被動式線性編碼器的製作方法

2023-10-06 08:21:34

專利名稱：被動式線性編碼器的製作方法
技術領域：
本發明涉及線性編碼器技術領域，特別是一種被動式線性編碼器。
背景技術：
線性編碼器是把直線位移轉換成電信號的傳感器，是以求出直線運動的移動體的移動量為目的的裝置。這種線性編碼器通過輸出與安裝在移動體的移動部的滑動讀頭和安裝在移動體的固定部位上的靜尺的相對位置變化對應的位置檢測信號，從而求出移動體的
移動量。線性編碼器按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式一般不適合高速運動場合，耐用性差，所以不在討論範圍。非接觸式線性編碼器一般包括靜尺和滑·動讀頭。靜尺上有刻度信息，滑動讀頭一般安裝在被測物體上，隨被測物體一起運動，通過與靜尺的刻度信息比較，輸出位移信號。如圖I所示的傳統容柵尺線性編碼器，激勵信號發生器2把其產生的激勵信號傳送給靜尺，滑動讀頭3上的信號解調電路接受靜尺發送的激勵信號並耦合位移信息產生調製信號，調製信號通過調製信號接收/處理器4進行放大、濾波、解調，然後再濾波可以得到位置信息。在此方案中，滑動讀頭3與調製信號接收/處理器4之間由於需要傳送調製信號因此需要導線6，同時滑動讀頭3上的信號解調電路因為含有信號放大器、解調和濾波電路，需要供電，導線6也是必不可少的。目前主要的線性編碼器包括光柵尺線性編碼器、磁柵尺線性編碼器和容柵尺線性編碼器，這些線性編碼器被廣泛運用於工具機和自動化設備中。但是這些線性編碼器都有一個明顯的不足和問題，那就是滑動讀頭都需要拖拽一根導線用於提供電能和傳輸信號。而且因為滑動讀頭隨著被測物作往復運動，所以實際應用中往往這根導線需要安裝在拖鏈中，以防止在運動過程中與障礙物碰撞。這樣的方案不僅增加成本，而且降低了可靠性，特別是在長時間、超高速運動的情況下，拖鏈的可靠性面臨嚴峻考驗，經常發生故障。

發明內容
本發明為了解決目前現有的線性編碼器的滑動讀頭上導線連接採用拖鏈的方式存在成本高且可靠性低的問題，而提供的一種被動式線性編碼器。為達到上述功能，本發明提供的技術方案是一種被動式線性編碼器，包括設置有若干均勻排列且發射表面形狀相同的電極條的靜尺、為所述靜尺提供激勵信號的信號發生器、與所述靜尺相平行的滑動讀頭、調製信號接收/處理器，所述靜尺上設置有導電條，所述導電條與所述滑動讀頭構成電容的兩極並感應上所述滑動讀頭上的調製信號；所述導電條的一端與所述調製信號接收/處理器相聯接並把所述導電條上感應的調製信號傳送到所述調製信號接收/處理器。優選地，所述導電條的數量為兩條，所述的兩條導電條互相平行。優選地，所述信號發生器和所述調製信號接收/處理器設置在所述靜尺上。
優選地，所述信號發生器的激勵信號發生電路與所述調製信號接收/處理器中的激勵信號發生電路是同一電路。優選地，所述滑動讀頭包含反對稱形狀的第一電極讀頭和第二電極讀頭，所述第一電極讀頭和所述第二電極讀頭分別與所述兩條導電條對應構成兩個電容。優選地，所述第一電極讀頭和所述第二電極讀頭相配合處的形狀為正弦波形狀。本發明的有益效果在於本發明的一種被動式線性編碼器，通過在靜尺上設置導電條，所述導電條與滑動讀頭構成電 容的兩極並感應上所述滑動讀頭上的調製信號，從而將所述滑動讀頭上的調製信號傳送至所述調製信號接收/處理器，由於所述滑動讀頭無需供電和通過其它導線傳送信號，所以所述滑動讀頭完全不需要導線連接；所述滑動讀頭隨著被測物作往復運動，由於不需要導線連接因此省去了固定導線的拖鏈，這樣既節省成本又縮小了設備的尺寸，特別是在長時間、超高速運動的情況下，本發明大大提高了線性編碼器的可靠性；另外本發明中，信號發生器和調製信號接收/處理器集成在同一個部件內，並且所述部件僅與靜尺相連，採用固定安裝，無需移動，克服了現有技術中調製信號接收/處理器隨被測物運動。長期處於往復運動狀態，加減速時對結構產生衝擊載荷，對電子元器件的焊點等連接方式甚至元器件本身性能構成威脅，導致可靠性降低的問題。


