專利名稱：被動式線性編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及線性編碼器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種被動式線性編碼器。
背景技術(shù)：
線性編碼器是把直線位移轉(zhuǎn)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(yīng)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，所以不在討論范圍。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(tǒng)容柵尺線性編碼器，激勵信號發(fā)生器2把其產(chǎn)生的激勵信號傳送給靜尺，滑動讀頭3上的信號解調(diào)電路接受靜尺發(fā)送的激勵信號并耦合位移信息產(chǎn)生調(diào)制信號，調(diào)制信號通過調(diào)制信號接收/處理器4進(jìn)行放大、濾波、解調(diào)，然后再濾波可以得到位置信息。在此方案中，滑動讀頭3與調(diào)制信號接收/處理器4之間由于需要傳送調(diào)制信號因此需要導(dǎo)線6，同時滑動讀頭3上的信號解調(diào)電路因為含有信號放大器、解調(diào)和濾波電路，需要供電，導(dǎo)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于機床和自動化設(shè)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(dǎo)線用于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(fù)運動，所以實際應(yīng)用中往往這根導(dǎo)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(yán)峻考驗，經(jīng)常發(fā)生故障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決目前現(xiàn)有的線性編碼器的滑動讀頭上導(dǎo)線連接采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(dá)到上述功能，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種被動式線性編碼器，包括設(shè)置有若干均勻排列且發(fā)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(fā)生器、與所述靜尺相平行的滑動讀頭、調(diào)制信號接收/處理器，所述靜尺上設(shè)置有導(dǎo)電條，所述導(dǎo)電條與所述滑動讀頭構(gòu)成電容的兩極并感應(yīng)上所述滑動讀頭上的調(diào)制信號；所述導(dǎo)電條的一端與所述調(diào)制信號接收/處理器相聯(lián)接并把所述導(dǎo)電條上感應(yīng)的調(diào)制信號傳送到所述調(diào)制信號接收/處理器。優(yōu)選地，所述導(dǎo)電條的數(shù)量為兩條，所述的兩條導(dǎo)電條互相平行。優(yōu)選地，所述信號發(fā)生器和所述調(diào)制信號接收/處理器設(shè)置在所述靜尺上。
優(yōu)選地，所述信號發(fā)生器的激勵信號發(fā)生電路與所述調(diào)制信號接收/處理器中的激勵信號發(fā)生電路是同一電路。優(yōu)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(dǎo)電條對應(yīng)構(gòu)成兩個電容。優(yōu)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(fā)明的有益效果在于本發(fā)明的一種被動式線性編碼器，通過在靜尺上設(shè)置導(dǎo)電條，所述導(dǎo)電條與滑動讀頭構(gòu)成電 容的兩極并感應(yīng)上所述滑動讀頭上的調(diào)制信號，從而將所述滑動讀頭上的調(diào)制信號傳送至所述調(diào)制信號接收/處理器，由于所述滑動讀頭無需供電和通過其它導(dǎo)線傳送信號，所以所述滑動讀頭完全不需要導(dǎo)線連接；所述滑動讀頭隨著被測物作往復(fù)運動，由于不需要導(dǎo)線連接因此省去了固定導(dǎo)線的拖鏈，這樣既節(jié)省成本又縮小了設(shè)備的尺寸，特別是在長時間、超高速運動的情況下，本發(fā)明大大提高了線性編碼器的可靠性；另外本發(fā)明中，信號發(fā)生器和調(diào)制信號接收/處理器集成在同一個部件內(nèi)，并且所述部件僅與靜尺相連，采用固定安裝，無需移動，克服了現(xiàn)有技術(shù)中調(diào)制信號接收/處理器隨被測物運動。長期處于往復(fù)運動狀態(tài)，加減速時對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊載荷，對電子元器件的焊點等連接方式甚至元器件本身性能構(gòu)成威脅，導(dǎo)致可靠性降低的問題。


