專利名稱：應(yīng)用小功率電感式位置傳感器的電子卡尺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子卡尺，特別涉及應(yīng)用電感耦合傳感器元件的電子卡尺。
電子卡尺在制造業(yè)中常用于測(cè)量物件的厚度或其它幾何尺寸。這類電子卡尺的主要元件通常都是一種電容位置傳感器。
電容傳感器取得極小的電流，所以很適用于電子卡尺一類的電池供電的測(cè)量工具。電容傳感器以并行板極電容器樣式工作。在電容傳感器內(nèi)部，把發(fā)送器電極和接收器電極裝在或裝入一塊滑板里。發(fā)送器電極接至合適的信號(hào)發(fā)生電路，接收器電極接至合適的讀出電路。
滑板沿固定標(biāo)尺移動(dòng)。標(biāo)尺包括沿標(biāo)尺長(zhǎng)度延伸的多個(gè)間隔開(kāi)的信號(hào)電極。隨著滑板相對(duì)于標(biāo)尺移動(dòng)，滑板上的發(fā)送器與接收器電極就與標(biāo)尺上的信號(hào)電極作電容耦合。讀出電路通過(guò)比較至少一個(gè)耦合至接收器電極的信號(hào)與至少一個(gè)耦合至發(fā)送器電極的信號(hào)之間的相位，確定滑板的移動(dòng)或位置。
電容位置傳感器可以是增量型傳感器，或可以是絕對(duì)位置型傳感器。前者的讀出電路只指示距某已知點(diǎn)的相對(duì)移動(dòng)，而后者的讀出電路指示滑板與標(biāo)尺間的絕對(duì)位置。在美國(guó)專利4,420,754和4,879,508號(hào)中已揭示了這類增量型與絕對(duì)位置型傳感器的內(nèi)容。
這類電容位置傳感器適合應(yīng)用于干燥而較清潔的環(huán)境，如檢驗(yàn)室或工程設(shè)計(jì)室里。然后，也希望這類電容位置傳感器適用于在金工車間、建筑工地和其它相對(duì)污染致嚴(yán)重的環(huán)境中測(cè)量尺寸的卡尺。在這類環(huán)境中，諸如金屬粒子、研磨灰塵和冷卻或切割流體一類的微粒雜質(zhì)和流體會(huì)污染電容卡尺。流體或微粒污物會(huì)以一定方式進(jìn)入標(biāo)尺上的信號(hào)電極和滑板上發(fā)送器與/或接收器電極之間，并以同滑板與標(biāo)尺的相對(duì)位置不相關(guān)的方式改變信號(hào)電極和發(fā)送器與/或接收器電極之間的電容量。通常，電容位置傳感器的信號(hào)電極和發(fā)送器和/或接收器電極間的污物通過(guò)三種不同的機(jī)理造成測(cè)量誤差。首先，微?；蛞后w的介電常數(shù)可能與空氣的介電常數(shù)不同。此時(shí)，信號(hào)電極與夾有污物的發(fā)送器/接收器電極之間的電容將大于另一個(gè)同樣相對(duì)幾何尺寸但不夾污物的信號(hào)電極與發(fā)送器/接收器之間的電容。結(jié)果卡尺不能準(zhǔn)確地指示滑板相對(duì)于標(biāo)尺的位置。
其次，污物可能有較高的導(dǎo)電率。通常，信號(hào)和發(fā)送器/接收器電極構(gòu)成開(kāi)路，它們之間無(wú)電流流過(guò)，而信號(hào)和發(fā)送器或接收器電極之間的導(dǎo)電性污物使這一電路閉合，特別是構(gòu)成了一種RC電路，污物成了電阻元件。由此形成的RC電路，其時(shí)間常數(shù)成了污物導(dǎo)電率、信號(hào)電極與發(fā)送器和/或接收器電極間電容二者的函數(shù)。若時(shí)間常數(shù)較小，則信號(hào)幅值可能迅速衰落使電容位置傳感器應(yīng)用的常規(guī)電路無(wú)法正常地檢測(cè)信號(hào)。
第三，信號(hào)電極和發(fā)送器與/或接收器電極間的導(dǎo)電微粒會(huì)改變其間延伸的電場(chǎng)，由此改變了信號(hào)電極和發(fā)送器與/或接收器電極間的電容。電場(chǎng)畸變還會(huì)造成信號(hào)電極和發(fā)送器與/或接收器電極之間的信號(hào)失真，使卡尺電路不能準(zhǔn)確地指示滑板相對(duì)于標(biāo)尺的位置。
授于Gerhard等人的美國(guó)專利5,172,485號(hào)敘述了一種盡量減小污物對(duì)電容位置傳感器產(chǎn)生的有害影響的方法，包括對(duì)電極涂覆一薄層電介質(zhì)材料，然后，把滑板裝在標(biāo)尺上，使滑板(發(fā)送器與接收器)電極上的電介質(zhì)涂層定位得靠近標(biāo)尺(信號(hào))電極上的電介質(zhì)涂層。即，把電介質(zhì)涂層置于信號(hào)電極和發(fā)送器與接收器電極之間，盡管減少這種有害影響。此外，讓滑板上的電介質(zhì)涂層以滑動(dòng)方式與標(biāo)尺上的電介質(zhì)涂層接觸，而電介質(zhì)涂層間的滑動(dòng)接觸減小了污物在滑板與標(biāo)尺之間侵入的間隙。
滑動(dòng)接觸法要求電極相互以彈性偏置。彈性偏置通過(guò)允許電極相互移離而略為偏離精確的表面平整度和對(duì)準(zhǔn)，允許對(duì)電介質(zhì)加力相互分離。這樣，若在高度污染的環(huán)境中使用這樣的電容位置傳感器，污物能迫使滑板移離標(biāo)尺而聚集在二者之間。因此，在有些場(chǎng)合中不能證明這種方法是適宜的。
不過(guò)，Gerhard等人認(rèn)為，若使用厚的而不是薄的電介質(zhì)涂層，可在某種程度上減小污物聚集在滑板與標(biāo)尺之間而造成的負(fù)面效應(yīng)。厚電介質(zhì)涂層產(chǎn)生的一對(duì)電容器與污物形成的電容串聯(lián)。由于電介質(zhì)涂層產(chǎn)生的電容不隨滑板沿標(biāo)尺的移動(dòng)而改變，所以因污物的厚度或成分的變化而導(dǎo)致的信號(hào)電極和發(fā)送器與/或接收器電極間的電容變化，占主導(dǎo)電位的還是電介質(zhì)厚涂層產(chǎn)生的固定電容。盡管使用電介質(zhì)厚涂層能減輕電介質(zhì)污物引起的問(wèn)題，但是此法無(wú)法徹底消除這個(gè)問(wèn)題。
另一種方法是把電極同液體和微粒污物隔離開(kāi)來(lái)。例如，可把電容位置傳感器卡尺密封起來(lái)。然而，密封卡尺會(huì)增大制造與裝配成本，且常常不可靠。再者，實(shí)際上難以對(duì)電子卡尺的全部規(guī)格和應(yīng)用實(shí)行這類密封。
磁性傳感器是另一類位置測(cè)量傳感器，它對(duì)油、水和其它液體造成的污染較不敏感。像索尼公司的磁標(biāo)尺編碼器一類的磁性傳感器，利用了一只檢測(cè)磁場(chǎng)的讀頭和一把用一個(gè)或多個(gè)周期磁方向圖有選擇地磁化的鐵磁性標(biāo)尺。隨著讀出頭相對(duì)于標(biāo)尺上的磁性標(biāo)尺方向圖作移動(dòng)，讀出頭檢測(cè)磁場(chǎng)的變化。然而，磁性傳感器本身卻會(huì)受到吸附于磁化標(biāo)尺的小粒子特別是鐵磁性粒子的影響。因此，磁性傳感器同樣必須進(jìn)行密封、包封或進(jìn)行其它防護(hù)，以免污物影響其精度。磁性傳感器還不能做到電子卡尺所希望的極小功耗，因而卡尺一般不使用磁性傳感器。
同電容式和磁性傳感器相反，電感傳感器對(duì)切割油、水或其它流體以及灰塵、鐵磁性粒子、其它污物顯得較不敏感。諸如INDUTOSYN型傳感器一類的電感傳感器，采用某一部件上的多重繞組發(fā)送一個(gè)為另一部件上同類繞組接收的變化磁場(chǎng)。多重繞組可以是一系列在印制電路板上反復(fù)繞制的并行馬蹄形線圈。流經(jīng)第一部件繞組的交變電流產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，而被第二部件接收的信號(hào)根據(jù)這兩個(gè)部件之間的相對(duì)位置出現(xiàn)周期性變化。同來(lái)自第二部件的變化信號(hào)相連接的定位電路可以確定這兩個(gè)部件之間的相對(duì)位置。然而，這兩個(gè)部件都是主動(dòng)的，所以必須把每個(gè)部件電耦合到合適的驅(qū)動(dòng)電路，因而增大了制造與安裝費(fèi)用。另外，因?yàn)殡姼袀鞲衅饕髢刹考婑詈?，所以難以配入卡尺一類的手持式裝置。
在授于Howbrook的4,697,144號(hào)、授于Dreonic的5,233,294號(hào)的授于Ichikawa等人的4,743,786號(hào)美國(guó)專利以及Thatcher提出的2,064,125號(hào)英國(guó)專利申請(qǐng)中，都敘述了迄今比電容、磁性或電感傳感器更經(jīng)濟(jì)地制造的對(duì)污物不敏感的其它運(yùn)動(dòng)或位置傳感器。這些文獻(xiàn)揭示的位置檢測(cè)裝置都用來(lái)檢測(cè)賦能部件和被動(dòng)或非斌能部件之間的位置。這些文獻(xiàn)敘述的傳感系統(tǒng)消除了兩運(yùn)動(dòng)部件間的電互耦合，這是電感傳感器的一個(gè)缺點(diǎn)。然而，這類系統(tǒng)一般做不到電感或電容傳感器那樣的高精度。
此外，有些這類傳感系統(tǒng)中的被動(dòng)部件最好是產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的鐵磁材料。而且，被動(dòng)部件在形成于主動(dòng)部件中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)所限定和集中的磁場(chǎng)范圍內(nèi)移動(dòng)。再者，這些系統(tǒng)都無(wú)法像卡尺用戶期望的那樣把小功率操作、足夠高的精度和足夠?qū)挼臏y(cè)量范圍組合起來(lái)。這些文獻(xiàn)揭示的傳感系統(tǒng)還產(chǎn)生斷續(xù)的或不是一種簡(jiǎn)單規(guī)定的定位函數(shù)的輸出信號(hào)。在延伸的距離上，這類信號(hào)不能精密地確定相對(duì)位置。此外，這些文獻(xiàn)揭示的傳感系統(tǒng)無(wú)論如何都不適于配入卡尺使用。
因此，本發(fā)明提供一種能在苛刻的工業(yè)環(huán)境中使用的電子卡尺，其中包括對(duì)微粒與流體污物基本不敏感的傳感器元件。本發(fā)明的電子卡尺保持了常規(guī)電子卡尺的一般形式、操作、感覺(jué)和低功耗的特征。
采用印制電路板工藝一類的常規(guī)制造技術(shù)可方便而廉價(jià)地制造本發(fā)明的電子卡尺。而且本發(fā)明的傳感器對(duì)包括鐵磁性粒子在內(nèi)的微?；蛴?、小或其它流體等污物不敏感，因此該傳感器既可避免使用昂貴的環(huán)境密封，又可在大多數(shù)車間或野外環(huán)境中使用。本發(fā)明的電子卡尺的脈沖驅(qū)動(dòng)電路使電感傳感器耗用很小的功率，所以本發(fā)明的卡尺是一種用電池供電的手持式測(cè)量工具，用小型電池或太陽(yáng)電池可保持很長(zhǎng)的操作時(shí)間。
本發(fā)明的電子卡尺包括一根裝有延伸主梁上的滑尺，按常規(guī)方式配置。位置測(cè)量(測(cè)位)爪從每根主梁與滑尺突出?；呦鄬?duì)于主梁的位置表示主梁與滑尺上測(cè)位爪之間的距離。
主梁與延伸標(biāo)尺作機(jī)械連接。延伸標(biāo)尺包括一組沿其長(zhǎng)度方向按某種樣式延伸的磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器?；呓M件包括一個(gè)拾取組件，而拾取組件包括一只讀出頭。測(cè)位爪之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器組與讀出頭之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。電子卡尺包括一根接至滑尺并以主梁長(zhǎng)度方向從滑尺突出的測(cè)深桿，用于測(cè)量表面的孔深度。
小功率信號(hào)處理電路只接至讀出頭，不接磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器組。該處理電路指示讀出頭與磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器組之間的相對(duì)位置，作為磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器組在讀出頭產(chǎn)生與接收的信號(hào)上分裂作用的函數(shù)。雖然本發(fā)明的電子卡尺結(jié)構(gòu)最好使用小功率的電感傳感器，并且讀出頭與磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器組件相對(duì)移動(dòng)，但是也可使用具有精度足夠高、功率足夠小和對(duì)污物同樣不敏感的其它類型的電感傳感器。
本發(fā)明的電感傳感器包括一個(gè)最好具有第一導(dǎo)電材料通路的磁場(chǎng)源，該磁場(chǎng)源能產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)或磁通。在變化磁場(chǎng)或磁通范圍內(nèi)設(shè)置了至少一組磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器，在空間上改變靠近該至少一個(gè)磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器的磁場(chǎng)或磁通。在一薄層區(qū)域內(nèi)構(gòu)成的檢測(cè)導(dǎo)體形成一種周期性的磁通接收區(qū)圖案，該圖案沿測(cè)量軸延伸，在變化磁場(chǎng)或磁通范圍內(nèi)定位。這樣，變化磁場(chǎng)或磁通在至少一個(gè)響應(yīng)于該變化磁場(chǎng)或磁通的檢測(cè)導(dǎo)體的輸出端上被動(dòng)地產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)(EMF)。
