专利名称：绝对位置测量装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于利用具有略微不同空间周期或节距的第一和第二增量位置感测器沿着直线轴线或弯曲轴线来测量某一位置的绝对位置测量装置或方法。
背景技术：
增量位置感测器通过感测例如按比例或轨迹的空间周期模式来运行。其测量位置会偏移空间周期或节距的任意 整数倍，因为其只在一个这样的空间周期或节距范围内是明确的或绝对的，然而，通过利用具有略微不同节距的两个增量感测器来测量同一位置，可通过多个节距来确定绝对位置。授予Andermo的US4, 420, 754公开了在300毫米绝对范围内具有100和101个节距(N和N+1)的两个增量传感器的组合。如此后解释说明的那样，这种1%的小节距不匹配意指每个感测器的精确度高于其节距的0.25%，以便确保无误差测量。授予Ueda等人的US4，786，891公开了适于在绝对位置范围内具有略微不同整数倍节距的感测器的方法:在第一和第二感测器具有以第一感测器节距表达的N和N+1节距情况下的精确绝对位置就是具有第一感测器分数节距的位置，其最接近由两个增量感测器分数节距位置的差异乘以N给定的近似绝对位置。授予ScliMlbauei^ US6，466，889公开了利用在绝对范围内具有N和N-1个节距的感测器(在该情况下，轴线间角由传动安装到该轴线的两个旋转感测器来测量)来确定绝对位置的非常类似方法。在上述两个公开中，确切位置由在上述范围内具有N个节距的那个感测器来获得。另一感测器仅仅用于协助确定近似绝对位置，其由两个感测器节距的分数部分差异乘以N来获得。如果N选择地合适，上述就会简化计算，但是确切位置的精度和正确性仅来自于一个感测器。授予Maier等人的US7, 637，020公开了由两个旋转感测器在绝对范围内进行例如9和11圈转动来计算绝对位置，因此它们的角度差异在该范围内从0到2^1出现两次:由所述角度差异按比例得到的近似位置在该范围内重复其自身两次。然后从近似位置减去第一感测器的角度，在每个一半范围内利用其梯级彼此偏移半梯级而形成两个阶梯特性。之后该偏移就指示确切位置是否位于绝对范围内的下半部或上半部中。在此同样的是，确切位置由第一编码器获得，而第二编码器仅仅用于协助确定近似位置。根据本发明的装置可代替具有通过电子校正而提高线性度的低成本和小型“LVDT”或“半桥”感应探头。因此它们应该具有低成本和小增量感测器，例如，在US7，015，687中公开的感应式增量感测器，其全文通过引用结合于此。

发明内容
本发明的目的是利用第一和第二增量位置感测器来克服或至少改善现有技术中的线性或旋转式绝对位置测量装置或方法中的缺陷。
因此，本文公开了利用具有空间周期或节距的第一和第二增量感测器沿着直线轴线或弯曲轴线来计算某一绝对位置的一种方法，这样N是整数，第一感测器的N+0.5个节距与沿着上述轴线的R范围相匹配，而第二感测器的N-0.5个节距与沿着上述轴线的相同R范围相匹配；从以其相应节距表示的第一和第二增量感测器输出而计算出:以单位R/N表示的近似绝对位置具有相对于所述位置的近似线性特性，在所述R范围内从0达到N单位；以单位R/N表示的确切增量位置具有分段的线性或锯齿形特性，在所述R/N范围内重复地从0达到一个单位(I)，或在范围R内为从0到一个单位(I)的N倍；以单位R/N表示的确切绝对位置具有与所述近似绝对位置最接近的所述确切增量位置的分数位置。将两个感测器的输出组合以便确定确切的增量位置在实践上使得精确度翻倍，但是同样仍然利用与N单次相乘，其原因在于增量感测器具有N和N-1 (或N+1)个节距来获得近似绝对位置。如果采用二进制运算，对于N的选择诸如整数2次幂使得容易从两个感测器的输出来计算确切的绝对位置。有利的，在小于R的减小范围内或整个2R的一半范围内计算近似的绝对位置仅仅包括下述步骤:从第一增量感测器输出减去第二增量感测器输出，获得分数部分的差异以及使其与N相乘。如本发明的说明书中所示，如果每个感测器与其理想线性特性偏离程度小于其节距除以4N的值，则可精确地确定在R范围内的确切绝对位置。对于较大的范围而言，或用于测量多个连续范围，通常在具有一圈绝对范围的多圈旋转式编码器的情况下，需要2R的整个绝对范围。在2R的整个绝对范围内计算足够精确的近似绝对位置包括下述附加步骤:从所述第一增量感测器输出减去所述的近似绝对位置，以及得到其分数部分；从所述近似绝对位置减去所述第二增量感测器输出，以及得到其分数部分；得到两个分数部分的算术平均数以及两者的差异，以及如果所述差异小于-0.5或大于+0.5，所述算术平均数加上0.5单位，然后得到其分数部分然后使其与2N相乘。