圖I為傳統(tǒng)容柵尺線性編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實施例的靜尺的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為滑動讀頭與靜尺的相互關(guān)系圖；圖5為調(diào)制信號接受/處理器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖I至附圖5對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述如圖I所示的一種被動式線性編碼器，包括設(shè)置有若干均勻排列且發(fā)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(fā)生器2、與靜尺相平行的滑動讀頭3和調(diào)制信號接收/處理器4，靜尺上設(shè)置有導(dǎo)電條5，導(dǎo)電條5與滑動讀頭3構(gòu)成電容的兩極并感應(yīng)上所述滑動讀頭3上的調(diào)制信號；導(dǎo)電條5的一端與調(diào)制信號接收/處理器4相聯(lián)接并把導(dǎo)電條5上感應(yīng)的調(diào)制信號傳送到調(diào)制信號接收/處理器4。一組電極條I由偶數(shù)個電極條I組成，如兩個、四個、六個、八個等，滑動讀頭3對應(yīng)于一組電極條I。在附圖3中，在本實施例，由四個電極條I構(gòu)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(shù)量均分。假設(shè)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(gòu)成一個周期，那么每個電極條I上激勵信號的相位差為45度。設(shè)置在在靜尺上的導(dǎo)電條5，其作用是接受滑動讀頭3上的調(diào)制信號并將其傳回傳送到調(diào)制信號接收/處理器4 ;但由于這個調(diào)制信號一般很微弱，容易受到外部噪聲的干擾，在本實施例中，優(yōu)選地，將調(diào)制信號設(shè)計成兩路差分的調(diào)制信號，兩路差分的調(diào)制信號由滑動讀頭3產(chǎn)生，這樣在信號采集的時候采用差分輸入并抑制功模噪聲。如圖3所示，因為將調(diào)制信號設(shè)計成兩路差分信號，每路差分信號需要一條導(dǎo)電條5進(jìn)行傳輸，所以靜尺上需要設(shè)置兩條互相平行并與電極條I垂直的導(dǎo)電條5，且兩條導(dǎo)電條5以電極條I的中心線上下對稱設(shè)置。為了實現(xiàn)產(chǎn)生兩路差分的調(diào)制信號，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(yīng)面積感應(yīng)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，并且正弦的周期與靜尺上每組電極條I的周期對應(yīng)，即長度相等。當(dāng)滑動讀頭3與靜尺有相對位移時，將這個位移轉(zhuǎn)換成在一個周期的相位角@，則第一電極讀頭31上可以感應(yīng)的電荷Va ·
Va = K (Cos (φ) Sin cot - Sin (φ) Cos cot)其中K為系數(shù)，與許多因為有關(guān)，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(shù)等，一般在特定設(shè)計和工作環(huán)境下，K近似為常數(shù)。第二電極讀頭32上感應(yīng)的電荷F4*與第一電極讀頭31上感應(yīng)的符號相反
Vr - - K {Cos((p)Sin cot — Sin{(p )Cosa7t)第一電極讀頭31上感應(yīng)的電荷反射回靜尺上與第一電極讀頭31相對應(yīng)的導(dǎo)電條5，第二電極讀頭32上感應(yīng)的電荷反射回靜尺上與第二電極讀頭32相對應(yīng)的導(dǎo)電條5，再分別通過這兩條導(dǎo)條導(dǎo)電條5傳輸給調(diào)制信號接收/處理器4。在本實施例中，調(diào)制信號接收/處理器4中的信號的采集與解調(diào)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(chǎn)生電路，這是因為解調(diào)需要這個同頻的信號。激勵信號發(fā)生與調(diào)制信號解調(diào)連接在一起，如圖5所示。激勵信號發(fā)生可以有多種實現(xiàn)方式，即有模擬電路也有數(shù)字電路的實現(xiàn)方法，目的就是產(chǎn)生均分相位差的多路周期信號，在本實施例中采用正弦信號，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(yōu)先采用頻率大于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(yīng)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余弦信號同時傳給信號解調(diào)模塊13。