CN102914248A - 被动式线性编码器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及线性编码器技术领域，特别是一种被动式线性编码器；包括设置有若干均匀排列且发射表面形状相同的电极条的静尺、为静尺提供激励信号的信号发生器、与静尺相平行的滑动读头、调制信号接收/处理器，静尺上设置有导电条，导电条与滑动读头构成电容的两极并感应上滑动读头上的调制信号；导电条的一端与调制信号接收/处理器相联接并把导电条上感应的调制信号传送到所述调制信号接收/处理器；由于滑动读头无需供电和通过其它导线传送信号，所以滑动读头完全不需要导线连接，因此省去了固定导线的拖链，这样既节省成本又缩小了设备的尺寸，特别是在长时间、超高速运动的情况下，本发明大大提高了线性编码器的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及线性编码器技术领域，特别是一种被动式线性编码器。
背景技术
线性编码器是把直线位移转换成电信号的传感器，是以求出直线运动的移动体的移动量为目的的装置。这种线性编码器通过输出与安装在移动体的移动部的滑动读头和安装在移动体的固定部位上的静尺的相对位置变化对应的位置检测信号，从而求出移动体的移动量。
线性编码器按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种。接触式一般不适合高速运动场合，耐用性差，所以不在讨论范围。非接触式线性编码器一般包括静尺和滑动读头。静尺上有刻度信息，滑动读头一般安装在被测物体上，随被测物体一起运动，通过与静尺的刻度信息比较，输出位移信号。
如图1所示的传统容栅尺线性编码器，激励信号发生器2把其产生的激励信号传送给静尺，滑动读头3上的信号解调电路接受静尺发送的激励信号并耦合位移信息产生调制信号，调制信号通过调制信号接收/处理器4进行放大、滤波、解调，然后再滤波可以得到位置信息。在此方案中，滑动读头3与调制信号接收/处理器4之间由于需要传送调制信号因此需要导线6，同时滑动读头3上的信号解调电路因为含有信号放大器、解调和滤波电路，需要供电，导线6也是必不可少的。
目前主要的线性编码器包括光栅尺线性编码器、磁栅尺线性编码器和容栅尺线性编码器，这些线性编码器被广泛运用于机床和自动化设备中。但是这些线性编码器都有一个明显的不足和问题，那就是滑动读头都需要拖拽一根导线用于提供电能和传输信号。而且因为滑动读头随着被测物作往复运动，所以实际应用中往往这根导线需要安装在拖链中，以防止在运动过程中与障碍物碰撞。这样的方案不仅增加成本，而且降低了可靠性，特别是在长时间、超高速运动的情况下，拖链的可靠性面临严峻考验，经常发生故障。
发明内容
本发明为了解决目前现有的线性编码器的滑动读头上导线连接采用拖链的方式存在成本高且可靠性低的问题，而提供的一种被动式线性编码器。
为达到上述功能，本发明提供的技术方案是：
一种被动式线性编码器，包括设置有若干均匀排列且发射表面形状相同的电极条的静尺、为所述静尺提供激励信号的信号发生器、与所述静尺相平行的滑动读头、调制信号接收/处理器，所述静尺上设置有导电条，所述导电条与所述滑动读头构成电容的两极并感应上所述滑动读头上的调制信号；所述导电条的一端与所述调制信号接收/处理器相联接并把所述导电条上感应的调制信号传送到所述调制信号接收/处理器。
优选地，所述导电条的数量为两条，所述的两条导电条互相平行。
优选地，所述信号发生器和所述调制信号接收/处理器设置在所述静尺上。
优选地，所述信号发生器的激励信号发生电路与所述调制信号接收/处理器中的激励信号发生电路是同一电路。
优选地，所述滑动读头包含反对称形状的第一电极读头和第二电极读头，所述第一电极读头和所述第二电极读头分别与所述两条导电条对应构成两个电容。
优选地，所述第一电极读头和所述第二电极读头相配合处的形状为正弦波形状。