至少一個(gè)磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器與檢測(cè)導(dǎo)體的周期性圖案從第一位置到第二位置彼此作相對(duì)移動(dòng)。在第一位置上，周期性圖案的第一部分重迭于至少一個(gè)磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器。在第二位置，周期性圖案的第二部分重迭于至少一個(gè)磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器。即，至少一個(gè)磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器改變從第一位置到第二位置的EMF。
至少一個(gè)磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器連同檢測(cè)導(dǎo)體的周期性圖案一起，根據(jù)這二者之間的連續(xù)相對(duì)移動(dòng)而在檢測(cè)導(dǎo)體輸出端產(chǎn)生連續(xù)變化的周期性EMF。在一個(gè)實(shí)施例中，每組磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器就是由導(dǎo)電板構(gòu)成的磁通分裂器。在另一實(shí)施例中，每組磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器就是用高導(dǎo)磁率材料構(gòu)成的磁通增強(qiáng)器。在又一個(gè)實(shí)施例中，磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器組包括至少一個(gè)磁通分裂器和至少一個(gè)磁通增強(qiáng)器。
檢測(cè)導(dǎo)體最好由多個(gè)第一環(huán)路與多個(gè)第二環(huán)路交替組成，環(huán)路用導(dǎo)電材料形成，第一和第二環(huán)路都設(shè)置在變化磁場(chǎng)范圍內(nèi)。每個(gè)第一環(huán)路響應(yīng)于變化磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)改變第一信號(hào)分量，同樣每個(gè)第二環(huán)路響應(yīng)于變化磁場(chǎng)產(chǎn)生一改變第二信號(hào)分量。
多個(gè)第一與第二環(huán)路同磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器組相互作相對(duì)移動(dòng)。在第一位置，一個(gè)或多個(gè)第一環(huán)路可以接近相應(yīng)的一組磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器，從而改變由這些第一環(huán)路產(chǎn)生的第一信號(hào)分量。在第二位置，一個(gè)或多個(gè)第二環(huán)路可以接近相應(yīng)的一組磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器，由此改變第二環(huán)路產(chǎn)生的第二信號(hào)分量。第一與第二信號(hào)分量指示出每個(gè)第一與第二環(huán)路相對(duì)于磁場(chǎng)或磁通調(diào)制器組的位置。
這樣，本發(fā)明把具有可接受的物理特性、精度和功耗的電感傳感器配入了實(shí)用的電池供電的手持式卡尺里。同以前的卡尺比較，這種卡尺對(duì)油與微粒一類的污物不敏感，適用于各種應(yīng)用場(chǎng)合，精度高，而且制造成本不高。通過(guò)下面對(duì)較佳實(shí)施例的詳細(xì)介紹，本發(fā)明的種種優(yōu)點(diǎn)與特點(diǎn)就更明顯了。
將參照下列附圖描述本發(fā)明的較佳實(shí)施例。


圖1是應(yīng)用分裂器型調(diào)制器的本發(fā)明電子卡尺第一較佳實(shí)施例的分解立體圖；圖2是沿圖1中2-2線截取的電子卡尺的剖面圖；圖3是表示電感位置傳感器讀出頭的發(fā)送器與接收器繞組的布局及相應(yīng)的分裂器標(biāo)尺元件的平面圖；圖4是表示圖3中一個(gè)接收器繞組的交替環(huán)路的平面圖；圖5A是表示重迭于標(biāo)尺的接收器繞組的平面圖，其中標(biāo)尺與接收器繞組第一部分耦接；圖5B是表示重迭于標(biāo)尺的接收器繞組的平面圖，其中標(biāo)尺與接收器繞組第二部分耦接；圖5C是表示接收器繞組對(duì)標(biāo)尺位置移動(dòng)時(shí)輸出信號(hào)的幅值與極性的波形圖；圖6是本發(fā)明第二較佳實(shí)施例的分解立體圖；圖7是應(yīng)用于電子卡尺第一與第二實(shí)施例的編碼器電路的方框圖；圖8是信號(hào)發(fā)生器第一較佳實(shí)施例電路圖；圖9示出了信號(hào)發(fā)生器輸出的諧振信號(hào)的電壓/時(shí)間曲線；圖10A是接收器繞組輸出信號(hào)的電壓/時(shí)間曲線圖；圖10B是當(dāng)把磁通調(diào)制器與接收器繞組的相對(duì)位置移動(dòng)1/4波長(zhǎng)時(shí)的電壓/時(shí)間曲線圖；圖10C是當(dāng)把磁通調(diào)制器與接收器繞組的相對(duì)位置移動(dòng)1/2波長(zhǎng)時(shí)的電壓/時(shí)間曲線圖；圖11A-G為信號(hào)時(shí)序圖，表示采樣期間在圖7編碼器電路中選定位置上的電壓；圖12A-G為信號(hào)時(shí)序圖，表示在截短控制信號(hào)以減少能耗的情況下在圖7編碼器電路中選定位置上的電壓；圖13是信號(hào)發(fā)生器第二較佳實(shí)施例電路圖；圖14是圖13信號(hào)發(fā)生器中電容器兩端聽(tīng)得信號(hào)的電壓/時(shí)間曲線圖；圖15的波形圖示出了接收器繞組輸出的電壓幅值與標(biāo)尺位置的曲線；圖16是本發(fā)明電子卡尺第三較佳實(shí)施例的分解立體圖；圖17是沿圖16中17-17線截取的電子卡尺的剖面圖；圖18是沿圖17中18-18線截取的圖16電子卡尺一部分的側(cè)面剖視圖；圖19是應(yīng)用增強(qiáng)型調(diào)制器的本發(fā)明卡尺第四較佳實(shí)施例標(biāo)尺的立體圖；圖20是沿圖19中20-20線截取的圖19標(biāo)尺的側(cè)面剖視圖，示出了承載于底座的增強(qiáng)器；圖21是本發(fā)明卡尺第五較佳實(shí)施例標(biāo)尺的剖面圖；圖22是本發(fā)明卡尺第六較佳實(shí)施例標(biāo)尺的平面圖；圖23是本發(fā)明卡尺第七較佳實(shí)施例標(biāo)尺的側(cè)面剖視圖24是本發(fā)明卡尺第八較佳實(shí)施例的標(biāo)尺的側(cè)面剖視圖；圖25是本發(fā)明卡尺第八較佳實(shí)施例標(biāo)尺的第一種變型的側(cè)面剖視圖；圖26是本發(fā)明卡尺第八較佳實(shí)施例標(biāo)尺的第二種變型的側(cè)面剖視圖；圖27是配有波長(zhǎng)跟蹤器的電子卡尺的編碼器電路方框圖；圖28是信號(hào)時(shí)序圖，表示采樣期間在圖27編碼器電路中選定位置上的電壓；圖29是表示傳輸控制信號(hào)與顯示器更新控制信號(hào)的信號(hào)圖；圖30是電子卡尺的編碼器電路方框圖，與圖7的編碼器電路相比，以相反方向操作；及圖31是信號(hào)時(shí)序圖，表示采樣期間在圖30編碼器電路中選定位置上的電壓。
如圖1所示，電感式卡尺100包括延伸梁102。延伸梁102是剛性或半剛性桿，通常呈矩形截面。在延伸梁102的上表面上形成槽106，在槽106中把延伸測(cè)量標(biāo)尺104牢固地接合于延伸梁102。在梁102內(nèi)形成槽106，深度約等于標(biāo)尺104的厚度。這樣，標(biāo)尺104的頂面與梁102的頂緣幾近同平面。
靠近梁102的第一端112處整體形成一對(duì)橫突的固定爪108與110。在滑尺組件120上形成相應(yīng)一對(duì)橫突的可動(dòng)爪116與118。把物件置于爪108與116上的一對(duì)接合面之間可測(cè)量它的外尺寸。同樣地，把爪110與118放在物件內(nèi)部可測(cè)量該物件的內(nèi)尺寸。爪110與118的接合面122定位成同被測(cè)物件上的表面相接觸。
接合面122與114這樣定位，即當(dāng)不108與116的接合面114相互接觸時(shí)，使爪110與118的接合面122相互對(duì)準(zhǔn)。在這一位置，即零位(未圖示)，由卡尺100測(cè)量的內(nèi)外尺寸都應(yīng)當(dāng)為零。
卡尺100還包括一根同滑尺組件120連接的測(cè)深桿126，它從梁120縱向突出，終接在接合端128。測(cè)深桿126的長(zhǎng)度這樣選擇，即在卡尺100處于零位時(shí)，能使接合端128保持與梁102的第二端132齊平。把梁102的第二端132放在有孔的表面上，并讓測(cè)深桿126伸入孔中直到端部128觸碰到孔的底部，則卡尺100便能測(cè)出該孔的深度。
無(wú)論是用外測(cè)量爪108與116還是用內(nèi)測(cè)量爪110與118或是用測(cè)深桿126進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得的尺寸都在傳統(tǒng)的數(shù)字顯示器138(裝在卡尺100的罩蓋139上)上予以顯示。罩蓋139上還裝有一對(duì)按鈕開(kāi)關(guān)134與136；開(kāi)關(guān)134用于接通和切斷滑尺組件120的信號(hào)處理與顯示電子電路166，開(kāi)關(guān)136用于把顯示器138復(fù)位到零。
如圖1所示，滑尺組件120包括一個(gè)帶導(dǎo)向緣142的底座140。當(dāng)滑尺組件120叉開(kāi)延伸染102時(shí)，導(dǎo)向緣142就同延伸梁102的側(cè)緣146接觸，這樣確保了卡尺100的準(zhǔn)確操作。一對(duì)螺釘147將彈性壓桿148對(duì)梁102的配合緣加壓，以免在滑尺組件120與延伸梁102之間自由活動(dòng)。
測(cè)深桿126插入形成在延伸梁102下側(cè)的測(cè)深桿槽152內(nèi)。測(cè)深桿槽152沿延伸梁102的下側(cè)延伸，為測(cè)深桿126提供間隙。測(cè)深桿126利用端止動(dòng)塊154保持在測(cè)深桿槽152里。端止動(dòng)塊154接到在第二端132處的梁102的下側(cè)，在操作期間還能防止滑尺組件120在第二端132處同延伸梁102不經(jīng)意的脫開(kāi)。
滑尺組件120還包括一個(gè)裝在延伸梁102上方底座140上的拾取組件160，所以底座140和拾取組件160作為一個(gè)單元而移動(dòng)。拾取組件160包括一塊諸如傳統(tǒng)印刷電路板之類的基板162，在其下表面上裝有電感讀出頭164。在基板162的上表面裝有信號(hào)處理與顯示電子電路166。彈性密封件163被壓縮在罩蓋139與基板162之間，以防污染信號(hào)處理與顯示電子電路166。
如圖2所示，對(duì)讀出頭164涂以一薄層耐用的絕緣涂層167，厚度最好接近50mm。
標(biāo)尺104包括一塊當(dāng)作其主傳感元件的延伸的印制電路板168。如圖1所示，一組分裂器170以周期性方式沿印刷電路板168間隔開(kāi)。分裂器最好用銅按普通印刷電路板制造技術(shù)形成，當(dāng)然也可使用其它許多制造方法。如圖2所示，保持絕緣層172(最好厚100mm)把分裂器170遮住，保持層172可以包括印制記號(hào)，如圖1所示。
滑尺組件120載有讀出頭164，用絕緣涂層167與172之間形成的氣隙174同梁102略微分開(kāi)，氣隙174最好為0.5mm左右。讀出頭164和分裂器170一同構(gòu)成電感傳感器。電感傳感器最好是這里作為參考文獻(xiàn)的美國(guó)專利申請(qǐng)08/1441,769號(hào)所揭示的任何一種合適的類型，尤其是這里描述的類型。然后，卡尺100也可使用具有必需的機(jī)械封裝特性、精度高、低功率，對(duì)污物同樣不敏感的其它類型的電感傳感器。同樣地，卡尺100可應(yīng)用節(jié)能方法，諸如1996年4月17日提出申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)60/015,707所揭示的方法。
在圖1～3示出的第一較佳實(shí)施例中，由讀出頭164與分裂器170形成的電感傳感器通過(guò)產(chǎn)生變化磁場(chǎng)而工作。變化磁場(chǎng)在置于變化磁場(chǎng)范圍內(nèi)的分裂器170中感應(yīng)出環(huán)流即渦流。
例如，把一個(gè)分裂器170置于電磁鐵的極面之間。當(dāng)用交流電驅(qū)動(dòng)電磁鐵時(shí)，極面間的磁場(chǎng)就隨時(shí)間而變化，而通過(guò)分裂器170中任一閉合環(huán)路的磁通將發(fā)生變化，結(jié)果在閉合環(huán)路周期感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)(“EMF”)。由于分裂器170是導(dǎo)體，所以就產(chǎn)生渦流，其值等于EMF除以構(gòu)成分裂器170的材料環(huán)路的電阻。
變壓器磁心中經(jīng)常產(chǎn)生這類渦流。在變壓器中，不希望有這種渦流，因?yàn)闀?huì)導(dǎo)致功率損耗并產(chǎn)生必須予以散發(fā)的熱量。然而，在本發(fā)明中，卻利用渦流的存在得出有益的結(jié)果。
圖3更詳細(xì)地示出了讀出頭164部分。讀出頭164最好包括5根基本上同平面的導(dǎo)體180-184。兩根導(dǎo)體181和182構(gòu)成第一接收器繞組178，另外兩根導(dǎo)體183和184構(gòu)成第二接收器繞組179。第一和第二接收器繞組178和179以重迭方式裝在基板162中央并沿基板162延伸。