如圖5所示，兩路差分調(diào)制信號分別從靜柵尺上的導(dǎo)電條5傳遞到信號采集與放大模塊11，由于其信號幅值微弱，需要進(jìn)行差分放大，抑制共模噪聲，將信號幅值提高到數(shù)百毫伏至數(shù)千毫伏。信號解調(diào)模塊13接收這個放大過的調(diào)制信號，與激勵信號發(fā)生模塊12產(chǎn)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(jié)果包括激勵信號兩倍頻率的三角函數(shù)和位移P的余弦函數(shù)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(diào)制信號與余弦激勵信號相乘，信號結(jié)果包括激勵信號兩倍頻率的三角函數(shù)和位移識的正弦函數(shù)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￠)的正余弦信號后，就可以通過各種方法解算出位移量。市面上有些產(chǎn)品可以直接接受這種正余弦信號作為編碼器的輸出，該技術(shù)已相當(dāng)成熟，所以本發(fā)明不再贅述如何用正余弦信號轉(zhuǎn)換成位移信號。
以上所述實施例，只是本發(fā)明的較佳實例，并非來限制本發(fā)明的實施范圍，故凡依本發(fā)明申請專利范圍所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效變化或修飾，均應(yīng)包括于本 發(fā)明專利申請范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種被動式線性編碼器，包括設(shè)置有若干均勻排列且發(fā)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(fā)生器(2)、與所述靜尺相平行的滑動讀頭(3)、調(diào)制信號接收/處理器(4)，其特征在于所述靜尺上設(shè)置有導(dǎo)電條(5)，所述導(dǎo)電條(5)與所述滑動讀頭(3)構(gòu)成電容的兩極并感應(yīng)上所述滑動讀頭(3)上的調(diào)制信號；所述導(dǎo)電條(5)的一端與所述調(diào)制信號接收/處理器(4)相聯(lián)接并把所述導(dǎo)電條(5)上感應(yīng)的調(diào)制信號傳送到所述調(diào)制信號接收/處理 器(4)。
2.如權(quán)利要求I所述的被動式線性編碼器，其特征在于所述導(dǎo)電條(5)的數(shù)量為兩條，所述的兩條導(dǎo)電條(5 )互相平行。
3.如權(quán)利要求I所述的被動式線性編碼器，其特征在于所述信號發(fā)生器(2)和所述調(diào)制信號接收/處理器(4)設(shè)置在所述靜尺上。
4.如權(quán)利要求I所述的被動式線性編碼器，其特征在于所述信號發(fā)生器(2)的激勵信號發(fā)生電路與所述調(diào)制信號接收/處理器(4)中的激勵信號發(fā)生電路是同一電路。
5.如權(quán)利要求2所述的被動式線性編碼器，其特征在于所述滑動讀頭(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(dǎo)電條(5 )對應(yīng)構(gòu)成兩個電容。
6.如權(quán)利要求5所述的被動式線性編碼器，其特征在于所述第一電極讀頭(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(fā)明涉及線性編碼器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種被動式線性編碼器；包括設(shè)置有若干均勻排列且發(fā)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(fā)生器、與靜尺相平行的滑動讀頭、調(diào)制信號接收/處理器，靜尺上設(shè)置有導(dǎo)電條，導(dǎo)電條與滑動讀頭構(gòu)成電容的兩極并感應(yīng)上滑動讀頭上的調(diào)制信號；導(dǎo)電條的一端與調(diào)制信號接收/處理器相聯(lián)接并把導(dǎo)電條上感應(yīng)的調(diào)制信號傳送到所述調(diào)制信號接收/處理器；由于滑動讀頭無需供電和通過其它導(dǎo)線傳送信號，所以滑動讀頭完全不需要導(dǎo)線連接，因此省去了固定導(dǎo)線的拖鏈，這樣既節(jié)省成本又縮小了設(shè)備的尺寸，特別是在長時間、超高速運動的情況下，本發(fā)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(yōu)先權(quán)日2012年10月11日
發(fā)明者莊德津 申請人:廣東盈動高科自動化有限公司