只要每个感测器与其理想线性特性偏离程度小于其节距除以SN的值，上述附加步骤允许在2R的整个范围内精确地计算出近似绝对位置，如在本发明的说明书中更详细描述的那样。与范围无关地，计算确切增量位置任选包括下述步骤:由近似绝对位置除以2N ；所述第一增量感测器输出加上该商值或从所述第二增量感测器输出减去该商值；得到任一最终的分数部分(因为两个是相同的)。在R范围内具有从0到I的N数倍的最终确切位置具有在该范围内具有N个节距的假想增量感测器的锯齿形特性。这对于计算绝对位置是有利的:在该范围内的节距数越少，则对于精确确定位置而言所需的感测器精度就越低。为了进行比较，如果两个感测器输出仅仅取平均，则每个感测器的增量不明确数将仅仅导致0.5单位的精度范围。具有来自同一位置测量装置的减小范围或整个范围的优势是使得一些普通器械或量规具有两种执行方式:标准的较低成本但体积大的一种和“质优价高”的较高成本但体积小的一种，其具有大约两倍的测量跨度。例如，对于150和300毫米的测径器而言，对于10和25毫米的数字转盘指示器而言以及对于4和10毫米的线性(铅笔)探头而言:则其使得使用类似的感测器，具有同一读数头，但是具有不同长度的轨道，以更宽松的精度规格在减小范围内或在整个范围内操作。
有利的，用于沿位移线性轴线的绝对位置测量的装置包括:第一增量感测器，其包括第一轨道和面对所述第一轨道的第一读数头，所述第一轨道平行于带有空间周期特征的所述轴线，所述空间周期特征具有空间周期或节距，这样N+0.5个节距与沿着所述轴线的R范围相匹配，其中N是整数；第二增量感测器，其包括第二轨道和面对所述第二轨道的第二读数头，所述第二轨道平行于带有空间周期特征的所述轴线，所述空间周期特征具有空间周期或节距，这样N-0.5个节距与沿着所述轴线的同一R范围相匹配；包括第一和第二读数头的基本固定或参照部分或主体；可移动部分或探头，其包括沿所述轴线对准且可相对于所述主体沿位移的所述线性轴线移动的所述第一和第二轨道；链接装置，其用于给所述第一和第二读数头供电且将其输出信号传输到用于从其计算确切绝对位置的装置。其感测器输出已经为数字格式的这种装置可代替现有的LVDT或半桥感应探头以及其模一数信号处理电子器件。有利的，所述第一和第二轨道位于所述位移轴线的两侧上且与所述轴线间隔开大约相同的距离，由此降低轴线外的影响或阿贝误差。这种链接装置可有利地包括结合和传输两个感测器输出的串行数据传输链，其可按命令或周期性地对两个感测器的位置数据同时采样以便将动态误差最小化，然后将位置数据发送到外部处理装置，在同一链上一个与另一个相接，以便将传递硬件最小化。除了探头尺寸减小之外，外部处理装置的优势是这些外部处理装置可处理共用同一数据收集电子器件的多个探头。此外还可包括作为附加硬件的用于从两个增量感测器输出计算确切绝对位置的所述装置，例如为门阵列的形式，或位于装置主体内或处于其数据链的端部处，例如在通往处理装置的连接器中。通常，专用的微处理器已经定位于连接器壳体内以便控制数据传输以及还可编程以便计算绝对位置，从而不需要附加硬件。任选的，所述增量传感器是感应式的，使其轨道和读数头都便于制备，例如作为印刷电路而制备。它们具有与现有技术LVDT和“半桥”感应探头相同的对污染物的非敏感性以及屏蔽掉外部影响的便利性。它们的良好线性允许毫米级的相对较大节距，且N等于8或16，以及2R的整个范围在16或32毫米左右。绝对地，它们仅在需要时才供电，使其适用于诸如桥梁或建筑物中的“静止”装置，仅当通电和询问时经由通过外部读数器的无线链接而传送位置输出。在优选的感应式装置中，轨道包括扁平的多极绕组，其每一节距具有沿位移轴线的一个磁极，以及读数头包括扁平的感测和驱动绕组，感测绕组分享面对轨道的一个区域，而驱动绕组分享面对轨道另一区域，如在US7，015，687中所描述的那样，其全文通过引用纳入本文。两个感应式增量感测器易于彼此屏蔽隔离，轨道可并排或头对头地位于同一印刷电路上，要么足够厚以防止轨道(如果是头对头地定位)之间串扰，要么在轨道之间屏蔽隔离。通过两个这样的感测器，装置或测量探头可制备得足够小以便适配于标准LVDT或半桥感应探头的标准8毫米安装直径内。


图1示出根据本发明的测量同一位置的两个增量感测器的原理；图2示出感测器的输出特性以及从其计算出的特性；
图3示出优选实施例的沿图4的切线3-3所取的剖视图；图4示出优选实施例的沿图3的切线4-4所取的剖视图；图5示出优选实施例的并排轨道和读数头绕组。