第一和第二接收器繞組178和179都按正弦圖形排列，具有同樣的波長(zhǎng)。導(dǎo)體181從端子185延伸到互連端子189a而與導(dǎo)體182相接，然后導(dǎo)體182反向延伸到端子187。構(gòu)成第一接收器器繞組178的導(dǎo)體181和182限定了多個(gè)正弦形的環(huán)路191。
以同樣方式使導(dǎo)體183從端子188延伸到互連端子189b并同導(dǎo)體184相接，導(dǎo)體184再反向延伸到端子186。構(gòu)成第二接收器繞組179的導(dǎo)體183和184也限定了多個(gè)正弦形的環(huán)路192。環(huán)路192由1/4波長(zhǎng)即第一接收器繞組178構(gòu)成的環(huán)路191的1/2環(huán)路來(lái)補(bǔ)償。
在圖3中，在基板162的同一表面上示出了導(dǎo)體181-184。然而，導(dǎo)體181-184每一根的交替半波長(zhǎng)部分實(shí)際上位于基板162各分開(kāi)的層上。這樣，繞組178和179不真的相互接觸。同樣地，繞組178和179在圖案當(dāng)中的“交叉”點(diǎn)上相互也不真的接觸。于是，每根導(dǎo)體181-184的半波長(zhǎng)部分用通過(guò)基板162延伸的連接線190接合到同一根導(dǎo)體的另一半波長(zhǎng)部分。雖然導(dǎo)體181-184并不處于基板162的同一表面，但是它們置于這一區(qū)域范圍內(nèi)。即，基板162上繞組178和179的最頂層與基板162最低層之間的距離為最小，因而導(dǎo)體181-184接近同平面。
除了空間相差以外，第二接收器繞組179基本上與第一接收器繞組178相同，所以下面討論將主要針對(duì)第一接收器繞組178。應(yīng)該理解，下述討論同樣適用于第二接收器繞組179。
第五繞組180是發(fā)送器繞組，也位于薄區(qū)域內(nèi)，且大體上環(huán)繞第一與第二接收器繞組178和179。發(fā)送器繞組180也由基板162的某一層或表面上的導(dǎo)體構(gòu)成，且按傳統(tǒng)印制電路板制造技術(shù)制作，其長(zhǎng)度194和寬度195足以環(huán)繞第一和第二接收器繞組178與179。
除非另有規(guī)定，否則把圖3與圖4的測(cè)量結(jié)果限定為同測(cè)量軸300相關(guān)。通常把“長(zhǎng)度”定為沿基板162平面的測(cè)量軸300平行延伸的尺寸，而把“寬度”定為沿測(cè)量軸300垂直延伸的尺寸。把第一接收器繞組178構(gòu)成的兩相鄰環(huán)路191或第二接收器繞組179構(gòu)成的兩相鄰環(huán)路192跨越的距離定義為節(jié)距或讀出頭164的波長(zhǎng)193。單個(gè)環(huán)路191或192跨越的距離等于波長(zhǎng)193的一半。每個(gè)分裂器170跨越的距離302最好也等于波長(zhǎng)193的一半。第一接收器繞組178與第二接收器繞組179之間的1/4波長(zhǎng)差產(chǎn)生正交信號(hào)，這樣就可看到讀出頭164相對(duì)于標(biāo)尺104運(yùn)動(dòng)的方向。再者，從分裂器170一個(gè)邊緣跨到相鄰分裂器170相應(yīng)邊緣的距離最好等于波長(zhǎng)193。應(yīng)該理解，如果分裂器全都一樣，那么邊緣間的距離304可以是任一整數(shù)乘上“K”個(gè)波長(zhǎng)193。在后一種情況下，最好使每個(gè)接收器繞組的長(zhǎng)度等于“N*K”倍波長(zhǎng)193，其中的N也是一個(gè)整數(shù)。
如圖4所示，第一接收器繞組178具有正弦形的環(huán)路191。第一接收器繞組178由導(dǎo)體181和182按正弦形或“之”字形在一個(gè)方向，接著以反方向配置而形成，因而導(dǎo)體181和182在物理上(不是電學(xué)上)相互跨越而構(gòu)成環(huán)路191。另外，通過(guò)以順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蜓刂h(huán)路按規(guī)定的增量扭絞一條絕緣導(dǎo)線環(huán)路180度來(lái)構(gòu)成環(huán)路191。第二接收器繞組179的構(gòu)成與第一接收器繞組178的相同。
環(huán)路191的交叉結(jié)構(gòu)導(dǎo)致相鄰一個(gè)環(huán)路191的有效繞組方向的不同。流過(guò)發(fā)送器繞組180的交流電產(chǎn)生一個(gè)通過(guò)第一接收器繞組178延伸的隨時(shí)間變化的均勻磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)產(chǎn)生EMF或隨時(shí)間變化的電流通過(guò)第一接收器繞組178，這樣使接收器繞組178起到一個(gè)專用磁通傳感器的作用。由于相鄰一個(gè)環(huán)路191是以交變方向繞制的，所以在相鄰環(huán)路191中產(chǎn)生的EMF和電流具有交變的極性，圖4中以“+”、“-”號(hào)表示。
每條環(huán)路191基本上圍住相同的面積。因此，如果“+”環(huán)路191a與“-”環(huán)路191b的數(shù)量相等且環(huán)路191接收均勻的磁場(chǎng)，則該磁場(chǎng)在第一接收器繞組178的端子185與187兩端感應(yīng)出凈零EMF。對(duì)于第二接收器繞組179，情況也如此。
如果標(biāo)尺104上的分裂器170或任何其它導(dǎo)電物件移近讀出頭164，則發(fā)送器繞組180產(chǎn)生的磁場(chǎng)將在分裂器170或其它導(dǎo)電物件中感應(yīng)出渦流，使分裂器附近建立的磁場(chǎng)抵銷發(fā)送器繞組180產(chǎn)生的磁場(chǎng)。這樣，渦流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)就衰減了接近分裂器170的發(fā)送器磁場(chǎng)。
結(jié)果，在空間上改變或分裂了第一接收器繞組178接收的磁通量。只要分裂不是同等地影響“+”“-”環(huán)路191a與191b，接收器繞組178就輸出非零的EMF信號(hào)。因此，隨著導(dǎo)電分裂器170從鄰近“+”環(huán)路191a移到鄰近“-”環(huán)路191b，輸出端185和187之間的EMF將改變極性。
分裂器170的尺寸最好不等于波長(zhǎng)193。例如，若分裂器170的長(zhǎng)度302等于波長(zhǎng)193而其寬度等于寬度195，則不管把分裂器170沿著測(cè)量軸300相對(duì)于環(huán)路191定位在哪里，它將在相鄰“+”環(huán)路191a和“-”環(huán)路191b同樣地面積內(nèi)裂發(fā)送器磁場(chǎng)。結(jié)果，接收器繞組178輸出的EMF信號(hào)的幅值將往往是零。
再者，接收器繞組178的輸出將對(duì)物件相對(duì)于環(huán)路191的位置不敏感。即，不管分裂器170在測(cè)量軸上的位置如何，輸出都為零。由于這種幾何尺寸得不到有用的信號(hào)，所以分裂器170的尺寸最好不等于波長(zhǎng)193，其長(zhǎng)度可大于波長(zhǎng)193。然而，由于等于全波長(zhǎng)193的分裂器部分無(wú)助于增強(qiáng)有用信號(hào)，所以分裂器170的長(zhǎng)度最好小于一個(gè)波長(zhǎng)193。
如果分裂器170的長(zhǎng)度不等于一個(gè)波長(zhǎng)193或波長(zhǎng)193的整數(shù)倍，所以在大多數(shù)位置中，環(huán)路191不相等的“+”“-”區(qū)域?qū)⒈环至?。信?hào)輸出將對(duì)裂器170相對(duì)于環(huán)路191的位置敏感。當(dāng)分裂器170的長(zhǎng)度等于1/2波長(zhǎng)193時(shí)，信號(hào)輸出的最大幅值變化將是位置的函數(shù)。當(dāng)分裂器170的長(zhǎng)度為1/2波長(zhǎng)193時(shí)，分裂器170將周期性地遮蓋整個(gè)“+”環(huán)路191a或整個(gè)“-”環(huán)路191b，但不遮蓋相鄰“-”環(huán)路191b或“+”環(huán)路191a的任何部分。這樣，1/2波長(zhǎng)長(zhǎng)的分裂器170將產(chǎn)生可能最強(qiáng)的信號(hào)。
如圖3所示，在標(biāo)尺104上以某個(gè)節(jié)距(一個(gè)邊緣與相鄰對(duì)應(yīng)鏈緣間的距離)排列分裂器170，該節(jié)距為一個(gè)波長(zhǎng)193。這樣，連續(xù)的分裂器就以1/2波長(zhǎng)193分開(kāi)。分裂器170最好是良導(dǎo)電體，但不是鐵磁體，因而不會(huì)因磁化而吸引鐵磁粒子。如圖1所示，在第一較佳實(shí)施例中，標(biāo)尺104的長(zhǎng)度超過(guò)讀出頭164的長(zhǎng)度，由此以標(biāo)尺104的長(zhǎng)度確立卡尺100的測(cè)量范圍。
圖6示出卡尺100的第二較佳實(shí)施例，除了下述內(nèi)容外，它同圖1的第一較佳實(shí)施例的卡尺100相同。在圖6所示的卡尺100的第二實(shí)施例中，位于主梁102的標(biāo)尺104載有接收器繞組178與179以及發(fā)送器繞組180。分裂器170位于滑尺組件120內(nèi)，沿標(biāo)尺104運(yùn)行。在第二實(shí)施例中，讀出頭164大體上延伸主梁102的整個(gè)長(zhǎng)度。信號(hào)處理與顯示電子電路166和電源也位于主梁102上，并以常規(guī)方式電連接至讀出頭164。
在第一或第二實(shí)施例中，最好把第一接收器繞組178的環(huán)路191放在發(fā)送器繞組180內(nèi)部規(guī)定的區(qū)域內(nèi)。發(fā)明人通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，發(fā)送器繞組180所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，其強(qiáng)度作為距發(fā)送器繞組180的導(dǎo)體的距離之函數(shù)迅速地減弱。然而，發(fā)明人還通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，在發(fā)送器繞組180內(nèi)部區(qū)域，超過(guò)離開(kāi)發(fā)送器繞組180導(dǎo)體一定距離，磁場(chǎng)趨于接近某個(gè)均一值。
這樣，該一定距離限定了較均勻磁場(chǎng)區(qū)域的周邊。磁場(chǎng)變均勻的距離是繞組幾何尺寸的函數(shù)。因此，為提高本發(fā)明電感傳感器的精度，最好離發(fā)送器繞組180一定距離把環(huán)路191與192隔開(kāi)。更佳的是把第一和第二接收器繞組178與179的環(huán)路191與192整個(gè)設(shè)置在較均勻磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)。
在一個(gè)示例性實(shí)施例中，分裂器170、接收器繞組178與179以及發(fā)送器繞組180的尺寸如下接收器繞組波長(zhǎng)＝0.200英寸；分裂器長(zhǎng)度＝0.100英寸；分裂器寬度＝0.490英寸；發(fā)送器繞組寬度＝0.400英寸；接收器繞組寬度＝0.340英寸；1/4接收器波長(zhǎng)＝0.050英寸，以及發(fā)送器繞組長(zhǎng)度＝1.950英寸。
通過(guò)精密地平衡和交替隔行安置“+”環(huán)路191a和“-”環(huán)路191b，使第一接收器繞組178在空缺分裂器170時(shí)為零輸出。同時(shí)，把交替安置的“+”環(huán)路191a與“-”環(huán)路191b設(shè)置得直接相互鄰近，隨著分裂器170沿測(cè)量軸300移動(dòng)而在每個(gè)接收器繞組輸出端提供連續(xù)的信號(hào)。這些設(shè)計(jì)因素為卡尺100提供了高的信噪比，因而這些特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。
上述第一實(shí)施例的讀出頭164和標(biāo)尺104的幾何結(jié)構(gòu)確保了卡尺100的高精度。另外，上述第一實(shí)施例卡尺100的幾何結(jié)構(gòu)在很大程度上消除了沿讀出頭164的寬度垂直于測(cè)量軸300的非均勻發(fā)送器磁場(chǎng)的影響，還抑制了由于本發(fā)明電感傳感器平衡的“差動(dòng)檢測(cè)”造成“共模誤差”的外加磁場(chǎng)。第一實(shí)施例電感傳感器卡尺100的精度主要取決于精心的設(shè)計(jì)和讀出頭164與標(biāo)尺104的結(jié)構(gòu)。
圖5A-5C示出一例電感式卡尺100的工作原理。隨著標(biāo)尺104及其分裂器170(虛線表示)相對(duì)于發(fā)送器180與第一接收器繞組178運(yùn)動(dòng)，通過(guò)改變“+”環(huán)路191a和“-”環(huán)路191b的比例，分裂器170不是全遮“+”環(huán)路191a、不遮“-”環(huán)路191b，就是全遮“-”環(huán)路191b、不遮“+”環(huán)路191a。
