CN101206126A - 用于绝对位置测量的绝对型圆容栅传感器测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种能够测量大角度范围的绝对位置测量装置，这种测量装置具有高精度高分辨率特性，并且数据处理容易。以传统增量型容栅传感器为基础、采用圆容栅技术加微处理器程序处理进行角度测量，在含有圆容栅传感器、测量信号处理部分、数据处理部分和显示部分的测量装置中，使得圆容栅传感器含一个粗分传感器和一个细分传感器，细分传感器节距分值大于粗分传感器的二个分辨率，粗、细分传感器有共同的起始零点，栅极各自独立，有相对固定的物理位置，无电气相干性；其在单节距测量范围内有唯一的绝对位移量值。

Description

用于绝对位置测量的绝对型圆容栅传感器测量装置

技术领域：

本发明涉及角度测量装置，具体为涉及测量物体角度绝对位置的绝对型圆容栅传感器测量装置。

现有技术：

进行角度测量的现有的许多电容型测试装置，所用的电容传感器通常为变面积型，通过检测可动极片相对于固定极片的耦合变化信息，实现对可动件与固定件相互间的夹角变化量测量。具体实现的方法有增量型和绝对型。传统绝对型受电容极片耦合量的限制，只能作小角度的绝对位置测量，应用范围很小。增量型为应用容栅传感器技术通过连续读取系列栅极耦合的周期性改变的相位信号来实现大范围的测量。然而增量型有如下问题，a、必须连续读取周期性改变的相位信号，设备总是处于计算状态，如果可动元件运动太快，相位信号高速变化，必须增加计算响应速度，以便高速计算这个相位信号的变化。b、一旦计算出错，如果用户没有发现这个错误，则出现测量错误。为了校正测量，必须对可运动元件作零位调整。c、一旦掉电，当在下次使用时，必须重新设定可运动元件的基准位置。为了克服增量型的缺陷，日本三丰株式会社在专利US4420754及后续专利CN89106051《位置绝对测量用电容型测试装置》，CN93107991《用于绝对位置的测量的电容型测量器具》，CN93117701《用于绝对位置测量的测量装置》等文献中，提出了采用检测多个具有不同周期的起源于可运动元件的运动的相位信号的方法来实现绝对位置的位移测量，但由于其多个具有不同周期的信号高度相关，都是建立在测量粗，细分信号间的相位差的基础上，为了计算绝对位置，要求一种用于计算在粗相位信号周期内的细相位信号的过程，利用适合于具有不同相位周期的相位信号的逻辑操作，利用非常复杂的操作步骤，测量每个周期，对该相位信号进行合成。此外，相当于基准信号计算计数脉冲需要同步调制控制，这是非常复杂的。为了增加测量精度，可能利用三种不同模式的信号，即粗模式、中间模式和细模式。这种方法数据处理复杂，数据显示不能总是跟随可运动元件的快速运动，如果试图更高速地进行数据处理，则必须增加数据处理装置的尺寸，导致该方法不适用于手动工具类型的测量仪器。此外日本三丰株式会社的专利CN03103875《绝对位置测量设备》还提出了由两组彼此有相对转动的旋转编码器组成，通过比较两组相位信号，从而获得不同相位信号之间的相位差，根据相位差计算可运动元件的绝对位置的方法。不过所有这些设想和方法，都由于对栅极位置要求过高及信号处理IC的复杂性，或者由于结构复杂等，导致其无法及时推出低成本、可靠的实用产品来普及应用。

发明内容：

本发明的目的是提供一种能够测量大角度范围的绝对位置测量装置，这种测量装置具有高精度高分辨率特性，并且数据处理容易。

本发明以传统增量型容栅传感器为基础、采用圆容栅技术加微处理器程序处理进行角度测量，在含有圆容栅传感器、测量信号处理部分、数据处理部分和显示部分的测量装置中，使得圆容栅传感器含一个粗分传感器和一个细分传感器，细分传感器节距分值大于粗分传感器的二个分辨率，粗、细分传感器有共同的起始零点，栅极各自独立，有相对固定的物理位置，无电气相干性；其在单节距测量范围内有唯一的绝对位移量值。