具体实施例图1是用于沿测量轴线X测量同一位置的两个增量感测器布局的概括示意图。第一感测器轨道11和第二感测器轨道12在同一支撑件10上并排布置。第一感测器读数头21 (以虚线划出轮廓)和第二感测器读数头22 (以虚线划出轮廓)分别与11和12面对。两个读数头位于同一移动支撑件20 (以虚线划出轮廓)上，因此其中心21c、22c具有沿着轴线X的相同位置。轨道11具有以0至9或2N+1数字编号的特征空间周期阵列(象征性地画为矩形)，而轨道12具有以0至7或2N-1数字编号的特征空间周期阵列。N为整数，在此等于4。采取二进制运算，适于N的优选选项将为8或16，这是在绝对范围和对于感测器非精确度的容忍程度(包括一些为了达到更好可靠性的安全界线)之间的良好折衷。增量感测器的空间周期或节距没有必要通过按比例或轨迹的空间周期来实现:例如在干涉仪中，上述取而代之由光束干涉导致。在这种情况下，说明书仍然适用，利用图1的轨道和特征仅仅象征性地示出感测器节距。测量轴线的位置0与数字编号为0的两个轨道特征的中心重合，以及位置2R与第一轨道的特征9或2N+1以及第二轨道的特征7或2N-1的中心重合，因此第一感测器的2N+1节距与第二感测器的2N-1节距覆盖相同的范围2R。完整的构造仅仅在每一 2R上重复自身，使其理论上可以在2R的整个范围内测量绝对位置。换言之，在减小的R范围内N+0.5个第一感测器节距与N-0.5个第二感测器节距相匹配。该限定出于两个原因而更合宜。一个原因是在减小的R范围内测量是所需的选项，更简单且对于感测器线性度的要求更低(如下面将解释说明的那样)；以及相反地，对于给定的线性度而言，提供更安全的限度或裕度。另一个原因是与先前公开的“N，N+1”或“N，N-1”构造相比更简易:对于相同的整数N和类似节距而言，其范围也靠近R且其对于感测器非精确度的公差大约相同。然而，延展到2R的整个范围，只有在使用这里提出的“N+0.5/N-0.5”布置的情况下才是可能的。数字的分数部分通常理解为数字减去其向下取整函数，即更接近相等的整数或更接近更负的整数。因此，2.3的分数部分是0.3，而对于-2.3而言，其是+0.7 (不是-0.3)，因为其向下取整函数为-3 (不是_2)。该限定在本文中一贯地使用。数字Z的分数部分写在括号之间:{Z}。图2示出作为在沿着轴线X的2R范围内且以位置0，R，2R标出的位置函数的测量和计算特性。顶部的两个特性是以其相应空间周期或节距表示的第一和第二增量感测器输出A，B(未示出)的分数部分{A}，{B}，这样输出A或B的分数部分实际上是第一或第二增量感测器相应节距的分数部分。作为沿着测量轴线X的位置函数的以其相应节距表示的增量感测器输出A，B的分数部分{A}，{B}在每一相应节距处线性地从0达到1，导致单位高度的锯齿形特性，其在2R整个范围内具有相应的2N+1和2N-1个节距。说明以在增量感测器输出的分数部分{A}和{B}的锯齿形特性之间的在图2中示出的空间相位关系为基础，其中两个输出{A}和{B}在同一位置处都接近0或1，在图2中限定为位置O，其甚至还可以是测量跨度之外的假想位置。易于校正两个感测器轨道之间的机械位置不匹配以获得所述的特定空间相位关系，因为经常可能的情况是将存储的偏移增加到至少一个感测器输出上，使其分数输出部分移位，以便恢复所述的特定相位关系。因此该特定相位关系可足以描述测量方法，因为通过一个感测器输出的简单物理或算术移位可将所有其它的可能相位关系减小到这一情况。在图2中示出的下一特性是通过从第一输出A或者其分数部分{A}减去第二输出B或者其分数部分{B}获得的差异{D1}的分数部分。由于输出以相应于节距的单位表达，差异的分数部分{D1}大致从靠近位置0的0(在0处的两个输出)达到位置R附近的I (等于N+0.5减去N-0.5)，然后跳转到0，以及返回位置2R附近的1:特性为具有节距R的单位高度锯齿形。其不连续性的确切位置是两个输出分数部分{A}和{B}相等之处，也就是当接近位置0或2R而此时两者接近0或I时，以及当接近位置R而两者接近0.5时。该分数差异{D1}乘以N或成N倍而形成N{D1}(未示出)，即，在减小的R范围内的近似绝对位置以R/N的单位来表达。其在R范围内大致线性地从0达到R，以及在下一 R范围内再次从0达到R，即一次在位置0和R之间，而一次在R和2R之间。确切的增量位置{SI}可通过考虑差异{D1}分数部分的一半(8卩，0.5{01}，其特性以虚线画出，其等于近似绝对位置N{D1}除以2N)来确定；然后从第一输出A或者其分数部分{A}减去0.5{D1}以及得到差异的分数部分。该相同的位置{SI}也可通过将0.5{D1}增加到第二输出B或者其分数部分{B}而确定，以及得到总和的分数部分。最终的确切增量位置{SI}具有单位高度的特性且在减小的R范围内具有N个节距。