形處理單元2、一A/D處理單元3、一控制單元4、及至少一個輸出連接埠5。

上述讀取頭1(如第1至4圖所示)，係用以對一被測物P(導磁體)提供一磁場，且該磁場會受被測物P的位移(或遠近)位置而變化，讓讀取頭1可依磁場之變化輸出一磁電訊號M。所述讀取頭1包含一磁性體12及一磁感測單元14。所述磁性體12 透過不同之磁極排列方式，可於讀取頭1前端形成預期之磁場(磁力線)分布，當被測物P趨近磁性體12時會令磁場(磁力線)分布變化，而磁感測單元14係配置於磁性體12之前方，依磁場(磁力線)分布變化連續輸出一磁電訊號M，該磁電訊號M大小與被測物P讀取頭1之位移量呈正比(距離呈反比)。實施時，磁感測單元14係由磁阻元件所組成之電路。

例如第2、4圖所示實施例中，緃軸代表為磁電訊號M的大小(數字越大表示磁電訊號M越強)，而橫軸則是被測物P行程S中經讀取頭1之位移量(數字越大表示經讀取頭1之位移量越大)；由於該磁電訊號M大小與被測物P行經讀取頭1之位移量呈正比，故磁電訊號M會呈現一趨勢上升之連續曲線MS1。

又例如第3、4圖所示實施例中，緃軸代表為磁電訊號M的大小(數字越大表示磁電訊號M越強)，而橫軸則是被測物P行程S中相對讀取頭1之距離(數字越大表示距離越遠)；由於該磁電訊號M大小與被測物P相距讀取頭1之距離呈反比，故磁電訊號M會呈現一趨勢下降之連續曲線MS2。

上述波形處理單元2，係與讀取頭1電氣連接，對接收之磁電訊號M進行雜訊去除，將取樣區間外之磁電訊號M加以去除，避免雜訊的干擾以及後續無效之虛功轉換。

上述A/D轉換單元3(A/D conversion unit)，請參閱第4至5圖，係將連續之磁電訊號M轉換成階梯形狀之數位信號D，利用此一轉換將磁感訊號M所構成之連續曲線MS1、MS2，轉換成一連續階梯形狀之數位信號D。

常見作法取第4圖之連續曲線MS2作說明，可將磁感訊號M所構成之連續曲線MS2對應行程S及磁電訊號M大小，分割成若干數區段；例如磁電訊號M由小至大分成M0-M10 區段，對應行程S分成S0-S10區段，如此便可取得一連續階梯形狀之數位信號D，亦可精准的對應被測物P於行程S中的任一位置及其磁電訊號M的大小，當然前述之區段可依精密度要求變化設計。上述之舉例並不作為本發明實施之限定。

上述控制單元4，係為一單晶片用以儲存並執行使用者預先載入之程式或設定。接收A/D轉換單元3輸出被測物P整個行程S之數位信號D並對其編碼，用於後續感測作動時可依使用者設定，將接收之數位信號D匹配編碼，且依程式對應編碼所作之設定，選擇性的輸出至少一運算訊號。

請參閱第5、6圖所示，常見作法係將由多數磁電訊號M所構成之連續曲線MS1、MS2，對應行程S及磁電訊號M分割成若干數區段，並對交叉之格點進行編碼(如第6圖之二進制碼)，而取樣之格點可依精密度要求變化設計，如此便可定義行程S中任一位置(磁電訊號M)之編碼。上述之舉例並不作為本發明實施之限定。

該控制單元4，係與A/D轉換單元3電氣連接，用以接收該數位信號D提供控制單元運算4(對應編碼)，該控制單元4具有至少一個以上之訊號/資料輸出埠44、及一程式輸入埠46。所述訊號/資料輸出埠44係用以提供控制單元4輸出運算訊號，且該訊號/資料輸出埠44並與輸出連接埠5電氣連接。所述程式輸入埠46係用以提供外部電腦(控制器)連接(圖中未示)，並接收外部電腦輸入之運算程式或相關設定，以便使用者程式化控制單元4之設定及對應各訊號/資料輸出埠44輸出運算訊號等。實施時，該程式輸入埠46包含(但不限)USB插座、RS232插座、排線端子插座、藍芽模組等形態，提供外部電腦(控制器)以有線或無線方式連接。