本发明的用于绝对位置测量的绝对型圆容栅传感器测量装置，其中：圆容栅传感器为反射式二片式结构，定栅板上有同板同心的与粗分传感器对应的粗分发射极和接收极及与细分传感器对应的细分发射极和接收极，动栅板上与发射极、接收极对应的投影位置上设有粗分反射极和细分反射极、屏蔽极。

本发明的用于绝对位置测量的绝对型圆容栅传感器测量装置，其中的圆容栅传感器也可以为透射三片式结构，发射板上有同板同心的与粗分传感器对应的粗分发射极和与细分传感器对应的细分发射极，接收板上与发射极对应的投影位置上设有粗分接收环和细分接收环，屏蔽隔板上开有与粗分发射极和细分发射极相对应的透射窗口。

本发明中，测量信号处理部分容栅IC分别有粗分信号处理电路和细分信号处理电路。

也可以在只有一个测量信号处理电路的测量信号处理部分容栅IC与圆容栅传感器之间有对粗分接收信号、细分接收信号进行选通并送往测量信号处理部分容栅IC的开关电路。

本发明的数据处理部分有含I/O、RAM、ROM、CPU的微处理器。微处理器只读取容栅IC输出的粗、细分单节距内的位移数据，并作加、减脉冲当量数的计算处理，以强制保证其准确组合粗、细分传感器绝对位置数据。

本发明还可以增设一个计量转动圈数的并将计量数据传送给数据处理部分的装置。

本发明以增量型容栅传感器为基础、采用圆容栅技术加微处理器程序处理进行角度测量；在一个整圆周的测量范围内，由两个增量圆传感器组成；一个粗分传感器，一个细分传感器；根据容栅原理，在一个节距内，其输出信号值与容栅所处的位置具有一一对应的关系。对360度的整圆周，粗分传感器设为一个节距，因而在360度内有固定值。细分传感器可根据需要确定圆周节距数，理论上节距数只要大于粗分节距的一个分辨率即可。但由于传感器存在加工和装配误差，为保证绝对型圆容栅传感器可靠稳定工作，通常将细分节距数按大于粗分节距的十个分辨率以上来选取。例如，粗分传感器在360度的整圆周上为一个节距，细分传感器在360度的整圆周上取18节距，一个节距内的脉冲当量数设定为512个十进制数，即粗分数据每脉冲当量相当于360/512≈0.7度，细分数据每脉冲当量相当于360/18/512≈0.04度。细分传感器取不同的节距数，可得到不同的分辨率。从实用的需求考虑，可经济地做到0.01度的分辨率。测量时，通过分别对独立的粗分容栅和细分容栅传感器作节距内测量，经微处理器对粗节距和细节距数据组合并剔除误差后即得到整圆周的绝对位置数据。(如十位以上数按粗分传感器数据取整，十位以下数取细分传感器数据。对在进位点的数据，为了消除传感器误差影响，先读取细分传感器的数据，再根据其是在进位后数值还是进位前数值，对检测到的粗分数据作加、减若干脉冲当量数的处理，以强制保证其准确进位，消除粗、细分传感器误差对合并数据结果的影响)。对大于一个整圆周的绝对位置测量，只需增加一个检测圈数的装置，将所处的圈位置数值送给微处理器作合并数据处理即可实现大于360度的绝对位置测量。

本发明，通过采用微处理器将多个(两个以上)增量型圆容栅传感器单节距检测数据在剔除误差后再组合数据的形式，实现了角度的大范围的绝对位置测量。继承和发扬了增量型圆容栅传感器容易达到的高精度高分辨率特性，并且由于只需作单节距内数据检测，根据容栅传感器在单节距内数据只与其所处位置有关的特性，任何时候读取的数据都是唯一与其所处位置有关的数据，从而避免增量型传感器在现有技术存在的测速和需连续检测等问题。

本发明采用的两个增量型容栅传感器栅极各自独立，无电气相干性，可各自独立工作，测量线路及处理技术沿用现有成熟技术即可。从而避免有些现有技术存在的对栅极位置要求过高及信号处理IC的复杂性问题。