在减小的R范围的每一端部处存在0.5高度的非连续性，即在位置0，R，2R的位置处，因为差异0.5 {D1}的一半分数部分在相同位置处不连续。只要位置0和R之间的测量范围不包括它们，则与这些非连续性不相关。在小于R的减小绝对范围内从两个感测器输出计算所述确切增量位置(在R范围内从0到I的N倍)的另一种方法包括下述步骤:得到两个输出分数部分的平均值和差异，如果差异是负值则将0.5增加到平均值，之后得到分数部分。结果是相同的。从靠近位置0的0线性达到位置R附近的R的确切绝对位置(未示出)可通过得到合适绝对位置N{D1}的分数部分即{N{D1}}(其特性在图2中以虚线画出)而确定且将其适配到最接近的增量位置{SI}。相同值的确切增量位置通过其节距而间隔开，等于R/N，最接近的位置不会间隔开大于0.5单位或节距的距离。这将是最坏情况，其中近似绝对位置落入两个相同的类似“确切”位置之间。近似绝对位置的最大偏移距离确切的增量位置必须小于0.5单位。从两个感测器输出之间的差异的计算以及乘以系数N，以及假定两个感测器具有大约相同的位置误差，近似绝对位置可具有两个感测器误差之和的N倍:因此，每个感测器的偏差必须小于0.5节距除以2N。例如，如果N等于8，每个感测器的最大位置误差应该小于其节距的1/32。在小于R的绝对范围内的确切绝对位置是具有等于确切增量位置{SI}且最接近近似绝对位置的分数部分(在此为{N{D1}})的分数部分的位置:确切的增量位置变为确切绝对位置的分数部分，以及近似的绝对位置变为其整数部分，如果必要，通过一个单位的放大或缩小来进行调节以便获得最接近近似绝对位置的位置。例如，在近似绝对位置为7.3以及确切绝对位置为0.1的情况下，最接近的确切绝对位置将为7.1 (未对整数部分进行调节)；在近似绝对位置为7.1以及确切绝对位置为0.9的情况下，最接近的确切绝对位置将为6.9 (整数部分调低一个单位)。通过考虑两个位置之间的有效差异仅可在-0.5和+0.5之间，通过算术来按下述逐步地执行过程:一从确切增量位置{SI}减去近似绝对位置的分数部分{N{D1}}；—增加0.5 ；一得到分数部分；一减去0.5 ;结果是两个位置的差异；一将上述结果增加到近似绝对位置以便得到确切绝对位置。备选的下述逐步过程较短，但是使用处理指令:一从确切增量位置{SI}减去近似绝对位置分数部分的分数部分{N{D1}}；一如果差异小于-0.5则增加I或如果其大于+0.5则减去I ;结果是两个位置的
差异;一将上述结果增加到近似绝对位置以便得到确切绝对位置。希望缩窄两个位置的差异范围，也就是说在-0.25和+0.25之间，且利用在-0.5和+0.5之间的剩余值来探测误差。只要测量跨度仍在极限位置0和R内，上述就起作用。然而，在该范围之外，确切增量位置偏移0.5单位，如以前所述以及在图2中示出的那样。换言之，最接近的近似位置和确切位置之间的差异与0相比更接近0.5。对于大于R范围即超越极限位置0和R之一的测量跨度而言，这样对于0和R之间的位置为言，位置差异范围小于0.5，以及对于R和2R之间的位置而言，大于0.25。绝对测量通过下述可扩展到2R的整个范围，即通过另外检测近似绝对位置的分数部分{N{D1}}和确切增量位置{SI}之间的差异与0相比更接近0.5，如果是这样，将确切增量位置{SI}偏移0.5单位，重新计算确切增量位置，然后增加R，因为在该情况下所述位置在R和2R之间。这样仍在R和2R而不是在I和R之间进行计算，对于跟踪移动而言，其可能是更加不希望的。但是可以看出，为了正确地探测位置的一半范围，最大的感测器偏差必须小于0.25单位除以2N。在2R整个范围内确定确切绝对位置的更直接方式是通过在该整个范围内首先计算出足够精确的近似绝对位置而开始，例如通过下述步骤或其算术等同手段:(I)从第一感测器输出A或者其分数部分{A}减去近似绝对位置N{D1}或者其分数部分{N{D1}}，得到分数部分的差异，上述导致第一函数{D2A}，在图2中示出其特性大致从接近位置0的0达到接近位置2R的I ;(2)从近似绝对位置的之前计算的分数部分{N{D1}}减去第二感测器输出B或者其分数部分{B}的分数部分，得到分数部分的差异，上述导致第一函数{D2B}，在图2中示出其特性也大致从接近位置0的0达到接近位置2R的I ;(3)对两个函数{D2A}和{D2B}取算术平均数D2AB ；(4)从{D2A}减去函数{D2B}以便得到它们的差异D2D ；(5)如果差异D2D的绝对值大于0.5，将0.5增加到算术平均数D2AB以便确定校正的平均数D2 (如果不是大于0.5，则D2仍旧等于D2AB)；(6)得到校正平均数的分数部分{D2}(以虚线示出)，以便用于确定在2R整个范围内的确切增量位置；(7)将分数部分{D2}乘以2N以便得到近似绝对位置2N{D2}，未示出其，因为其刚好是从接近位置0的0达到接近位置2R的2N的{D2}的按比例增大的数。