圖I為傳統容柵尺線性編碼器的結構示意圖；圖2為本發明的結構示意圖；圖3為本實施例的靜尺的結構示意圖；圖4為滑動讀頭與靜尺的相互關係圖；圖5為調製信號接受/處理器結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖I至附圖5對本發明作進一步闡述如圖I所示的一種被動式線性編碼器，包括設置有若干均勻排列且發射表面形狀相同的電極條I的靜尺、為靜尺提供激勵信號的信號發生器2、與靜尺相平行的滑動讀頭3和調製信號接收/處理器4，靜尺上設置有導電條5，導電條5與滑動讀頭3構成電容的兩極並感應上所述滑動讀頭3上的調製信號；導電條5的一端與調製信號接收/處理器4相聯接並把導電條5上感應的調製信號傳送到調製信號接收/處理器4。一組電極條I由偶數個電極條I組成，如兩個、四個、六個、八個等，滑動讀頭3對應於一組電極條I。在附圖3中，在本實施例，由四個電極條I構成一組或一個周期，為描述方便我們把一組電極條中的四個電極條I依次按A、B、C、D編號，編號相同的電極條I通過傳輸線7連接在一起組成一個激勵相，給每組相同編號的電極條I上加一個幅值、頻率和相位相同的激勵信號，相鄰編號電極條I上激勵信號的相位差是90°，即是把360°按一組電極條所含電極條I的數量均分。假設第一組編號為A的電極條I上加一個相位為0°的激勵信號，則編號為B的電極條I上加的激勵信號相位則為90°，以次類推，則編號為D的電極條I上的激勵信號相位就為270° ;而第二組編號為A的電極條I的激勵信號相位與第一組編號為A的電極條I的相位相同，也是0°，以次類推至所有組。如果是八個電極條I構成一個周期，那麼每個電極條I上激勵信號的相位差為45度。設置在在靜尺上的導電條5，其作用是接受滑動讀頭3上的調製信號並將其傳回傳送到調製信號接收/處理器4 ;但由於這個調製信號一般很微弱，容易受到外部噪聲的幹擾，在本實施例中，優選地，將調製信號設計成兩路差分的調製信號，兩路差分的調製信號由滑動讀頭3產生，這樣在信號採集的時候採用差分輸入並抑制功模噪聲。如圖3所示，因為將調製信號設計成兩路差分信號，每路差分信號需要一條導電條5進行傳輸，所以靜尺上需要設置兩條互相平行並與電極條I垂直的導電條5，且兩條導電條5以電極條I的中心線上下對稱設置。為了實現產生兩路差分的調製信號，滑動讀頭3包含反對稱形狀的第一電極讀頭31和第二電極讀頭32，如圖四所示，每個讀頭可以通過與靜尺上電極條I的對應面積感應電荷。第一電極讀頭31和第二電讀頭相配合處的形狀為正弦波形狀，並且正弦的周期與靜尺上每組電極條I的周期對應，即長度相等。當滑動讀頭3與靜尺有相對位移時，將這個位移轉換成在一個周期的相位角@，則第一電極讀頭31上可以感應的電荷Va ·
Va = K (Cos (φ) Sin cot - Sin (φ) Cos cot)其中K為係數，與許多因為有關，如激勵信號幅度、電極條I面積、靜尺與滑動讀頭3之間氣隙、氣隙介電常數等，一般在特定設計和工作環境下，K近似為常數。第二電極讀頭32上感應的電荷F4*與第一電極讀頭31上感應的符號相反
Vr - - K {Cos((p)Sin cot — Sin{(p )Cosa7t)第一電極讀頭31上感應的電荷反射回靜尺上與第一電極讀頭31相對應的導電條5，第二電極讀頭32上感應的電荷反射回靜尺上與第二電極讀頭32相對應的導電條5，再分別通過這兩條導條導電條5傳輸給調製信號接收/處理器4。在本實施例中，調製信號接收/處理器4中的信號的採集與解調電路直接與靜柵尺相連，在這個電路中，集成了激勵信號的產生電路，這是因為解調需要這個同頻的信號。激勵信號發生與調製信號解調連接在一起，如圖5所示。激勵信號發生可以有多種實現方式，即有模擬電路也有數字電路的實現方法，目的就是產生均分相位差的多路周期信號，在本實施例中採用正弦信號，因為四個電極條I為一個周期，所以激勵信號為四路相差為90度的正弦波；為保證信號強度，優先採用頻率大於ΙΟΚΗζ，峰峰值為3到15V的正弦波。