圖5A示出了分裂器170全遮第一接收器繞組178的“-”環(huán)路191b而不遮“+”環(huán)路191a的狀況。發(fā)送器繞組180感性耦合到分裂器170并在其中感應(yīng)出渦流，結(jié)果，分裂器170產(chǎn)生磁場(chǎng)，抵銷通過(guò)“-”環(huán)路191b的發(fā)送器磁場(chǎng)。這樣，通過(guò)“-”環(huán)路191b的凈磁通少于通過(guò)“+”環(huán)路191a的凈磁通，因而“-”環(huán)路191b產(chǎn)生的感應(yīng)EMF小于“+”環(huán)路191a產(chǎn)生的感應(yīng)EMF，由此第一接收器繞組178在其輸出端185和187兩端產(chǎn)生凈“正”極性的電流與電壓。
因?yàn)榘l(fā)送器繞組180產(chǎn)生時(shí)間變化的磁場(chǎng)，所以輸出信號(hào)也隨時(shí)間而變化。時(shí)變輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)的幅值與極性指出了讀出頭164與標(biāo)尺104的相對(duì)位置。圖5C表示輸出信號(hào)幅值與極性是如何隨著標(biāo)尺104相對(duì)于讀出頭164的位置變化而變化的。
圖5C所示波形的初始峰值是第一接收器繞組178的端子185和187兩端正極性幅值輸出的例子。極性表示時(shí)變輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)的時(shí)間相位。輸出信號(hào)的極性相對(duì)于輸入信號(hào)不是同相就是反相(相差180°)。
圖5B表示標(biāo)尺104的移動(dòng)使分裂器170重迭全部“+”環(huán)路191a而不重迭“-”環(huán)路191b。在這一相對(duì)位置中，分裂器170產(chǎn)生的感應(yīng)電流抵銷了通過(guò)“+”環(huán)路191a的發(fā)送器磁場(chǎng)的磁通，因而“-”環(huán)路191b比“+”環(huán)路191a產(chǎn)生更大的感應(yīng)EMF，第一接收器繞組178在其輸出端185和187產(chǎn)生凈負(fù)極性電流。圖5C所示波形的初始谷值是一例第一接收器繞組178端子185和187兩端的負(fù)極性幅值輸出。
如圖5A所示，當(dāng)分裂器170完全重迭“-”環(huán)路191b時(shí)，得出的輸出信號(hào)有一最大正幅值，如圖5C波形的峰值所示。相反地，當(dāng)分裂器完全重迭“+”環(huán)路191a時(shí)(圖5B)，得出的輸出信號(hào)有一最大負(fù)幅值，如圖5C波形的谷值所示。
隨著分裂器170沿著圖5A與圖5B位置間的測(cè)量軸300移動(dòng)，圖5C波形的幅值連續(xù)變化。特別是，當(dāng)分裂器170準(zhǔn)確地重迭每條“+”環(huán)路191a和“-”環(huán)路191b的一半時(shí)，圖5C波形的幅值就為零。從這一位置起，隨著分裂器170移到更靠近圖5A或5B所示的位置，接收器輸出信號(hào)的幅值分別以正向或負(fù)向增大。
圖3的第一實(shí)施例的讀出頭164有兩個(gè)接收器繞組178與179，相互隔開(kāi)1/4標(biāo)尺波長(zhǎng)193。即，第二接收器繞組179重迭第一接收器繞組178，偏差1/4標(biāo)尺波長(zhǎng)193。這樣，第二接收繞組179的每條“+”環(huán)路192a重迭著第一接收器繞組178的部分“+”環(huán)路191a與部分“-”環(huán)路191b。同樣地，第二接收器繞組179的每條“-”環(huán)路192b重迭著第一接收器繞組178的部分“+”環(huán)路191a與部分“-”環(huán)路191b。
絕緣或交叉通道分別適當(dāng)?shù)刂糜诨?62上或里面，使第一接收器繞組178與第二接收器繞組179保持電絕緣。將第一和第二接收器繞組178與179隔開(kāi)1/4標(biāo)尺波長(zhǎng)193，則第一和第二接收器繞組178與179輸出的信號(hào)在空間上保持正交。即，接收器繞組178與179輸出的信號(hào)幅值把正弦圖案規(guī)定為位置的函數(shù)。特別是，第二接收器繞組179的正弦圖案相對(duì)于第一接收器繞組178的正弦圖案在空間偏移90°，結(jié)果，信號(hào)處理與顯示電子電路166可檢測(cè)出來(lái)自每個(gè)接收器繞組178與179信號(hào)間的相互關(guān)系。通過(guò)分析這種關(guān)系，信號(hào)處理與顯示電子電路166確定了讀出頭164相對(duì)于標(biāo)尺104移動(dòng)的方向。如上所述，根據(jù)讀出頭164相對(duì)于標(biāo)尺104的位置，繞組178與179輸出信號(hào)的幅值呈正弦變化。這樣，電子電路166可按下式確定讀出頭相對(duì)于標(biāo)尺104的位置p=tan-1(S1/S2)2πλ+nλ]]>式中，p是位置，λ為標(biāo)尺波長(zhǎng)193，n是表示全波長(zhǎng)193運(yùn)行次數(shù)的整數(shù)，S1與S2分別代表從接收器繞組178與179接收的輸出信號(hào)的幅值與符號(hào)，而“tan-1”是反正切函數(shù)，把零與2π之間的某一角度規(guī)定為S1與S2之比的函數(shù)。符號(hào)S1與S2根據(jù)表1規(guī)定該角度處于哪一個(gè)象限。
表1S1S2tan-1(S1/S2)+ + 0～π/2+ - π/2～π- - π～3π/2- + 3π/2～2π為提高卡尺100的精度和/或?qū)邮掌鬏敵鲂盘?hào)減輕模擬信號(hào)處理電路的需求，讀出頭164可以包括三個(gè)或更多重迭的接收器繞組。雖然帶三個(gè)或更多重迭接收器繞組的讀出頭164更難以制造，但在結(jié)合了一定的信號(hào)處理技術(shù)后，它可提供比只帶兩個(gè)重迭接收器繞組的讀出頭164更精確地位置讀數(shù)。此種多重繞組讀出頭的相移最好相等，例如對(duì)于m個(gè)繞組，相移為180°/m。
圖7詳細(xì)示出了信號(hào)處理與顯示電子電路166(下稱電子電路166)，該電路求解方程1并控制卡尺100的電路工作。如圖1與2所示，把電子電路166作為拾取組件160的一部分裝在基板162上，并以常規(guī)方法(包括顯示器連接的彈性連接器165)連接到讀出頭164、開(kāi)關(guān)134與136以及顯示器138。
如圖1、6、7和16所示，信號(hào)處理和顯示電子電路166應(yīng)用了編程的微處理器或微型控制器及若干外圍集成電路元件。然而，信號(hào)處理和顯示電子電路166也可用ASIC或其它集成電路、硬線電路或邏輯電路(如分立元件電路)、可編程邏輯器件(如PLD、PLA或PAL)等構(gòu)成?？傊?，任何一種器件，凡是支持能構(gòu)成這里所述的信號(hào)處理與顯示功能的有限狀態(tài)設(shè)備，都可用來(lái)構(gòu)制這種信號(hào)處理和顯示電子電路166。
信號(hào)處理和顯示電子電路166最好包括一個(gè)微處理器226(用以輸入來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換器224的信號(hào)并對(duì)顯示器138產(chǎn)生和輸出控制信號(hào))、A/D轉(zhuǎn)換器224、開(kāi)關(guān)225、信號(hào)發(fā)生器200和延遲電路219。延遲電路219的輸出送給第一和第二采保(采樣保持)電路217與218的控制輸入端。
把第一和第二采保電路217與218的每個(gè)輸出端接至開(kāi)關(guān)225的一個(gè)輸入端，開(kāi)關(guān)225的輸出端接至A/D轉(zhuǎn)換器224的輸入端，對(duì)第一和第二采保電路217與218的輸入端分別接到第一和第二接收器繞組178與179的輸出端185與188。
第一和第二接收器繞組178與179的其它輸出端187與186分別接地，信號(hào)發(fā)生器200的輸出接至發(fā)送器繞組180的端子197，發(fā)送器繞組180的另一端子198也接地。
作位置測(cè)量時(shí)，信號(hào)處理和顯示電子電路166向讀出頭164的發(fā)送器繞組180提供電激勵(lì)信號(hào)。
如圖7所示，第一采保電路217有一緩沖放大器216，其輸出接至開(kāi)關(guān)225的一端。第一接收器繞組178的輸出端185經(jīng)開(kāi)關(guān)221接至緩沖放大器216的輸入端。開(kāi)關(guān)221的控制端接至延遲電路219并輸入采?？刂菩盘?hào)。在地和緩沖放大器216的輸入端之間接電容器230。
第二采保電路218的緩沖放大器222、開(kāi)關(guān)223和電容器232以相應(yīng)方法接在延遲電路219、開(kāi)關(guān)225另一端、第二接收器繞組179和地之間。
如圖7所示，更詳細(xì)地如圖8所示，微處理器226接至信號(hào)發(fā)生器200中晶體管210的柵極，供電電壓V+經(jīng)偏置電阻212接至晶體管210的漏極，晶體管210的源極接地。
LC串聯(lián)電路由電容214與發(fā)送器繞組180組成，它接在晶體管210的漏板與地之間。當(dāng)晶體管210截止時(shí)，電容214經(jīng)電阻212接至供電電壓V+并被充電到供電電壓V+。供電電壓最好由電池一類合適的電源(未圖示)供電。把電源V+、晶體管210、電阻器212和電容器214組合起來(lái)，就構(gòu)成了第一實(shí)施例中信號(hào)處理與顯示電子電路166的信號(hào)發(fā)生器電路200。
接通晶體管210，微處理器226向晶體管210的柵極提供短脈沖。當(dāng)晶體管210導(dǎo)通時(shí)，電容器214經(jīng)晶體管210接地。由于電容器電壓不能立即改變，所以電容器214與發(fā)送器繞組180之間節(jié)點(diǎn)A的電壓被驅(qū)動(dòng)成負(fù)值。
于是，電容器214和發(fā)送器繞組180相互諧振，頻率由電容器214的電容量和發(fā)送器繞組180的電感量確定。
在接收器輸出信號(hào)的每個(gè)采樣周期內(nèi)，電容器214放電后再充電。為對(duì)第一和第二實(shí)施例的卡尺100使用的小功率感應(yīng)電流傳感器提供足夠的精度和運(yùn)動(dòng)跟蹤能力，采樣頻率最好約為1KHz。電容器214最好取1nF，電源電壓V+最好是3V。
電源電壓V+提供的電荷(庫(kù)倫)等于電容器的電容量乘上電容器兩端電壓的變化(庫(kù)倫＝法拉第×伏特)。因此，電容器214貯存的電荷等于電容器214的電容量1nF乘上電容器兩端的電壓3V，即3nC。
電容器每隔一個(gè)采樣周期作一次放電和再充電，采樣率為1KHz的話，歷時(shí)1ms。另外，電流為電荷除以時(shí)間(安培＝電荷/秒)。因此，在一個(gè)采樣期內(nèi)從電源吸取的平均電流為3nC/1ms＝3μA.。即使對(duì)電池供電的傳感器而言，3微安是極小的電流。
鑒于選用的電路結(jié)構(gòu)，信號(hào)發(fā)生器200能使傳感器在接收器繞組178與179兩端185-188以間歇方式提供很強(qiáng)的輸出信號(hào)(最大約60mV)。然而，由于本發(fā)明的電路與傳感器結(jié)構(gòu)，還由于驅(qū)動(dòng)信號(hào)是短脈沖并能工作于低占空因數(shù)，所以即使在期望的快速采樣率(1KHz)下，本發(fā)明的電感式卡尺吸取極小的平均電流。對(duì)于商用的實(shí)際電子卡尺來(lái)說(shuō)，平均電流必須很小。
為把功耗減至最小，供給晶體管210的輸入脈沖應(yīng)盡量短些，使通過(guò)偏置電阻212而損失的電荷減至最少。在上例中，若脈寬為1ms，電阻212取10KΩ，則流過(guò)電阻212的平均電流僅是0.3μA?？傊诒景l(fā)明中，用于對(duì)電容214充電的平均電流以小于75μA為佳，更好是小于10μA。
如圖7所示，電容器230和232分別并聯(lián)電連接到接收器繞組178與179。電容器230與232的電容與接收器繞組178與179的電感構(gòu)成諧振電路，如果這些諧振電路的諧振頻率與發(fā)送器諧振電路的諧振頻率相同，則接收器繞組輸出信號(hào)的強(qiáng)度就得到增強(qiáng)，而不希望的噪聲從信號(hào)里濾掉。
由于發(fā)送器繞組180作為電感器而同電容器214組成一個(gè)LC諧振電路，所以在節(jié)點(diǎn)A測(cè)得的瞬時(shí)電壓將帶有衰變的諧振行為，如圖9所示。瞬時(shí)電壓信號(hào)造成在發(fā)送器繞組180中流動(dòng)的相應(yīng)電流，這樣反過(guò)來(lái)又分別對(duì)接收器繞組178和179的環(huán)路191與192產(chǎn)生正交的變化磁通。
接收器繞組178和179各自都兩個(gè)導(dǎo)體部分。如圖7所示，這些部分被放置的空間相位位置，對(duì)應(yīng)于第一接收器繞組178的0°與180°，對(duì)應(yīng)于第二繞組179的90°與270°。如上所述，標(biāo)尺104和分裂器170就位后，在分裂器170中會(huì)感應(yīng)出電流。由此感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致接收器繞組178與179中產(chǎn)生一個(gè)凈EMF。
圖7中的角度標(biāo)記(0°，90°，180°，270°)對(duì)應(yīng)于繞組178和179不同部分相對(duì)于標(biāo)稱位置的定位。例如，當(dāng)分裂器170處于0°位置時(shí)，第一接收器繞組178的兩半部分的串接使第一接收器繞組178輸出端的電壓有一個(gè)極性；當(dāng)分裂器170處于180°位置時(shí)，則第一接收器繞組178輸出端的電壓為反極性。
把來(lái)自接收器繞組178和179的信號(hào)發(fā)送給信號(hào)處理與顯示電子電路166，后者通過(guò)分析信號(hào)確定爪108與116之間的距離，而這也是爪110與118之間的距離。接著把電子電路166通過(guò)普通的彈性導(dǎo)體接到顯示器138并提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以便數(shù)字讀出測(cè)得的距離。