函数{D2}而不是更简单的函数{D2A}或{D2B}被使用，因为{D2A}或{D2B}会使得找到正确的绝对位置变得太不精确:函数{D2A}或{D2B}表示的近似绝对位置N{D1}将会产生相当于一个传感器的误差的N倍的误差，而这在第(7)步中再次被乘以2N。由于分数部分{D2}是由函数{D2A}及{D2B}的算术平均值得到的，由N{D1}带来的误差将被加入一次，并且减去并消除一次，因此在第(3)步之后只有两个传感器误差的算术平均值被留下来。在第(7)步之后的误差因此减少到只有两个传感器误差的算术平均值的2N倍。当使用函数{D2}时，函数{D2A}及{D2B}的可能偏离范围或者说误差带，表示为图2中的阴影区域。这些不仅仅是所示的横跨特性，但也是偏移了一个单位的特性，如同左上角和右下角所示的；这仅仅是因为这些函数的分数部分的特性，而其整数部分可以具有任何值。可以见到函数{D2A}及{D2B}的最大可能偏离值为0.25单位，以确保阴影区域之间的间隔仍然大于0.5单位。否则，上述的校正步骤(5)将会受损，因为算术平均值的检查(4)和校正
(5)步骤将变得模糊不清。由于在第(7)步中误差被放大2N倍，结果是每个传感器的最大可容忍误差也是
0.25单位或节距除以2N，而这是对应于2R的整个绝对范围。传感器的精确度极限因此被缩小了 2倍，而不是如前所述的缩短的范围的0.5单位除以2N倍。再次使用已经用在R缩短的范围的例子，其中N = 8，每个传感器在2R的整个范围上测量的最大位置误差，应该小于0.25节距除以2N，或者是节距的大约1/64。通过下述可以确定在2R整个绝对范围内有效的确切增量位置{S2}以及相反仅在减小范围内有效的确切增量位置{SI}，即通过将近似绝对位置的分数部分除以2N，也就是，从第一输出A或者其分数部分{A}减去函数{D2}，以及得到分数部分的差异；或等同地，其也可以通过将函数{D2}增加到第二输出B或者其分数部分{B}以及得到分数部分的总和来确定。类似于前述的确切增量位置{SI}，最终的确切增量位置{S2}具有单位高度的锯齿形特性，在R范围内具有N个节距。但是在位置0，R，2R附近再没有0.5的非连续型，使得确切增量位置的范围在理论上不受限制，甚至是确切绝对位置仅在2R范围内保持确定的情况下。这对具有全部绝对范围2R相等于一圈的旋转编码器来说是特别有用的，其无限的递增范围允许它跟踪并且对旋转的圈数进行计数。当然，额外的绝对编码装置也可以被添加以适用于大于一整圈的角度，例如导向轮，但是在这种情况中从一个完整圈范围无缝过渡到全部绝对范围2R的下一圈也简化了设计。通过下述可以确定从接近位置0的0线性地达到接近位置2R的2R的确切绝对位置(未示出)，即通过得到近似绝对位置的分数部分，即{2N{D2}}(其特性在图2中以虚线画出)，且将其调节到最接近的增量位置{S2}。而刚好对于减小的范围而言，整个范围的近似绝对位置的最大偏差必须小于0.5单位。总之在此这就是这种情况:两个感测器偏差的总和乘以N必须小于0.25单位以便确定校正的近似绝对位置{2N{D2}}。类似于在减小范围内的情况，在整个范围内的确切绝对位置是下述位置，其具有等于最接近近似绝对位置{2N{D2}}的分数部分的确切增量位置{S2}的分数部分。鉴于此，确切增量位置变为确切绝对位置的分数部分，然后得到近似绝对位置的整数部分，且必要时，向上或向下调节一个单位以便得到最接近近似绝对位置的位置。例如，在近似绝对位置为7.1以及确切增量位置为0.3的情况下，最接近的确切绝对位置为7.3 (未调节整数部分)；而在近似绝对位置为7.9以及确切增量位置为0.1的情况下，最接近的确切绝对位置为8.1 (整数部分向上调节一个单位)。这是一个简单的操作过程，其考虑到两个位置之间的有效差异必须在-0.5和+0.5之间。通过算术来按下述逐步地执行过程:一从确切增量位置{S2}减去近似绝对位置分数部分的分数部分{2N{D2}}；—增加0.5 ；一得到分数部分；一减去0.5 ;结果是两个位置的差异；一将上述结果增加到近似绝对位置以便得到确切绝对位置。下述过程较短，但是使用分支指令:一从确切增量位置{S2}减去近似绝对位置的分数部分{2N{D2}}；一如果差异小于-0.5则增加I或如果其大于+0.5则减去I ;结果是两个位置的