上述輸出連接埠5，係用以提供外部設備(圖中未示)電氣連接之端口，包含(但不限)電氣接點(焊接點)、接頭、插座、訊號線等等。

是以，上述即為本發明所提供一較佳實施例可程式線性位移感測裝置，各部構件及組裝方式之介紹，茲再將本發明之實施例作動特點介紹如下。

首先，讀取頭1對應被測物P線性移動之路徑設置，以感測被測物P移動狀態，例如該被測物於移動路徑S之絕對位置，或被測物P相對讀取頭1之相對位置。

由於被測物P移動行程S的各個位置，其對讀取頭1之磁變化量已被記錄，故假設當被測物P於行程S中運動時，讀取頭1會依被測物P位置反應不同之磁電訊號M至A/D轉換單元3，讓A/D轉換單元3將磁感訊號M轉換成數位信號D，並傳遞至控制單元4讓其進行比對，以取得對應之編碼，繼而依使用者預先之設定，選擇性的對應訊號/資料輸出埠44輸出運算訊號，如此連接於輸出連接埠5之外部設備，則可取得該運算訊號，以利對被測物P位移運動之反饋控制。

由於被測物P於行程S中的各點都被編碼化，故緃使電力中斷後再次回覆時，被測物P無需返回原點，本發明之可程式線性位移感測裝置，仍可直接取得該被測物P於行程S中任一位置資訊。

請參閱第7圖所示，係本發明可程式線性位移感測裝置另一實施例，係將讀取頭1、波形處理單元2、A/D處理單元3、控制單元4、及輸出連接埠5總成容置於一殼體B1內。

請參閱第8圖所示，係本發明可程式線性位移感測裝置再一實施例，係將波形處理單元2、A/D處理單元3、控制單元4、及輸出連接埠5總成容置於一殼體B2內，而讀取頭1則遠離殼體B2設置，並配合導線電氣連接波形處理單元2。

以上所述說明，僅為本發明的較佳實施方式而已，意在明確本發明的特徵，並非用以限定本發明實施例的範圍，本技術領域內的一般技術人員根據本發明所作的均等變化，以及本領域內技術人員熟知的改變，仍應屬本發明涵蓋的範圍。

Claims

一種可程式線性位移感測裝置，係用以對具導磁性之一被測物進行線性運動之量測，其包含：一讀取頭，係用以對該被測物提供一磁場，且該磁場會受該被測物的位移(或遠近)位置而變化，該讀取頭並依該磁場之變化輸出一磁電訊號，該讀取頭，包含一磁性體及一磁感測單元；該磁性體，透過不同的磁極排列方式，可於讀取頭前端形成預期之該磁場分布；該磁感測單元，係由磁阻元件所組成之電路，配置於該磁性體之前方，依該磁場分布變化輸出該磁電訊號；一波形處理單元，係與該讀取頭電氣連接，對接收之該磁電訊號進行雜訊去除，將取樣區間外之磁電訊號加以去除；一A/D轉換單元，係與該波形處理單元電氣連接，將連續之該磁電訊號轉換成一數位信號；一控制單元，係與該A/D轉換單元電氣連接，用以儲存並執行預先載入之一程式，且接收該數位信號進行編碼後，於後續作動時依該程式之設定，將接收之該數位信號對應編碼，選擇性的輸出至少一運算訊號；以及至少一輸出連接埠，係與該控制單元電氣連接，並提供外部裝置電氣連接，以傳遞該運算訊號。
如申請專利範圍第1項所述之可程式線性位移感測裝置，其中該輸出連接埠係為電氣接點(焊接點)、接頭、插座或導線。
如申請專利範圍第1項所述之可程式線性位移感測裝置，其中該控制單元具有及至少一個以上之訊號/資料輸出埠；該訊號/資料輸出埠係用以提供該控制單元輸出運算訊號，且與該輸出連接埠電氣連接。
如申請專利範圍第1項所述之可程式線性位移感測裝置，其中該控制單元更包含有一程式輸入埠，該程式輸入埠係為USB插座、RS232插座、排線端子、或藍芽模組，提供外部設備以有線或無線方式連接。