圖10A-10C示出了第一接收器繞組178響應(yīng)于圖9所示的發(fā)送器繞組的瞬時(shí)電壓激勵(lì)而在輸出兩端感應(yīng)的電壓。特別是，圖10A-10C示出了分裂器170相對(duì)于第一接收器繞組178的環(huán)路191三個(gè)不同位置的感應(yīng)電壓。接收器信號(hào)的幅值與相位取決于標(biāo)尺104相對(duì)于接收器繞組178或179的位置。
圖10A所示的接收器信號(hào)在B點(diǎn)有一峰值，指出標(biāo)尺與接收器繞組178或179之間的相對(duì)位置可得出最大幅值的信號(hào)。發(fā)明人已通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，若發(fā)送器繞組180的電感為0.5μH，電容器214的電容為1nF，間隙174接近0.5mm，電源電壓V+為3V，則B點(diǎn)的最大接收器輸出信號(hào)將近60mV。電容器214和發(fā)送器繞組構(gòu)成的2C串聯(lián)電路，其諧振頻率約為7MHz。
圖10B示出了當(dāng)標(biāo)尺104從產(chǎn)生圖10A所示接收器信號(hào)的相對(duì)位置移動(dòng)1/4波長(zhǎng)193時(shí)的接收器信號(hào)。如圖10B所示，在第一接收器繞組178與分裂器170之間的這個(gè)相對(duì)位置產(chǎn)生的接收器輸出信號(hào)，在B點(diǎn)的幅值為零。在該信號(hào)對(duì)應(yīng)的一個(gè)位置上，每個(gè)分裂器170對(duì)接收器繞組178重迭的相鄰“+”環(huán)路191a與“-”環(huán)路191b的面積相同。
圖10C中，標(biāo)尺又以同方向移動(dòng)了1/4波長(zhǎng)193，這樣從產(chǎn)生圖10A所示接收器信號(hào)的相對(duì)位置共移動(dòng)了1/2波長(zhǎng)193。在該相對(duì)位置上，分裂器170重迭環(huán)路191的極性與相應(yīng)于圖10A的環(huán)路191相反，因此第一接收器繞組178在B點(diǎn)產(chǎn)生最大負(fù)幅值的接收器信號(hào)。
圖11A-G示出了在電子電路166各不同點(diǎn)上出現(xiàn)的信號(hào)。如圖11D和11E所示，把分裂器170相對(duì)于環(huán)路191與192定位，使得接收器繞組178與179輸出的接收器信號(hào)相等而極性相反，并把這些接收器信號(hào)分別輸入電子電路166的采保電路217與218。
圖11A示出了由微處理器226輸出至晶體管210柵極的傳送控制信號(hào)，其持續(xù)時(shí)間為t。圖11B示出了施加到發(fā)送器繞組180的合成振蕩發(fā)送器信號(hào)。
圖11C示出了從延遲電路219輸出的采?？刂菩盘?hào)。延遲電路219輸入如圖11A所示來(lái)自微處理器226的傳送控制信號(hào)，以便同時(shí)啟動(dòng)采?？刂菩盘?hào)。采保信號(hào)的持續(xù)時(shí)間可通過(guò)分析或試驗(yàn)電路與傳感器的設(shè)計(jì)參數(shù)而選擇。特別是，選擇的持續(xù)時(shí)間能使采?？刂菩盘?hào)的后沿盡量在時(shí)間上精密地同到達(dá)B點(diǎn)的接收器信號(hào)的幅值相符，如圖10A與10C所示。響應(yīng)于延遲電路219輸出的采?？刂菩盘?hào)，第一和第二采保電路217與218分別采樣來(lái)自第一和第二接收器繞組178與179的信號(hào)。
通常在啟動(dòng)傳送信號(hào)施加給傳送繞組180的同時(shí)，采保控制信號(hào)閉合開(kāi)關(guān)221和223，在電容器230與232上分別出現(xiàn)第一和第二接收器繞組178與179輸出的信號(hào)，如圖11F和11G所示。
在一般選成與時(shí)刻B一致的時(shí)刻，采?？刂菩盘?hào)返零，開(kāi)關(guān)221和223斷開(kāi)，于是保持了在那個(gè)瞬間在電容器230和232兩端的電壓。一般而言，在圖11D和11E所示的接收器信號(hào)期間可以任意時(shí)刻保持采樣的電壓，但過(guò)零點(diǎn)除外。B時(shí)刻是較佳的保持時(shí)間，它出現(xiàn)在獲得最大接收器信號(hào)強(qiáng)度的時(shí)候。
如圖11B和11C所示，該時(shí)刻對(duì)應(yīng)于諧振響應(yīng)的峰值。時(shí)刻B由延遲電路219(譬如由發(fā)送控制信號(hào)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路)建立。
采樣電壓被輸入高輸入阻抗緩沖放大器216和222，后者產(chǎn)生增益并隔離電容器221和223，防止電容器丟失其電荷。緩沖放大器216和222分別輸出對(duì)應(yīng)于接收器繞組178輸出的接收器信號(hào)的S1信號(hào)和對(duì)應(yīng)于接收器繞組179輸出的接收器信號(hào)的S2信號(hào)。選擇開(kāi)關(guān)225把緩沖器216或222的輸出端交替耦接至A/D轉(zhuǎn)換器224，后者把模擬信號(hào)S1和S2轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
微處理器226輸入來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換器224的數(shù)字信號(hào)，計(jì)算測(cè)量位置，并對(duì)顯示器138輸出有關(guān)的信號(hào)。微處理器226能以各種方法中的任一種方法包括方程(1)限定的方法估算標(biāo)尺104的位置。
在諸如由Mitutoyo、Brown&Sharp、Sylvac、Starret等生產(chǎn)的原有技術(shù)的電容式電子卡尺中，都較佳地配備了顯示按鈕邏輯、系統(tǒng)控制邏輯、超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)位移的分析和其它典型的電子卡尺功能。本較佳實(shí)施例在顯示器138上顯示測(cè)量距離，也可通過(guò)像市售的電容式卡那樣的合適連接方法(未圖示)把算出的測(cè)量位置輸出給其它系統(tǒng)，例如可把算出的測(cè)量數(shù)據(jù)輸出給統(tǒng)計(jì)處理控制系統(tǒng)或遙測(cè)顯示器。
通過(guò)把信號(hào)處理和顯示電子電路166諸元件裝在基板162上，很容易把信號(hào)處理和顯示電子電路166配裝在手持式卡尺100里。有時(shí)可采用普通的多層印刷電路基板，這樣可把基板的內(nèi)容作為讀出頭164與信號(hào)處理和顯示電子電路166之間的普通平面屏蔽(未圖示)，從而消除這些元件中電子信號(hào)之間不希望有的互作用。
如圖11A-G所示，傳送控制信號(hào)對(duì)若干諧振響應(yīng)峰值保持高電平。然后，如圖12A-G所示，晶體管210可在足夠長(zhǎng)的周期后截止，以允許對(duì)電容器電壓采樣。超過(guò)采樣時(shí)間后，晶體管210不必保持導(dǎo)通。
這樣，為了節(jié)能，在諧振電路耗散其貯存能量以前，晶體管210可以截止。最好如圖12A所示，在電容器214兩端的電壓盡可能準(zhǔn)確地返回其原來(lái)值時(shí)，晶體管210在C時(shí)刻截止。在上述實(shí)施例中，該原來(lái)值就圖12B所示的電池電壓V+。
還應(yīng)理解，為使電容器214再充電完全，必須在連續(xù)的發(fā)送控制脈沖之間留有足夠的時(shí)間。通常，如果包含電容器214和電阻器212的電路的時(shí)間常數(shù)為Tc，則連續(xù)的發(fā)送控制脈沖間的這個(gè)時(shí)間(即驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖間隔時(shí)間)應(yīng)至少四倍于時(shí)間常數(shù)Tc。
圖13是信號(hào)發(fā)生器200的第二個(gè)小功率實(shí)施例。在信號(hào)發(fā)生器200的第一實(shí)施例中，在晶體管210導(dǎo)通時(shí)，能量通過(guò)偏置電阻212而損失。信號(hào)發(fā)生器200的第二實(shí)施例通過(guò)用有源上拉開(kāi)關(guān)240偏置晶體管210代替偏置電阻212，消除了大部分這種能量損失。這一能量損失已被減至最小，因?yàn)楫?dāng)上拉開(kāi)關(guān)240斷開(kāi)時(shí)，其電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于偏置電阻212的電阻值。
有源上拉開(kāi)關(guān)240還可讓電容器214更迅速地充電。因此，同圖7和8的信號(hào)發(fā)生器的第一實(shí)施例相比，開(kāi)關(guān)240小的導(dǎo)通電阻可實(shí)現(xiàn)高得多的采樣率。在信號(hào)發(fā)生器200的的第二實(shí)施例中，用一對(duì)同步控制信號(hào)控制開(kāi)關(guān)240和晶體管210。
微處理器226產(chǎn)生輸入到控制開(kāi)關(guān)240和晶體管210的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。當(dāng)發(fā)送控制信號(hào)對(duì)晶體管210呈低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)控制信號(hào)對(duì)開(kāi)關(guān)240呈高電平，此時(shí)開(kāi)關(guān)240閉合，通過(guò)發(fā)送繞組180把電容214充電到V+。發(fā)送控制信號(hào)對(duì)晶體管210呈低電平，使晶體管210截止。
這種結(jié)構(gòu)避免了開(kāi)關(guān)240與晶體管210同時(shí)導(dǎo)通，防止從電池吸取大電流，延長(zhǎng)了電池壽命。
當(dāng)對(duì)電容器214充電時(shí)，控制開(kāi)關(guān)信號(hào)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)240，之后送給晶體管210的發(fā)送控制信號(hào)接通晶體管210。應(yīng)該理解，晶體管210保持截止，直到開(kāi)關(guān)240斷開(kāi)以后，所以開(kāi)關(guān)240和晶體管210不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。
當(dāng)晶體管210導(dǎo)通時(shí)，電容器214接地，充電的電容器214發(fā)送繞組180構(gòu)成了諧振電路。由于電容器214被充電，所以發(fā)送器繞組180兩端的電壓產(chǎn)生諧振，如圖9所示。
流過(guò)發(fā)關(guān)器繞組的相應(yīng)電流也通過(guò)接收器繞組178與179產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，于是分裂器170在接收器繞組178與179中感應(yīng)出凈信號(hào)。如上所述，延遲電路219控制著同供給晶體管210發(fā)送信號(hào)相關(guān)的采保電路。凈信號(hào)的幅值與符號(hào)取決于分裂器170相對(duì)于接收器繞組178與179的位置。
高Q值對(duì)應(yīng)于諧振電路的低能量損失。高Q值是可期望的，因?yàn)殡娙萜?14兩端的電壓擺動(dòng)更接近于電池電壓V+。因此，若在C時(shí)刻切斷發(fā)送控制信號(hào)，如圖12A與14所示，則電容器214兩端的電壓Vpeak略低于電池電壓V+，這樣在準(zhǔn)備下一次發(fā)送/接收循環(huán)時(shí)，電池只需補(bǔ)充少量電荷對(duì)電容214再充電。
如圖12F與12G所示，由于晶體管210保持導(dǎo)通直到過(guò)了采樣的B時(shí)刻以后，所以在C時(shí)刻切斷發(fā)送控制信號(hào)并不影響電容器230與232上的采樣信號(hào)。
本發(fā)明的傳感器也可逆向操作，即通過(guò)繞組178與179作發(fā)送，通過(guò)繞組180作接收或檢測(cè)磁通。圖30示出了該操作模式的編碼器電路。圖31的信號(hào)時(shí)序圖表示控制信號(hào)的定時(shí)關(guān)系。
如圖30所示，微處理器226用選擇器控制信號(hào)控制三只選擇開(kāi)關(guān)324、326和328。當(dāng)選擇器控制信號(hào)變高時(shí)，開(kāi)關(guān)326與328移動(dòng)圖30所示的位置。特別是，把繞組178接到了信號(hào)發(fā)生器，而把繞組180接到采保電路217。采?？刂菩盘?hào)還按規(guī)定路線發(fā)送給采保電路217。接著，微處理器226對(duì)信號(hào)發(fā)生器200與延遲電路219輸出發(fā)送控制脈沖，這樣就由開(kāi)關(guān)221與電容230對(duì)信號(hào)S1進(jìn)行采樣和保持。
然后，微處理器226把選擇器控制信號(hào)變?yōu)榈?，把開(kāi)關(guān)326與328移到另一位置，從而把繞組179接至信號(hào)發(fā)生器200而把繞組180接到采保電路218，同樣也把采?？刂菩盘?hào)發(fā)送給采保電路218。微處理器226對(duì)信號(hào)發(fā)生器200和延遲電路219輸出新的發(fā)送控制信號(hào)，這樣就由開(kāi)關(guān)223與電容器232對(duì)信號(hào)S2作采樣并保持。其余的信號(hào)處理則同結(jié)合圖7所作的描述一樣。