差异;一将上述结果增加到近似绝对位置以便得到确切绝对位置。—些流行的设备或者计量器可以使用缩短的范围或者全部范围，因为它们具有两个版本:标准的低成本高容积版本、以及高成本低容积版本，但后者具有大约两杯的测量跨度。例如，150毫米和300毫米的卡尺，10毫米和25毫米的数字转盘指示器，以及4毫米和10毫米的线性(铅笔)探针。在这些情况下也许使用相似的传感器(例如相同的读取头但分别为长的和短的轨道)也许是最优的，从而它们可以在具有不那么严格的精确度要求以及低制造成本的缩短范围中使用，也可以在成本不重要，但是需要更严格的精确度的完整范围中使用。根据在此描述的所有装置和方法，可以通过比较两个感测器来提高精度:为了测量以及因此校正两个感测器空间周期误差的一种方法是通过在所有位置测量具有较短节距的感测器，整数个节距在具有较长节距的感测器上间隔开，形成在具有较短节距的感测器的一个节距内散布的2N-1个分数位置，允许确定其周期误差，然后更换感测器重复上述，以及确定在具有较长节距的感测器的一个节距内散布的2N+1个位置。包括更多迭代和/或数学分析的变型会更精确，但是也会花费更长的时间。当然，由于按比例缩放的大范围误差可仅利用外部参照进行测量，且如果进行足够的测量，还可通过在整个范围内的逐点校正或通过测量或计算每个感测器的周期误差影响而顾及到空间周期误差。在所有的上述情况下，如此确定的误差值则可用于校正。优选实施例是适于沿位移的直线轴线进行绝对位置测量的量规，其利用第一和第二增量感测器，第一增量感测器包括第一轨道以及第一读数头，而第二增量感测器包括第二轨道和第二读数头。图3是沿其与位移轴线X相同的纵轴线的量规剖视图。第一轨道11和第二轨道12的位置位于同一支撑件10的相对侧上，支撑件10附接到圆柱形杆310。标尺11、12、同一支撑件10以及杆310 —起形成线性量规的移动部分或探头，其可沿着位移的轴线X相对于固定部分移动。固定部分包括圆柱形主体320，以及附接到其的第一和第二两个印刷电路板321、322，形成其一部分的第一和第二读数头21、22，第一和第二读数头21、22位于面对其相应轨道11、12的印刷电路板的那侧上。读数头21、22分别连接到电子器件323,324,电子器件323、324位于其相应印刷电路板321、322的相对侧上。轨道11、12位于移动部分上。应该注意，为了方便，图1的例如轨道的固定部分以及移动部分即读数头在图3中互换，因为由于它们的连接，在此具有固定的读数头更容易。移动部分和固定部分沿位移轴线X的相对移动通过线性轴线承340在主体320和杆310之间进行。还存在用于防止绕位置轴线X旋转的导向装置，在此未示出，因为在本领域内公知足够的方案:通常的方案是位于移动部分上在固定部分的槽内滑动的销；已知的备选方案包括滑动元件，诸如位于导引标尺的读数头上或靠近其的刚玉或特氟纶球珠。电子器件323、324通过贯穿电缆包皮层332的数据链接装置和动力链接装置(在此是连接线330)连接到外部设备。图4中的横截面视图示出读数头21、22面对相对移动支撑件10的轨道11、12的位置。印刷电路板321、322附接到主体320，其具有合适的腔室以便容纳所述的印刷电路板321、322和其电子器件 323、324。具有小至8毫米外径的非常紧凑的线性量规具有在US7，015，687中公开类型的增量感应感测器，该文献的全文通过引用结合于此。但是，取代如在US7，015，687专利附图中示出的并排的驱动和感测绕组，它们彼此沿着轨道按序排列，该轨道包括封闭的锯齿形扁平线圈，如在说明书第4栏第13-16行中建议的那样:“备选的，如果轨道由封闭锯齿形的导体制成，两组彼此可沿测量轴线按序排列”。图5相应示出两个读数头和两个轨道的扁平多极锯齿形绕组，其延伸部分标记为0，R，2R，在此为了清楚起见示意性地并排绘制。所有的扁平绕组利用两个金属层:在交叉处示出由顶层隐藏的底层。第一读数头21(顶部)具有交错的驱动绕组211、212以及交错的感测绕组213、214，上述绕组具有的节距与第一轨道11封闭绕组110的节距相同。第二读数头22 (底部)具有交错的驱动绕组221、222以及交错的感测绕组223、224，上述绕组具有的节距与第二轨道12封闭绕组120的节距相同。每一驱动或感测绕组由导体组成，导体的两终端连接通到位于其印刷电路板321或322背面上的电子器件323、324(在此隐藏看不到)。在该绕组构造中，驱动和感测绕组彼此沿其轨道11或12按序排列，这样它们的共同支撑件10以及带有读数头21、22的印刷电路板321、322可制备得足够窄以便如图4中所示那样适配于量规主体320内。在此新颖性的是将具有略微不同节距的这种现有技术的两个感测器相结合，这样在R范围内N+0.5个第一感测器节距与N-0.5个第二感测器节距相匹配。