本发明的有益效果在于：本发明的一种被动式线性编码器，通过在静尺上设置导电条，所述导电条与滑动读头构成电容的两极并感应上所述滑动读头上的调制信号，从而将所述滑动读头上的调制信号传送至所述调制信号接收/处理器，由于所述滑动读头无需供电和通过其它导线传送信号，所以所述滑动读头完全不需要导线连接；所述滑动读头随着被测物作往复运动，由于不需要导线连接因此省去了固定导线的拖链，这样既节省成本又缩小了设备的尺寸，特别是在长时间、超高速运动的情况下，本发明大大提高了线性编码器的可靠性；另外本发明中，信号发生器和调制信号接收/处理器集成在同一个部件内，并且所述部件仅与静尺相连，采用固定安装，无需移动，克服了现有技术中调制信号接收/处理器随被测物运动。长期处于往复运动状态，加减速时对结构产生冲击载荷，对电子元器件的焊点等连接方式甚至元器件本身性能构成威胁，导致可靠性降低的问题。
附图说明
图1为传统容栅尺线性编码器的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本实施例的静尺的结构示意图；
图4为滑动读头与静尺的相互关系图；
图5为调制信号接受/处理器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1至附图5对本发明作进一步阐述：
如图1所示的一种被动式线性编码器，包括设置有若干均匀排列且发射表面形状相同的电极条1的静尺、为静尺提供激励信号的信号发生器2、与静尺相平行的滑动读头3和调制信号接收/处理器4，静尺上设置有导电条5，导电条5与滑动读头3构成电容的两极并感应上所述滑动读头3上的调制信号；导电条5的一端与调制信号接收/处理器4相联接并把导电条5上感应的调制信号传送到调制信号接收/处理器4。一组电极条1由偶数个电极条1组成，如两个、四个、六个、八个等，滑动读头3对应于一组电极条1。在附图3中，在本实施例，由四个电极条1构成一组或一个周期，为描述方便我们把一组电极条中的四个电极条1依次按A、B、C、D编号，编号相同的电极条1通过传输线7连接在一起组成一个激励相，给每组相同编号的电极条1上加一个幅值、频率和相位相同的激励信号，相邻编号电极条1上激励信号的相位差是90°，即是把360°按一组电极条所含电极条1的数量均分。假设第一组编号为A的电极条1上加一个相位为0°的激励信号，则编号为B的电极条1上加的激励信号相位则为90°，以次类推，则编号为D的电极条1上的激励信号相位就为270°；而第二组编号为A的电极条1的激励信号相位与第一组编号为A的电极条1的相位相同，也是0°，以次类推至所有组。如果是八个电极条1构成一个周期，那么每个电极条1上激励信号的相位差为45度。
设置在在静尺上的导电条5，其作用是接受滑动读头3上的调制信号并将其传回传送到调制信号接收/处理器4；但由于这个调制信号一般很微弱，容易受到外部噪声的干扰，在本实施例中，优选地，将调制信号设计成两路差分的调制信号，两路差分的调制信号由滑动读头3产生，这样在信号采集的时候采用差分输入并抑制功模噪声。如图3所示，因为将调制信号设计成两路差分信号，每路差分信号需要一条导电条5进行传输，所以静尺上需要设置两条互相平行并与电极条1垂直的导电条5，且两条导电条5以电极条1的中心线上下对称设置。
为了实现产生两路差分的调制信号，滑动读头3包含反对称形状的第一电极读头31和第二电极读头32，如图四所示，每个读头可以通过与静尺上电极条1的对应面积感应电荷。第一电极读头31和第二电读头相配合处的形状为正弦波形状，并且正弦的周期与静尺上每组电极条1的周期对应，即长度相等。当滑动读头3与静尺有相对位移时，将这个位移转换成在一个周期的相位角
则第一电极读头31上可以感应的电荷VA：
其中K为系数，与许多因为有关，如激励信号幅度、电极条1面积、静尺与滑动读头3之间气隙、气隙介电常数等，一般在特定设计和工作环境下，K近似为常数。