本发明采用的两个增量型容栅传感器栅极虽然各自独立，无电气相干性，但也可以通过开关电路分时处理技术共用同样的驱动信号，共用同样的测量线路及处理电路。使得只需一个现在常用的增量型容栅信号处理IC与微处理器结合亦达到进行绝对测量的目的。有利于微处理器的数据信号同步与避免组合误差，并发挥目前成熟的增量型容栅传感器的技术优势，减少开发成本和开发周期。

本发明的容栅结构采用透射式设计，并使两组粗、细分容栅极片同板同心，彼此物理位置恒定。一可减少体积，适合小体积要求的场合使用，二能避免装配误差的影响，并降低构件加工精度的要求，从而降低成本。

本发明通过采用微处理器将两个以上增量型圆容栅传感器单节距检测数据在剔除误差后再组合数据的形式，充分发挥微处理器在程序处理数据的灵活性，只需进行简单的编程处理，即可方便地剔除两个增量型传感器存在的误差对合并数据的影响。避免有些现有技术采用硬件处理的方式所带来的高复杂性和不确定性，加快产品的开发周期。

附图说明：

图1是本发明一种形式的电路原理框图；

图2是本发明的另一种形式的电路原理框图；

图3是本发明的带开关电路的形式的电路原理框图；

图4是本发明的透射三片式绝对型圆容栅传感器示意图；

图5是本发明的反射二片式绝对型圆容栅传感器示意图。

具体实施方式：

下面结合附图3实施例，进一步说明本发明。

参照图3、图4，本发明的测量装置包括：传感器部分发射板1，屏蔽隔板2，接收板3，测量信号处理部分开关电路4，容栅IC5，数据处理部分6，显示部分7，转轴8等。其中发射板1上同心设计有两种发射栅极——细分发射极11和粗分发射极12，细分发射极11每组有8个驱动极，在圆周上按18节距均分为18组，每组发射极扇形夹角为20度，为方便PCB板布线，对称使用了其中的14组；粗分发射极12也是每组有8个驱动极，在圆周上按1个节距分成1组，即将此8个驱动极与细分发射极在圆周上同圆心等分成一组，每组发射极夹角为360度。粗、细分发射极每组与容栅信号处理IC5中的八路调制脉冲驱动电路53输出的8路驱动信号电气相连。粗/细分发射极至少各含有一个发射极片在圆周上同起点，驱动信号同相位。在接收板3上与发射板1对应的投影位置上设有细分接收环31和粗分接收环32，分别与发射板上的细、粗分发射极形成电容耦合，组成容栅电容器，其上设有引出脚将接收到的调制信号分别传输到开关电路4的两个信号输入端。

屏蔽隔板2上开有透射窗口21和透射窗口22，透射窗口21按18节距开设，对应细分发射极；透射窗口22按1个节距开设，对应粗分发射极。屏蔽隔板2上除透射窗口外为屏蔽极23，为接地层；发射极电信号只能透过透射窗口与接收极偶合。屏蔽隔板2与转轴8固连，在转轴8的带动下可绕中心转动，使得发射极与透射窗口的投影面积发生改变，落到接收极板上的电信号亦跟随同步变化。即八路调制脉冲驱动信号通过发射板1上的细分发射极11，屏蔽隔板2的透射窗口21，在接收板上接收极31得到与转轴转角有关的细调制信号；八路调制脉冲驱动信号通过发射板1上的粗分发射极12，屏蔽隔板2的透射窗口22，在接收板上接收极32得到与转轴转角有关的粗调制信号；

开关电路4通过微处理器的控制对粗、细传感器接收极信号进行选通并送往测量信号处理部分容栅IC5的输入极，以保证测量信号处理部分容栅IC5在每次微处理器的读数周期内，正确处理选定的粗或细分传感器信号数据。

测量信号处理部分容栅IC5为传统容栅集成电路测量信号技术，包括振荡电路51、分频电路52、八路调制脉冲驱动电路53、解调与放大路54，鉴相与计算电路55、寄存器56等，每个节距周期产生512个脉冲当量的数据。