如在US7，015，687专利中公开的那样，一个空间周期或节距相应于扁平绕组沿测量轴线的一半锯齿，或换言之相应于绕组的一个单个磁极(存在两个磁极，即，每个锯齿存在两个反相旋转的电流线圈)。在此通过实例的方式，N等于4，第一轨道11的绕组110的2N+1或9个极对极节距与第二轨道12的绕组120的2N-1或7个极对极节距相匹配。在此通过实例的方式，两个轨道具有2R的长度，其仅允许较小的行程，因为只要其绕组完全面对标尺绕组，每一读数头就只可精确地检测位置。在实际情况下，两个轨道将必须显著地长于读数头以便允许较长的行程:如果读数头延伸到2R，轨道的长度应该至少为4R以便测量2R范围。每一增量感测器的操作在US7, 015，687专利中公开。基本而言，得自于经由轨道绕组从驱动绕组到感测绕组的耦联的感测器输出是标尺和读数头的相对位置的线性函数。当近距离操作时，两个感测器之间的交叉耦联当然必须倍最小化。通过下述可完成上述，通过定位于共同支撑件10内的第一轨道11和第二轨道12之间的在共同支撑件10内的金属平面(在此未示出)，或简单地通过将两个轨道充分间隔开，利用多个场在上述距离内的指数衰减:标尺分隔开大约一个极对极节距或R/N，衰减系数接近一千。此外，一个标尺部分遮掩另一个标尺的读数头，进一步减小交叉耦联。具有足够长度的读数头绕组还减少不同节距的绕组之间的交叉耦联，因为它们与远处的标尺(应该不工作的那个标尺)不匹配。且最后，标尺到标尺的耦联可通过使得标尺长度等于长度2R或其多倍而最小化。只要标尺绕组是多极的，其还可具有其它几何构型。具体的，顶层(最接近读数头)保持其锯齿形形状，但是内埋层包括一个或多个直的导体，其末端链接到顶层锯齿形的那些末端。上述通过较小其有效间隙而增加标尺和读数头之间的耦联，因为仅有顶层剩余耦联元件。还可能的是仅仅具有一层往复式的锯齿形绕组。在两种情况下，较短的标尺导体长度还降低不希望的导线效应。位移轴线X位于第一轨道11和第二轨道12之间，通过在每一感测器中形成性对测量误差而将标尺未对准的影响(还成为阿贝误差)最小化:这些基于其平均值可在确切位置中抵消。但是存在限制，因为这些误差累加且在基于它们的误差的近似位置中被放大。例如，利用通常间隔开大约一个节距的两个轨道，1%的总体未对准即0.01弧度的角度误差将导致为确切位置和近似位置之间N个节距的0.01倍的差异。为了在整个范围内确定确切位置，所述差异应该小于0.25节距，这样在此N应该保持在25以下。以其相应节距表示的每一感测器输出通过其电子器件作为数字信号传输，其分数部分具有在图2中示出的位置{A}或{B}的前述锯齿形特性。这些数字信号通过链接装置来传输，在此图3中示出的连接线330也用于从外部电源给感测器电子电路供电。为了减少连接数目，两个感测器具有串行数据输出，其计时允许它们组合成单个串行输出:当在外部问询数据时，两个感测器存储其位置，以及第一感测器发送其串行数据，之后是第二感测器。一个门将两个串行数据流组合成一个单个的数据流。仅需要四个连接，一个用于外部数据问询，另一个用于组合后的串行数据输出，以及两个用于电源；或者如果将同步时钟增加到读取数据上的话，仅需要五个连接。连接线330将两个电子器件链接到外部装置(未示出)，其用于从两个增量感测器的输出计算确切的绝对位置。所述外部装置的一个可能实施例可嵌入到微控制器内，该微控制器位于配线325远端处以及处理接口(例如，适于标准USN的接口)协议的连接器中。另一种可能性将为在量规中包括该微处理器，使得直接从量规获得绝对位置。独立于这些可能性，无线链接可代替上述线:因为量规功率需要非常低，因此可从外部无线供应动力。对于较长行程装置而言，匹配箱形的壳体将优选为圆柱形壳体:则其将更好且更简单地具有更宽的轨道和读数头，其具有并排的感测和驱动绕组，而不是如在US7，015，687专利中公开的在长度上彼此按序排列的那样。存在于封闭锯齿形扁平线圈中的上述标尺则可有利地由下述标尺取代，其存在于梯状导体内，具有仅稍微彼此影响的连续线圈，更好地适于跨过测量轴线而不是沿其耦联信号。主要优势在于不管标尺长度的恒定耦联系数，以及从与读数头不面对的标尺部分所拾取信号的不敏感度，其有利于非屏蔽的应用(在图3中示出的实施例中，感测器由量规主体屏蔽)。如在“技术领域”中所述的那样，本发明还可应用于具有弯曲轨道的实施例，尤其是旋转式标码器。对于180度或半圈的绝对范围，可以线圈轨道或梯级轨道来执行，但是对于360度或整圈的绝对范围，强制性地使用梯形轨道。适于上述的原因是对于一整圈的范围而言，两个轨道具有在一圈内的奇数个节距，一个轨道具有2N-1个节距,而另一个轨道具有2N+1个节距:这通过封闭的线圈轨道(沿其周边耦联)不能实现上述，其具有偶数个磁极，换言之许多S极和N极。但是，刚好对于优选的线性实施例而言，本发明的旋转式实施例提供高精确度和较大绝对范围的独特组合。