在圖30的編碼器電路中，使用單個(gè)信號(hào)發(fā)生器，把它與發(fā)送器繞組178和179交替連接。也可使用兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器，發(fā)送器繞組178與179各接一個(gè)。
微處理器226能應(yīng)用已知的內(nèi)插子程序和僅僅一個(gè)接收器組確定1/2波長(zhǎng)193范圍內(nèi)的絕對(duì)位置測(cè)量結(jié)果。如圖15所示，通過(guò)比較分別在387點(diǎn)與388點(diǎn)的接收器信號(hào)的幅值和極性，微處理器226就能區(qū)別在1/2波長(zhǎng)193范圍內(nèi)的第一位置d1與第二位置d2。
387點(diǎn)的電壓值為V1，388點(diǎn)的電壓值為V2。位置d3對(duì)應(yīng)于在圖15的接收器信號(hào)中的389點(diǎn)，389點(diǎn)的電壓值同387點(diǎn)的電壓值V1相同，所以，微處理器226無(wú)法用內(nèi)插法確定第一位置d1與第三位置d3之間的相對(duì)位置差。
在上述諸實(shí)施例中，根據(jù)眾所周知的正交信號(hào)分析技術(shù)，如方程(1)，微處理器226運(yùn)用來(lái)自第二接收器繞組179的信號(hào)解決了這一不定性。對(duì)于超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)，微處理器226根據(jù)已知的技術(shù)檢測(cè)并累計(jì)越過(guò)某已知起始位置的波長(zhǎng)的次數(shù)，以確定讀出頭164與標(biāo)尺104的相對(duì)位置。
微處理器226以約1KHz的采樣頻率提供脈沖，以提供足夠的精度和運(yùn)動(dòng)跟蹤能力。為了減少功耗，微處理器226還通過(guò)把脈沖做得較短而保持低的占空因素。例如，對(duì)上述的1KHz采樣頻率，脈寬一般為約0.1～1.0μs，即采樣周期為1ms的脈沖，其占空因數(shù)為0.01％～0.1％。
接著適當(dāng)?shù)剡x擇電容214和繞組180的諧振頻率，使電容214兩端電壓的峰值出現(xiàn)在1.0μs(或更短)脈沖結(jié)束之前，所以該諧振頻率約為數(shù)兆赫。這樣，將在高于1MHz而通常為數(shù)兆赫的頻率上調(diào)制相應(yīng)的磁通，一般認(rèn)為該頻率高于常規(guī)電感式傳感器的頻率。
發(fā)明人已確認(rèn)，在這些頻率上，分裂器170產(chǎn)生的渦流會(huì)對(duì)磁通造成強(qiáng)烈的分裂作用，因而接收器繞組178與179輸出的EMF強(qiáng)烈地響應(yīng)于分裂器位置的變動(dòng)。盡管脈沖信號(hào)使用了低的占空因素和小功率，都會(huì)出現(xiàn)這種狀況。響應(yīng)強(qiáng)度再加上低的占空因數(shù)與低功耗，使得卡尺100作測(cè)量時(shí)，信號(hào)發(fā)生器200和電子電路166的其余部分吸收的平均電流均低于200μA，最好是低于75μA。應(yīng)該理解，這里的“平均電流”是指在卡尺正常使用時(shí)，為一次或多次測(cè)量循環(huán)耗費(fèi)的總電荷除以一次或多次測(cè)量循環(huán)的持續(xù)時(shí)間。
因此，使用三節(jié)或更少的市售超小型電池或一塊太陽(yáng)能電池，能以合適的電池壽命操作卡尺100。
對(duì)于增量型傳感器，傳感器信號(hào)的采樣速率約為每秒1000次采樣。當(dāng)迅速移動(dòng)滑尺組件120時(shí)，為保持跟蹤波長(zhǎng)運(yùn)行次數(shù)，是需要高采樣率的。然而，微處理器226用新的測(cè)量值更新顯示器138，只須每秒10次左右。所以，如果微處理226和A/D轉(zhuǎn)換器224能對(duì)每秒1000次采樣的大部分采樣減輕執(zhí)行高分辨度位置測(cè)量的任務(wù)，就可進(jìn)一步降低卡尺的功耗。通過(guò)保持跟蹤標(biāo)尺波長(zhǎng)運(yùn)行的次數(shù)而不執(zhí)行高分辨度位置測(cè)量，就能實(shí)現(xiàn)這一目的。
圖27是一例編碼器電路，其中的波長(zhǎng)跟蹤器320對(duì)波長(zhǎng)次數(shù)進(jìn)行跟蹤。該波長(zhǎng)跟蹤器耗用極少的功率。有了波長(zhǎng)跟蹤器后，微處理器226可在不執(zhí)行高分辨度位置測(cè)量時(shí)進(jìn)入休眠模式，這樣就不更新顯示器138，從而節(jié)省了功率。收發(fā)時(shí)序器322以常規(guī)電路手段向信號(hào)發(fā)生器200和采保電路217與218產(chǎn)生控制信號(hào)，還向波長(zhǎng)跟蹤器320產(chǎn)生選通脈沖，對(duì)微處理器226輸出顯示更新控制信號(hào)。
波長(zhǎng)跟蹤器320包括兩只模擬比較器310與312、正交計(jì)數(shù)器318和控制邏輯單元314。比較器310與312檢測(cè)信號(hào)S1與S2的過(guò)零。對(duì)每個(gè)比較器輸入基準(zhǔn)電壓Vref。當(dāng)比較器的輸出穩(wěn)定后，根據(jù)來(lái)自波長(zhǎng)跟蹤器選通的指令把比較器的輸出狀態(tài)讀入正交計(jì)數(shù)器318，后者對(duì)全波長(zhǎng)運(yùn)行次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器318是能檢測(cè)滑尺組件120移動(dòng)方向的增減計(jì)數(shù)器，因?yàn)槭聦?shí)上信號(hào)S1與S2為正交，即互相相移90°。計(jì)數(shù)器318是用已知技術(shù)構(gòu)成的電路，例如通常用于檢測(cè)光旋轉(zhuǎn)編碼器和線性標(biāo)尺的位置。
工作時(shí)，計(jì)數(shù)器318保持的波長(zhǎng)計(jì)數(shù)優(yōu)先于微處理器226保持的波長(zhǎng)計(jì)數(shù)。然而，微處理器仍確定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的相對(duì)位置。控制邏輯單元314向微處理器輸出控制信號(hào)，在休眠與活動(dòng)兩模式間切換微處理器226。特別是，當(dāng)卡尺在某一設(shè)定的時(shí)間周期里一直不用或相對(duì)位置變動(dòng)極迅速時(shí)，微處理器將進(jìn)入休眠模式。在后一種場(chǎng)合中，雖然計(jì)數(shù)器能跟上迅速移動(dòng)，但是微處理器226卻跟不上，所以無(wú)理由使用微處理器，直到移動(dòng)充分減緩下來(lái)?？刂七壿媶卧倪@種操作原理及其構(gòu)成結(jié)構(gòu)，在本技術(shù)領(lǐng)域是眾所周知的，故不再詳述。
波長(zhǎng)跟蹤器320里還包括了停跳邏輯(未圖示)，以防止因邊沿抖動(dòng)而出現(xiàn)錯(cuò)誤測(cè)量。因該邏輯在本技術(shù)領(lǐng)域已眾所周知，故不再詳作討論。
圖28對(duì)收發(fā)時(shí)序器322輸出的信號(hào)和有關(guān)信號(hào)示出了一張信號(hào)時(shí)序圖。圖29表示發(fā)送控制信號(hào)和顯示更新控制信號(hào)。
當(dāng)微處理器226更新顯示器138時(shí)(例如每秒10次)，它就計(jì)算波長(zhǎng)離開(kāi)“零”位運(yùn)行的次數(shù)，它根據(jù)正交計(jì)數(shù)器318讀出全波長(zhǎng)運(yùn)行的次數(shù)。然后根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器224輸出的信號(hào)S1與S2，微處理器226計(jì)算分?jǐn)?shù)波長(zhǎng)的運(yùn)行。把分?jǐn)?shù)波長(zhǎng)加到全波長(zhǎng)次數(shù)里，把相加結(jié)果乘上波長(zhǎng)，得到的位置值送給顯示器。
時(shí)序器322控制傳感器信號(hào)的采樣和波長(zhǎng)跟蹤器對(duì)波長(zhǎng)運(yùn)行次數(shù)作計(jì)數(shù)，都無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換器224或微處理器226協(xié)助。本例中，當(dāng)卡尺斷開(kāi)時(shí)，只要斷開(kāi)微處理器226、A/D轉(zhuǎn)換器224和顯示器138，卡尺就作“準(zhǔn)絕對(duì)”，因而采樣電路和波長(zhǎng)跟蹤器318仍然在工作。當(dāng)再接通卡尺時(shí)，波長(zhǎng)跟蹤器318保持工作，并提供有關(guān)卡尺定位范圍內(nèi)波長(zhǎng)的信息，即使在卡尺斷開(kāi)期間該位置已移動(dòng)了。這樣，不管已切斷了卡尺的高分辨度測(cè)量和顯示功能這一事實(shí)，還是參照原來(lái)的“零”位計(jì)算并顯示卡尺的位置。
圖16～18是本發(fā)明電子卡尺100的第三實(shí)施例，其中已把讀出頭164與電子電路166分開(kāi)。由于把讀出頭164從電子電路166里分離出來(lái)，所以電子元件與讀出頭元件之間的空間大了，故能減少不希望有的電氣干擾，也可降低制造費(fèi)用，且可期望把分裂器170同梁102做成一體。
在第三實(shí)施例中，分裂器170整體形成在導(dǎo)電梁102中，如圖16與18所示。導(dǎo)電梁102的上表面經(jīng)蝕刻或機(jī)械加工形成平均間隔開(kāi)的槽220，留出抬起的導(dǎo)電梁102部分，于是導(dǎo)電梁102的上突部分形成了分裂器170。在導(dǎo)電梁102的上表面形成絕緣層172，讓它遮蓋分裂器170和槽220。在讀出頭164的絕緣涂層167與該絕緣層172之間有氣隙174，其尺寸最好與第一實(shí)施例相同，即0.5mm。
如圖17所示，讀出頭164像上述那樣由基板162承載。然而，信號(hào)處理和顯示電子電路166裝在滑尺組件120內(nèi)的獨(dú)立基板262上。基板162和262都用罩蓋139包封。用彈性密封件163接合獨(dú)立的基板262。用普通高密度連接器165連接讀出頭164和信號(hào)處理和顯示電子電路166。
如圖16所示，操縱卡尺100的功率取自裝在罩蓋139上表面的普通太陽(yáng)電池227。太陽(yáng)電池227系市售元件，提供合適的功率操作小功率電感傳感器卡尺100。
上述的卡尺100的三個(gè)實(shí)施例包括磁通分裂器170，它與讀出頭164經(jīng)互作用提供測(cè)量信號(hào)。在圖19與與20的第四實(shí)施例中，不用磁通分裂器170，而代之以磁通增強(qiáng)器170’，用來(lái)“增強(qiáng)”或增加通過(guò)接收器繞組178與179鄰接部分的磁通。
除了下面說(shuō)明的以外，圖19和20所示的第四實(shí)施例卡尺100可使用前三個(gè)實(shí)施例揭示的任意一種讀出頭形狀、電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)。在所有場(chǎng)合下應(yīng)該理解，當(dāng)用磁通增強(qiáng)器170’取代磁通分裂器170時(shí)，磁場(chǎng)將增強(qiáng)而不是被分裂。
就是說(shuō)，相對(duì)于采用磁通分裂器170所起的作用，當(dāng)采用磁通增強(qiáng)器170’時(shí)，磁通強(qiáng)度增大了，而所得信號(hào)的極性則相反。在隨便哪一種情況，磁通增強(qiáng)器170’或磁通分裂器170都在空間上調(diào)制磁通量。
圖19與20所示的增強(qiáng)型卡尺100，通過(guò)把高磁導(dǎo)率的物件諸如鐵氧體移近讀出頭164來(lái)增強(qiáng)磁通。磁通增強(qiáng)器170’對(duì)發(fā)送器繞組180產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)提供一條低磁阻通路，結(jié)果在磁通增強(qiáng)器170’附近改變或增強(qiáng)了接收器繞組178與179接收的磁通，這樣使接收器繞組178與179輸出非零的EMF信號(hào)。
因此，如果各磁通增強(qiáng)器170’的長(zhǎng)度等于1/2波長(zhǎng)193，那么隨著磁通增強(qiáng)器170’在接收器繞組178的“+”“-”環(huán)路191a與191b以及接收器繞組179的“+”“-”環(huán)路192a與192b之間移動(dòng)，在接收器繞組178與179的輸出端185-188測(cè)得的信號(hào)將改變極性和幅值。這樣，第四實(shí)施例的增強(qiáng)型卡尺100的操作方式完全類似于上述應(yīng)用于前三個(gè)實(shí)施例卡尺100的分裂器170產(chǎn)生的信號(hào)行為。
如果讓諸如增強(qiáng)器170’一類的高導(dǎo)磁率物件相對(duì)于讀出頭164而移動(dòng)，則較高磁通密度區(qū)就通過(guò)接收器繞組178與179同連續(xù)一個(gè)環(huán)路191與192發(fā)生互作用。接收器繞組178與179輸出信號(hào)的交流幅值將取決于磁通增強(qiáng)器170’重迭“+”環(huán)路191a與192a的面積和磁通增強(qiáng)器170’重迭“-”環(huán)路191b與192b的面積之差。