数据处理部分微处理器6包含I/O端口61用于接受中断信号并传递给中央处理器63(CPU)，并将CPU处理后的数据传给显示驱动电路7驱动LCD显示。微处理器按三线异步采样方式读取容栅IC5的输出数据，根据程序需要，产生EA请求信号，该信号同时与开关电路4的控制端相连，使测量信号处理部分的容栅IC5按需处理选定的粗或细分传感器信号数据，并读取容栅IC5输出数据，中央处理器63根据读入细分和粗分二进制数据，并取其不大于一个节距的低位数据。通常，一个节距内的脉冲当量数不大于512个十进制数，即粗分数据每脉冲当量相当于360/512≈0.7度，细分数据每脉冲当量相当于360/18/512≈0.04度。为方便将粗分数据和细分数据合并，粗分数据按整十度倍数取数(即脉冲当量数在0～14个数时合并角度数取为零个脉冲当量，相当于粗分数据十位为零，脉冲当量数在15～28个数时合并角度数取15个脉冲当量，相当于粗分数据十位为1，余类推)，作为十位及以上数据源，细分数据只取不大于10度的脉冲当量数，作为个位及小数后的数据源；粗细分数据相加即得到一个整圆内的绝对位置脉冲当量数，将此数据减去设定基点零位的绝对脉冲当量数(该数据可用同样方法在清零按键操作时读取，记忆在RAM64内)，并作脉冲当量与度数转换和十进制变换，再将处理完成的数据送LCD进行显示即可实现转轴的转动角度的测量。由于粗分传感器和细分传感器存在制造误差，在读取进位点的数据时往往会有较大的误差，为了消除误差影响，微处理器程序先读取细分传感器的数据，再根据其是在进位后数值还是进位前数值，对检测到的粗分数据作加、减若干脉冲当量数的处理，以强制保证其准确进位，消除粗、细分传感器误差对合并数据结果的影响。

Claims (7)

1.用于绝对位置测量的绝对型圆容栅传感器测量装置，含有圆容栅传感器、测量信号处理部分、数据处理部分和显示部分，其特征在于：圆容栅传感器含一个粗分传感器和一个细分传感器，细分传感器节距分值大于粗分传感器的二个分辨率，粗、细分传感器有共同的起始零点，栅极各自独立，有相对固定的物理位置，无电气相干性；其在单节距测量范围内有唯一的绝对位移量值。

2.根据权利要求1所述的用于绝对位置测量的绝对型圆容栅传感器测量装置，其特征在于：圆容栅传感器为反射式二片式结构，定栅板上有同板同心的与粗分传感器对应的粗分发射极和接收极及与细分传感器对应的细分发射极和接收极，动栅板上与发射极、接收极对应的投影位置上设有粗分反射极和细分反射极、屏蔽极。

3.根据权利要求1所述的用于绝对位置测量的绝对型圆容栅传感器测量装置，其特征在于：圆容栅传感器为透射三片式结构，发射板上有同板同心的与粗分传感器对应的粗分发射极和与细分传感器对应的细分发射极，接收板上与发射极对应的投影位置上设有粗分接收环和细分接收环，屏蔽隔板上开有与粗分发射极和细分发射极相对应的透射窗口。

4.根据权利要求1所述的用于绝对位置测量的绝对型圆容栅传感器测量装置，其特征在于：测量信号处理部分容栅IC分别有粗分信号处理电路和细分信号处理电路。

5.根据权利要求1所述的用于绝对位置测量的绝对型圆容栅传感器测量装置，其特征在于：在只有一个测量信号处理电路的测量信号处理部分容栅IC与圆容栅传感器之间有对粗分接收信号、细分接收信号进行选通并送往测量信号处理部分容栅IC的开关电路。

6.根据权利要求1所述的用于绝对位置测量的绝对型圆容栅传感器测量装置，其特征在于：数据处理部分有含I/O、RAM、ROM、CPU的微处理器。微处理器只读取容栅IC输出的粗、细分单节距内的位移数据，并作加、减脉冲当量数的计算处理，以强制保证其准确组合粗、细分传感器绝对位置数据。

7.根据权利要求1所述的用于绝对位置测量的绝对型圆容栅传感器型测量装置，其特征在于：有计量转动圈数的并将计量数据传送给数据处理部分的装置。

Images