权利要求
1.利用具有空间周期或节距的第一和第二增量感测器沿着直线或弯曲路径来计算某一绝对位置的一种方法，N是整数，第一感测器的N+0.5个节距与沿着所述路径的R范围相匹配，而第二感测器的N-0.5个节距与沿着所述路径的同一 R范围相匹配； 从以其相应节距表示的第一和第二增量感测器输出来计算出: 以单位R/N表示的近似绝对位置具有相对于所述位置的在所述R范围内从0达到N单位的近似线性特性； 以单位R/N表示的确切增量位置具有分段的线性或锯齿形特性，在所述R/N范围内重复地从0达到一个单位，或在范围R内为从0到一个单位的N倍； 以单位R/N表示的确切绝对位置具有所述确切增量位置的分数部分且与所述近似绝对位置最接近。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在R范围内计算近似绝对位置包括下述步骤: 从第一增量感测器输出减去第二增量感测器输出，获得分数部分的差异以及使其与N相乘。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在2R范围内计算近似绝对位置包括下述附加步骤: 从所述第一增量感测器输出减去所述的近似绝对位置，以及得到其分数部分； 从所述近似绝对位置减去所述第二增量感测器输出，以及得到其分数部分； 得到两个分数部分的算术平均数； 减去所述分数部分，以及如果所述差异小于-0.5或大于+0.5，将0.5单位增加到近似绝对位置，得到最终的分数部分然后使其与2N相乘。
4.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述确切增量位置包括下述步骤: 将所述近似绝对位置除以2R以便确定商值； 将所述商值增加到所述第一增量感测器输出或从所述第二增量感测器输出减去所述商值； 得到每一结果的分数部分； 从而在绝对范围内获得为每个感测器精确度大约一半的精确度。
5.用于沿位移线性轴线的绝对位置测量的装置，其包括: 第一增量感测器，其包括第一轨道和面对所述第一轨道的第一读数头，所述第一轨道平行于带有空间周期特征的所述轴线，所述空间周期特征具有空间周期或节距，这样N+0.5个节距与沿着所述轴线的R范围相匹配，其中N是整数； 第二增量感测器，其包括第二轨道和面对所述第二轨道的第二读数头，所述第二轨道平行于带有空间周期特征的所述轴线，所述空间周期特征具有空间周期或节距，这样N-0.5个节距与沿着所述轴线的同一 R范围相匹配； 包括第一和第二读数头的基本固定部分或主体； 可移动部分或探头，其包括沿所述路径对准且可相对于所述主体沿所述位移线性轴线移动的所述第一和第二轨道； 链接装置，其用于给所述第一和第二读数头供电且将其输出信号传输到用于从其计算确切绝对位置的装置。
6.根据权利要求5所述的装置， 其中所述第一和第二轨道位于所述位移轴线的相对侧上且距离所述位移轴线大约等同的距离。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述链接装置包括结合以及传输两个感测器输出的串行数据传输链。
8.根据权利要求5所述的装置，还包括用于从两个增量感测器输出计算确切绝对位置的装置。
9.根据权利要求5所述的装置，其中所述增量感测器是感应式的，所述轨道包括扁平的多极绕组，其每一节距具有 沿位移轴线的一个磁极，以及与其相应轨道面对的每一读数头包括扁平的感测和驱动绕组，感测绕组分享一个区域，而驱动绕组分享另一不同的区域。
全文摘要
两个类似的增量感测器测量沿轴线x的同一位置，一个增量感测器在2R范围内具有2N+1个空间周期或节距或在R范围内具有N+0.5个节距。两个感测器包括标尺(11，12)和读数头(21，22)，标尺结合限定上述节距的空间周期特征。在绝对范围和可靠性之间进行折衷而得到数字N(在此其等于4)。在2R最大范围内的确切绝对位置可从两个感测器输出来计算，其具有的感测器精度为单个感测器精确度的大约2倍。对于小于R的减小绝对范围而言，计算确切绝对位置变得更简单且更能容忍感测器误差。利用两个这种增量感测器的高度线性绝对量规可构造于与模拟LVDT或半桥探头相同的主体内，且其数字输出使得外部模拟信号处理电路成为不必要的。
文档编号G01D5/12GK103105180SQ201210382248
公开日2013年5月15日 申请日期2012年10月10日 优先权日2011年10月10日
发明者汉斯·乌尔里希·迈尔 申请人:先进传感技术有限公司