隨著磁通增強(qiáng)器170’沿測(cè)量軸300運(yùn)行，由于“+”環(huán)路191a與192a的重迭區(qū)和“-”環(huán)路191b與192b的重迭區(qū)之間的連續(xù)關(guān)系，使接收器繞組178與179輸出信號(hào)的交流幅值連續(xù)變化。由于像圖3那樣周期性改變接收器繞組178的“+”“-”環(huán)路191a與191b以及接收器繞組179的“+”“-”環(huán)路192a與192b，所以這些信號(hào)也隨波長(zhǎng)193而發(fā)生周期性變化，且隨磁通增強(qiáng)器170’的尺寸與位移而變化。
根據(jù)磁通增強(qiáng)器170’相對(duì)于接收器繞組178與179的運(yùn)動(dòng)，接收器繞組178與179輸出的信號(hào)具有光滑、連續(xù)的正弦波形。連續(xù)信號(hào)能使卡尺100對(duì)延伸的距離得出準(zhǔn)確的位置讀數(shù)。
在圖19和20的第四實(shí)施例的卡尺100中，標(biāo)尺104包括多個(gè)設(shè)置于基板168’并沿基板168’間隔開(kāi)的磁通增強(qiáng)器170’。磁通增強(qiáng)器170’是矩形的高導(dǎo)磁率構(gòu)件，最好由非導(dǎo)電例如鐵氧體一類高阻材料組成，而且是非磁化的，不會(huì)吸鐵磁粒子。
組成基板168’的材料，最好使其導(dǎo)磁率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磁通增強(qiáng)器170’使用的材料。像磁通分裂器170一樣，磁通增流器170’的長(zhǎng)度最好等于1/2波長(zhǎng)193，并以等于一個(gè)波長(zhǎng)193的節(jié)距位置；其厚度最好為1.5mm。所得信號(hào)強(qiáng)度同分裂器型卡尺100不相上下。
雖然磁通增強(qiáng)器170’可以比1.5mm更厚或更薄，但是厚的磁通增強(qiáng)器170’將提供更大的信號(hào)強(qiáng)度。磁通增強(qiáng)器170’的實(shí)際厚度應(yīng)根據(jù)期望信號(hào)強(qiáng)度以及材料、制造費(fèi)用折衷確定。
如在第一和第二實(shí)施例中那樣，基板168’最好為非導(dǎo)電的。然后，根據(jù)制造上的考慮，基板168’可以多少有點(diǎn)導(dǎo)電性。圖19和20的磁通增強(qiáng)器170’，其組成材料同梁102、基板168’分開(kāi)。然而，如在第三例的長(zhǎng)尺100中，磁通增強(qiáng)器170’卻能同梁102’做成一體，此時(shí)的磁通增強(qiáng)器170’經(jīng)過(guò)處理形成，即改變用于形成磁通增強(qiáng)器170’的那部分梁102’材料的導(dǎo)磁率。
如圖21所示，在第五實(shí)施例的卡尺100中，把磁通增強(qiáng)器170’做成梁102’的凸出部分。為形成凸出部分，最好采用一種表面輪廓加工。這樣，如在第三實(shí)施例的卡尺100中一樣(圖18)，可用與梁102’同種材料整體形成增強(qiáng)器170’。增通增強(qiáng)器170’同讀出頭164靠得很近，可在增強(qiáng)器170’附近對(duì)磁通降低磁路的磁阻。這一作用可比擬成圖19與20所示第四實(shí)施例中在基板168’、增強(qiáng)器170’與空間之間導(dǎo)磁率的變化，這使得第五實(shí)施例的卡尺100的操作基本上類似于圖19與20所示的第四實(shí)施例的卡尺100。
在圖22的第六實(shí)施例的卡尺100中，梁102’(或基板168’)包括多個(gè)低導(dǎo)磁率段233(如氧化鋁)與多個(gè)高導(dǎo)磁率、高阻段234(如鐵氧體)相交替。這樣，梁102’或基板168’由一串交替的段233和234組成，這些段粘合成交替堆迭的材料。導(dǎo)磁性更好、非導(dǎo)電的段234規(guī)定了磁通增強(qiáng)器170’，并可提供比導(dǎo)磁性差些的段233更低磁阻的通路。
應(yīng)該理解，導(dǎo)磁性較差的段233可用例如銅或黃銅等導(dǎo)電材料組成，這時(shí)也用導(dǎo)磁性較差的段制成分裂器170。所以，梁102’或基板168’包括兩類磁通調(diào)制器磁通分裂器233與磁通增強(qiáng)器234。
同樣地，可沿著梁102’或基板168’的表面交替安置磁通增強(qiáng)器170’(234)與磁通分裂器170(233)，如圖23所示。在此第七實(shí)施例的卡尺100中，分裂器170(233)和增強(qiáng)器170’(234)對(duì)接收器信號(hào)造成的影響大體上加性的，產(chǎn)生的信號(hào)比單單應(yīng)用磁通調(diào)制器強(qiáng)得多。
再者，如圖24所示，可在底座102或基板168’上設(shè)置分裂器170(233)和增強(qiáng)器170’(234)。此外，如在第三或第五實(shí)施例中，可將分裂器170(233)或增強(qiáng)器170’(234)同底座102’或基板168’做成一體，像圖25與26那樣。此時(shí)，可把其它分裂器170(233)和增強(qiáng)器170’(234)插入槽220里。
當(dāng)然，上述對(duì)第一、第二和第三實(shí)施例的磁通分裂器型卡尺揭示的全部幾何設(shè)計(jì)原理與電路，都可配用于第四至第七實(shí)施例的磁通增強(qiáng)器型卡尺100，以獲得高精度和第一至第三實(shí)施例卡尺100所具備的長(zhǎng)處。上述各種讀出頭幾何結(jié)構(gòu)以及上面揭示的電路與機(jī)械結(jié)構(gòu)，在用增強(qiáng)器170’代替分裂器170時(shí)，都可用來(lái)大大提高原有技術(shù)“增強(qiáng)型編碼器”的精度。上述的小功率電路技術(shù)也可配用于增強(qiáng)器170’且保留其小功率的諸優(yōu)點(diǎn)。
雖然已示例性的敘述了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但是不背離本發(fā)明的精神和范圍可以作出各種等效的改變。例如，雖然針對(duì)接收器繞組178和179示出并敘述了正弦形環(huán)路191與192，但是，也能有效地應(yīng)用各種其它幾何形狀，包括對(duì)給定讀出頭不同相位應(yīng)用不同的幾何形狀。
同樣地，這里雖然把示出并敘述的一般矩形導(dǎo)電桿和矩形高導(dǎo)磁率桿作為兩類空間磁通調(diào)制器，但是也可采用其它幾何形狀。當(dāng)把這些幾何形狀導(dǎo)出的非正弦輸出信號(hào)作為位移的函數(shù)時(shí)，接著就可用查找表或本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員已知的其它方法模擬實(shí)際的函數(shù)。根據(jù)眾所周知的信號(hào)處理技術(shù)，同樣可以修改或替換這里描述的位置計(jì)算公式。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員還應(yīng)認(rèn)識(shí)到，可以根據(jù)期望的精度和滑尺相對(duì)于標(biāo)尺運(yùn)動(dòng)的最大期望速率，把采樣頻率選得比上述的采樣頻率更高或更低。
而且，這里描述的電子電路166僅包括示例性的分析電路。本領(lǐng)域的熟練人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，可設(shè)計(jì)用其它電路驅(qū)動(dòng)發(fā)送器繞組180并檢測(cè)來(lái)自接收器繞組178與179的信號(hào)。而且應(yīng)認(rèn)識(shí)到，由于上面揭示的電磁原理的對(duì)稱性，發(fā)送器繞組180和接收器繞組178與179的操作規(guī)則可以像上述簡(jiǎn)單描述的那樣反過(guò)來(lái)運(yùn)用。
本領(lǐng)域的熟練人員應(yīng)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，最好把處理高頻信號(hào)的電子元件置成盡量靠近傳感器，而把處理低頻信號(hào)的電路更遠(yuǎn)離傳感器。高頻電路例如包括用于驅(qū)動(dòng)發(fā)送器繞組和用于檢測(cè)來(lái)自接收器繞組信號(hào)的電路，低頻電路例如包括采保電路下游的那些電路。特別是，若傳感器激勵(lì)頻率為1MHz或更高，則至少要把信號(hào)發(fā)生電路與解調(diào)電路定位在讀出頭164上。
因此，本發(fā)明不受制于揭示的內(nèi)容，而是由下述權(quán)利要求書(shū)確定其整個(gè)范圍。
權(quán)利要求
1.一種電子卡尺，其特征在于包括一滑尺構(gòu)件；一具有測(cè)量軸的梁構(gòu)件，滑尺構(gòu)件可動(dòng)地裝在梁構(gòu)件上并可沿測(cè)量軸移動(dòng)；至少一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器，每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)在磁通區(qū)域產(chǎn)生變化的磁通；至少一個(gè)磁通調(diào)制器，每個(gè)磁通調(diào)制器可在磁通區(qū)域內(nèi)定位，并能改變磁通調(diào)制器附近調(diào)制區(qū)內(nèi)的磁通；以及至少一個(gè)磁通傳感器，每個(gè)磁通傳感器設(shè)置在磁通區(qū)內(nèi)并檢測(cè)該磁通區(qū)的變化磁通，每個(gè)磁通傳感器根據(jù)檢測(cè)的磁通產(chǎn)生一輸出信號(hào)，指示該磁通傳感器與至少一個(gè)磁通調(diào)制器的相對(duì)位置。
2.如權(quán)利要求1所述的電子卡尺，其特征在于，每個(gè)磁通傳感器和每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器中至少一個(gè)形成于交替極性圖案的區(qū)內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的電子卡尺，其特征在于，交替板性圖案區(qū)包括以導(dǎo)電元件為邊界的正弦形區(qū)
4.如權(quán)利要求2所述的電子卡尺，其特征在于，每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器和形成于交替極性圖案區(qū)的每個(gè)磁通傳感器之一設(shè)置于滑尺構(gòu)件與梁構(gòu)件之一上，而至少一個(gè)磁通調(diào)制器設(shè)置在另一個(gè)梁構(gòu)件或滑尺構(gòu)件上。
5.如權(quán)利要求4所述的電子卡尺，其特征在于，每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器和不形成于交替極性圖案區(qū)的每個(gè)磁通傳感器的另一個(gè)被設(shè)置位于滑尺構(gòu)件或梁構(gòu)件上。
6.如權(quán)利要求1所述的電子卡尺，其特征在于，在不存在至少一個(gè)磁通調(diào)制器時(shí)，每個(gè)磁通傳感器產(chǎn)生的輸出信號(hào)對(duì)每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的變化磁通就不敏感。
7.如權(quán)利要求1所述的電子卡尺，其特征在于，至少一個(gè)磁通調(diào)制器的每一個(gè)包括磁通分裂器和磁通增強(qiáng)器之一。
8.如權(quán)利要求1所述的電子卡尺，其特征在于，每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器包括一磁場(chǎng)發(fā)生導(dǎo)體，而每個(gè)磁通傳感器包括一檢測(cè)導(dǎo)體，每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器的磁場(chǎng)發(fā)生導(dǎo)體和每個(gè)磁通傳感器的檢測(cè)導(dǎo)體設(shè)置在一薄區(qū)內(nèi)。
9.如權(quán)利要求1所述的電子卡尺，其特征在于，進(jìn)一步包括一輸出電源的小功率能源；一驅(qū)動(dòng)電路，在每次測(cè)量循環(huán)期間向至少一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器輸入電源并輸出間歇驅(qū)動(dòng)信號(hào)；以及一分析電路，用于輸入來(lái)自至少一個(gè)磁場(chǎng)傳感器的輸出信號(hào)，并輸出位置信號(hào)，以一級(jí)分辨度指示滑尺構(gòu)件在梁構(gòu)件上的位置。
10.如權(quán)利要求9所述的電子卡尺，其特征在于，驅(qū)動(dòng)電路包括一只通過(guò)至少一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器放電的電容器。
11.如權(quán)利要求10所述的電子卡尺，其特征在于，該電容器和至少一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器組成諧振電路。
12.如權(quán)利要求9所述的電子卡尺，其特征在于，間歇驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括至少一個(gè)脈沖信號(hào)。
13.如權(quán)利要求9所述的電子卡尺，其特征在于，分析電路包括一計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器響應(yīng)于滑尺構(gòu)件沿測(cè)量軸的移動(dòng)，以粗于一級(jí)分辨度的二級(jí)分辨度統(tǒng)計(jì)至少一個(gè)磁場(chǎng)傳感器輸出的至少一個(gè)輸出信號(hào)的部分循環(huán)。
14.如權(quán)利要求1所述的電子卡尺，其特征在于，由至少一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的變化磁通，以相當(dāng)于至少1MHz的振蕩頻率的速率變化。