一方面，這四路激勵信號通過靜柵尺上的信號傳輸線傳送給相應的電極條1，另一方面，O度和90度相位的正弦信號即正弦與餘弦信號同時傳給信號解調模塊13。如圖5所示，兩路差分調製信號分別從靜柵尺上的導電條5傳遞到信號採集與放大模塊11，由於其信號幅值微弱，需要進行差分放大，抑制共模噪聲，將信號幅值提高到數百毫伏至數千毫伏。信號解調模塊13接收這個放大過的調製信號，與激勵信號發生模塊12產生的激勵信號相乘可以分離激勵信號和位移信號。與正弦激勵信號相乘，信號結果包括激勵信號兩倍頻率的三角函數和位移P的餘弦函數即cos P，與激勵信號兩倍頻率的信號相比cos^是直流量，通過低通濾波模塊14掉高頻分量，就得到cos Ψ。與此類似，放大過的調製信號與餘弦激勵信號相乘，信號結果包括激勵信號兩倍頻率的三角函數和位移識的正弦函數即sinP,與激勵信號兩倍頻率的信號相比，sin識是直流量，通過低通濾波模塊14掉高頻分量，就得到s in P。通過上述方法獲得位移￠)的正餘弦信號後，就可以通過各種方法解算出位移量。市面上有些產品可以直接接受這種正餘弦信號作為編碼器的輸出，該技術已相當成熟，所以本發明不再贅述如何用正餘弦信號轉換成位移信號。
以上所述實施例，只是本發明的較佳實例，並非來限制本發明的實施範圍，故凡依本發明申請專利範圍所述的構造、特徵及原理所做的等效變化或修飾，均應包括於本 發明專利申請範圍內。
權利要求
1.一種被動式線性編碼器，包括設置有若干均勻排列且發射表面形狀相同的電極條(O的靜尺、為所述靜尺提供激勵信號的信號發生器(2)、與所述靜尺相平行的滑動讀頭(3)、調製信號接收/處理器(4)，其特徵在於所述靜尺上設置有導電條(5)，所述導電條(5)與所述滑動讀頭(3)構成電容的兩極並感應上所述滑動讀頭(3)上的調製信號；所述導電條(5)的一端與所述調製信號接收/處理器(4)相聯接並把所述導電條(5)上感應的調製信號傳送到所述調製信號接收/處理 器(4)。
2.如權利要求I所述的被動式線性編碼器，其特徵在於所述導電條(5)的數量為兩條，所述的兩條導電條(5 )互相平行。
3.如權利要求I所述的被動式線性編碼器，其特徵在於所述信號發生器(2)和所述調製信號接收/處理器(4)設置在所述靜尺上。
4.如權利要求I所述的被動式線性編碼器，其特徵在於所述信號發生器(2)的激勵信號發生電路與所述調製信號接收/處理器(4)中的激勵信號發生電路是同一電路。
5.如權利要求2所述的被動式線性編碼器，其特徵在於所述滑動讀頭(3)包含反對稱形狀的第一電極讀頭(31)和第二電極讀頭(32)，所述第一電極讀頭(31)和所述第二電極讀頭(32 )分別與所述兩條導電條(5 )對應構成兩個電容。
6.如權利要求5所述的被動式線性編碼器，其特徵在於所述第一電極讀頭(31)和所述第二電極讀頭(32)相配合處的形狀為正弦波形狀。
全文摘要
本發明涉及線性編碼器技術領域，特別是一種被動式線性編碼器；包括設置有若干均勻排列且發射表面形狀相同的電極條的靜尺、為靜尺提供激勵信號的信號發生器、與靜尺相平行的滑動讀頭、調製信號接收/處理器，靜尺上設置有導電條，導電條與滑動讀頭構成電容的兩極並感應上滑動讀頭上的調製信號；導電條的一端與調製信號接收/處理器相聯接並把導電條上感應的調製信號傳送到所述調製信號接收/處理器；由於滑動讀頭無需供電和通過其它導線傳送信號，所以滑動讀頭完全不需要導線連接，因此省去了固定導線的拖鏈，這樣既節省成本又縮小了設備的尺寸，特別是在長時間、超高速運動的情況下，本發明大大提高了線性編碼器的可靠性。
文檔編號G01D5/12GK102914248SQ20121038332
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月11日 優先權日2012年10月11日
發明者莊德津 申請人:廣東盈動高科自動化有限公司