第二电极读头32上感应的电荷与第一电极读头31上感应的符号相反：
第一电极读头31上感应的电荷反射回静尺上与第一电极读头31相对应的导电条5，第二电极读头32上感应的电荷反射回静尺上与第二电极读头32相对应的导电条5，再分别通过这两条导条导电条5传输给调制信号接收/处理器4。
在本实施例中，调制信号接收/处理器4中的信号的采集与解调电路直接与静栅尺相连，在这个电路中，集成了激励信号的产生电路，这是因为解调需要这个同频的信号。激励信号发生与调制信号解调连接在一起，如图5所示。激励信号发生可以有多种实现方式，即有模拟电路也有数字电路的实现方法，目的就是产生均分相位差的多路周期信号，在本实施例中采用正弦信号，因为四个电极条1为一个周期，所以激励信号为四路相差为90度的正弦波；为保证信号强度，优先采用频率大于10KHz,峰峰值为3到15V的正弦波。一方面，这四路激励信号通过静栅尺上的信号传输线传送给相应的电极条1，另一方面，0度和90度相位的正弦信号即正弦与余弦信号同时传给信号解调模块13。
如图5所示，两路差分调制信号分别从静栅尺上的导电条5传递到信号采集与放大模块11，由于其信号幅值微弱，需要进行差分放大，抑制共模噪声，将信号幅值提高到数百毫伏至数千毫伏。信号解调模块13接收这个放大过的调制信号，与激励信号发生模块12产生的激励信号相乘可以分离激励信号和位移信号。与正弦激励信号相乘，信号结果包括激励信号两倍频率的三角函数和位移
的余弦函数即
与激励信号两倍频率的信号相比，
是直流量，通过低通滤波模块14掉高频分量，就得到
与此类似，放大过的调制信号与余弦激励信号相乘，信号结果包括激励信号两倍频率的三角函数和位移
的正弦函数即与激励信号两倍频率的信号相比，
是直流量，通过低通滤波模块14掉高频分量，就得到
通过上述方法获得位移
的正余弦信号后，就可以通过各种方法解算出位移量。市面上有些产品可以直接接受这种正余弦信号作为编码器的输出，该技术已相当成熟，所以本发明不再赘述如何用正余弦信号转换成位移信号。
以上所述实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明的实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。
Claims (6)
1.一种被动式线性编码器，包括设置有若干均匀排列且发射表面形状相同的电极条（1）的静尺、为所述静尺提供激励信号的信号发生器（2）、与所述静尺相平行的滑动读头（3）、调制信号接收/处理器（4），其特征在于：所述静尺上设置有导电条（5），所述导电条（5）与所述滑动读头（3）构成电容的两极并感应上所述滑动读头（3）上的调制信号；所述导电条（5）的一端与所述调制信号接收/处理器（4）相联接并把所述导电条（5）上感应的调制信号传送到所述调制信号接收/处理器（4）。
2.如权利要求1所述的被动式线性编码器，其特征在于：所述导电条（5）的数量为两条，所述的两条导电条（5）互相平行。
3.如权利要求1所述的被动式线性编码器，其特征在于：所述信号发生器（2）和所述调制信号接收/处理器（4）设置在所述静尺上。
4.如权利要求1所述的被动式线性编码器，其特征在于：所述信号发生器（2）的激励信号发生电路与所述调制信号接收/处理器（4）中的激励信号发生电路是同一电路。
5.如权利要求2所述的被动式线性编码器，其特征在于：所述滑动读头（3）包含反对称形状的第一电极读头（31）和第二电极读头（32），所述第一电极读头（31）和所述第二电极读头（32）分别与所述两条导电条（5）对应构成两个电容。
6.如权利要求5所述的被动式线性编码器，其特征在于：所述第一电极读头（31）和所述第二电极读头（32）相配合处的形状为正弦波形状。
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