15.一種電子電感式卡尺，其特征在于包括一滑尺；一具有測(cè)量軸的延伸梁，滑尺可沿測(cè)量軸移動(dòng)；一向驅(qū)動(dòng)電路提供電源的能源；輸入電源并輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路；一連接至延伸梁與滑尺的電感傳感器，電感傳感器響應(yīng)于滑尺在延伸梁上的相對(duì)位置而輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)并輸出至少一個(gè)檢測(cè)的信號(hào)；及一分析電路，用于輸入至少一個(gè)檢測(cè)的信號(hào)并輸出以一級(jí)分辨度表示滑尺在延伸梁上的位置的輸出信號(hào)。
16.如權(quán)利要求15所述的電子卡尺，其特征在于，驅(qū)動(dòng)電路包括一通過(guò)電感傳感器放電的電容器。
17.如權(quán)利要求16所述的電子卡尺，其特征在于，電容器與電感傳感器構(gòu)成一諧振電路。
18.如權(quán)利要求15所述的電子卡尺，其特征在于，電感傳感器的磁場(chǎng)響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)以相當(dāng)于至少1MHz的振蕩頻率的速率變化。
19.如權(quán)利要求14所述的電子卡，其特征在于，間歇驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括至少一個(gè)脈沖信號(hào)。
20.如權(quán)利要求15所述的電子卡尺，其特征在于，分析電路包括一計(jì)數(shù)器，它響應(yīng)于滑尺沿延伸梁的移動(dòng)，以粗于一極分辨度的二級(jí)分辨度統(tǒng)計(jì)電感傳感器輸出的至少一個(gè)檢測(cè)信號(hào)的部分循環(huán)，計(jì)數(shù)器提供滑尺在延伸梁上近似的相對(duì)位置。
21.如權(quán)利要求20所述的電子卡尺，其特征在于，計(jì)數(shù)器以至多1/4循環(huán)的空間間隔作出響應(yīng)。
22.如權(quán)利要求15所述的電子卡尺，其特征在于，電感傳感器包括至少一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器，每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器響應(yīng)于間歇驅(qū)動(dòng)信號(hào)在磁通區(qū)內(nèi)產(chǎn)生變化的磁通；至少一個(gè)磁通調(diào)制器，每個(gè)磁通調(diào)制器可定位在磁通區(qū)內(nèi)，并能改變磁通調(diào)制器附近調(diào)制區(qū)內(nèi)的磁通；以及至少一個(gè)磁通傳感器，每個(gè)磁通傳感器設(shè)置在磁通區(qū)內(nèi)并檢測(cè)該磁通區(qū)內(nèi)的磁通，每個(gè)磁通傳感器產(chǎn)生至少一個(gè)檢測(cè)的信號(hào)，每個(gè)檢測(cè)的信號(hào)根據(jù)檢測(cè)的磁通表示磁通傳感器與至少一個(gè)磁通調(diào)制器的相對(duì)位置。
23.如權(quán)利要求22所述的電子卡尺，其特征在于，每個(gè)磁通傳感器的每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器中至少有一個(gè)在交替極性圖案區(qū)中形成。
24.如權(quán)利要求23所述的電子卡尺，其特征在于，交替極性圖案區(qū)包括以導(dǎo)電元件為邊界的正弦形區(qū)。
25.如權(quán)利要求22所述的電子卡尺，其特征在于，在不存在至少一個(gè)磁通調(diào)制器的情況下，每個(gè)磁通傳感器產(chǎn)生的輸出信號(hào)對(duì)每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的變化磁通不敏感。
26.如權(quán)利要求22所述的電子卡尺，其特征在于，至少一個(gè)磁通調(diào)制器的每一個(gè)包括磁通分裂器和磁通增強(qiáng)器之一。
27.如權(quán)利要求22所述的電子卡尺，其特征在于，每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器包括一磁場(chǎng)發(fā)生導(dǎo)體，而每個(gè)磁通傳感器包括一檢測(cè)導(dǎo)體，每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器的磁場(chǎng)發(fā)生導(dǎo)體和每個(gè)磁通傳感器的檢測(cè)導(dǎo)體都設(shè)置在一薄區(qū)內(nèi)。
28.如權(quán)利要求15所述的電子卡尺，其特征在于，分析電路在每個(gè)脈沖間隔期間以粗級(jí)分辨度確定相對(duì)位置的變化，而在多個(gè)脈沖間隔期間以細(xì)級(jí)分辨度確定一次相對(duì)位置。
29.如權(quán)利要求15所述的電子卡尺，其特征在于，電子卡尺吸取的平均電流最多為200μA。
30.一種卡尺的操作方法，所述卡尺包括一具有測(cè)量軸的梁構(gòu)件；一裝在梁構(gòu)件上可沿測(cè)量軸滑動(dòng)的滑尺構(gòu)件；一設(shè)置在滑尺構(gòu)件與梁構(gòu)件之一上的磁通傳感器；一設(shè)置在梁構(gòu)件與滑尺構(gòu)件之另一構(gòu)件上的磁通調(diào)制器；以及一設(shè)置在滑尺構(gòu)件與梁構(gòu)件之一上的磁通發(fā)生器；所述方法包括在磁通區(qū)內(nèi)用磁通發(fā)生器產(chǎn)生變化磁通；把滑尺構(gòu)件相對(duì)梁構(gòu)件移動(dòng)到相對(duì)某建立的基準(zhǔn)位置的測(cè)量位置，其中，用磁通調(diào)制器調(diào)制耦合于磁通傳感器與磁通發(fā)生器之間的電感，對(duì)應(yīng)于滑尺構(gòu)件與梁構(gòu)件之間的相對(duì)位置；用磁通傳感器檢測(cè)調(diào)制的磁通，產(chǎn)生一對(duì)應(yīng)于滑尺構(gòu)件與梁構(gòu)件之間相對(duì)位置的檢測(cè)出的信號(hào)；監(jiān)視由磁通傳感器產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)；以及響應(yīng)于監(jiān)視的檢測(cè)信號(hào)確定建立的基準(zhǔn)位置與測(cè)量位置間的距離。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，磁通發(fā)生器是一發(fā)送器繞組，而產(chǎn)生變化磁通的步驟包括對(duì)該發(fā)送器組提供一驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)造成流過(guò)發(fā)送器繞組的電流變化，以感應(yīng)變化的磁通。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，對(duì)發(fā)送器繞組提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)的步驟包括用脈沖發(fā)生器以選擇的脈沖間隔產(chǎn)生一串脈沖以得出脈沖信號(hào)；以及對(duì)發(fā)送器繞組的一輸入端提供脈沖信號(hào)。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，監(jiān)視由磁通傳感器產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)的步驟包括與脈沖信號(hào)同步地采樣檢測(cè)信號(hào)。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，與脈沖信號(hào)同步地采樣檢測(cè)信號(hào)的步驟，包括根據(jù)脈沖信號(hào)與由脈沖發(fā)生器和發(fā)送器繞組構(gòu)成的諧振電路響應(yīng)峰值之間的期望時(shí)延采樣檢測(cè)信號(hào)。
35.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，確定步驟包括在每個(gè)脈沖間隔期間以粗極分辨度確定相對(duì)位置的變化；以及在多個(gè)脈沖間隔期間以細(xì)級(jí)分辨度確定建立的基準(zhǔn)位置與測(cè)量位置間的距離。
36.如權(quán)利要求30所述的方法，進(jìn)一步包括以至多吸取200μA平均電流操作電子束卡尺的步驟。
37.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，用磁通發(fā)生器產(chǎn)生變化磁通的步驟包括對(duì)磁通發(fā)生器提供至多75μA的平均電流。
38.一種電子卡尺，其特征在于，包括一滑尺構(gòu)件；一具有測(cè)量軸的梁構(gòu)件，滑尺構(gòu)件可動(dòng)地裝在梁構(gòu)件上并可沿測(cè)量軸移動(dòng)；至少一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器，每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器在磁通區(qū)響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生變化的磁通；至少一個(gè)磁通調(diào)制器，每個(gè)磁通調(diào)制器可定位在磁通區(qū)內(nèi)，并能改變靠近該磁通調(diào)制器的調(diào)制區(qū)內(nèi)的磁通；以及至少一個(gè)磁通傳感器，每個(gè)磁通傳感器定位在磁通區(qū)內(nèi)并檢測(cè)磁通區(qū)變化的磁通，每個(gè)磁通發(fā)生器根據(jù)檢測(cè)的磁通產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，表示磁通傳感器與至少一個(gè)磁通調(diào)制器間的相對(duì)位置；每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器和每個(gè)磁通傳感器形成空間調(diào)制的感應(yīng)耦合，而每個(gè)輸出信號(hào)作為重迭總面積的近似線性函數(shù)而變化，重迭面積由至少一個(gè)磁通調(diào)制器的截面積限定，它重迭了磁通區(qū)和至少一個(gè)磁通傳感器當(dāng)被垂直于至少一個(gè)磁通傳感器的有效平面投射時(shí)的有效面積，把相反感應(yīng)耦合極性的面積規(guī)定為相反符號(hào)面積。
39.如權(quán)利要求38所述的電子卡尺，其特征在于，每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器和每個(gè)磁通傳感器中至少有一個(gè)的面積以選定的空間頻率作正弦調(diào)制，以限定空間調(diào)制的電感耦合。
40.如權(quán)利要求38所述的電子卡尺，其特征在于，重迭總面積以選定的空間頻率按與相對(duì)位置的函數(shù)一樣的正弦函數(shù)變化。
41.如權(quán)利要求15所述的電子卡尺，其特征在于，驅(qū)動(dòng)信號(hào)是一種間歇驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
42.如權(quán)利要求15所述的電子卡尺，其特征在于，能源是一種小功率能源。
43.如權(quán)利要求1所述的電子卡尺，其特征在于，每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器和每個(gè)磁通傳感器形成連續(xù)的空間調(diào)制電感耦合。
44.如權(quán)利要求22所述的電子卡尺，其特征在于，每個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器和每個(gè)磁通傳感器形成連續(xù)的空間調(diào)制電感耦合。
45.如權(quán)利要求30所述的操作卡尺的方法，其特征在于每個(gè)磁通發(fā)生器和每個(gè)磁通傳感器形成空間調(diào)制的電感耦合；以及在移動(dòng)滑尺構(gòu)件的步驟中，磁通調(diào)制器進(jìn)一步調(diào)制滑尺構(gòu)件與梁構(gòu)件之間的空間調(diào)制電感耦合，以提供來(lái)自至少一個(gè)磁通傳感器的連續(xù)變化的輸出。
46.如權(quán)利要求38所述的電子卡尺，其特征在于，空間調(diào)制的電感耦合是一種連續(xù)的空間調(diào)制電感耦合。
全文摘要
一種應(yīng)用小功率感應(yīng)電流位置傳感器的電子卡尺,包括裝在配備第一與第二測(cè)量爪的延伸梁上的滑尺組件,滑尺組件在梁上的位置表示兩爪間的距離。測(cè)量爪間的相對(duì)移動(dòng)由電感讀出頭確定。讀出頭包括一發(fā)送器繞組和一對(duì)接收器繞組。梁承載的磁通調(diào)制器對(duì)發(fā)送器產(chǎn)生的磁場(chǎng)作調(diào)制,而接收繞組產(chǎn)生的輸出電壓對(duì)應(yīng)于調(diào)制器與接收繞組間的重疊區(qū)。
文檔編號(hào)G01B7/02GK1171544SQ9711158
公開(kāi)日1998年1月28日 申請(qǐng)日期1997年5月13日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月13日
發(fā)明者卡爾·G·馬斯利瑞茲, 尼爾斯·英瓦爾·安德默, 基·W·阿瑟頓 申請(qǐng)人:株式會(huì)社三豐