专利名称：：组合编码式涡流栅绝对位置传感器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及的是一种测量仪器
技术领域：
的装置，具体是一种组合编码式涡流栅绝对位置传感器。
背景技术：
：在现有制造业现场使用的各种量具普遍向数字化、大量程、绝对码等方向发展，而且对防水、防尘、抗震、防磁的要求越来越高。目前，世界范围内推出的具备防水功能的大量程位移传感器归纳起来可分为以下四种第一种是基于差动变压器原理的位移传感器，这类传感器利用电涡流效应组成差动变压器式位移传感器，它由一对发射线圈和接收线圈组成，通过互感变化实现大量程位移测量，并具有防水功能，可以输出绝对位置信号。缺点是传感器线圈部分体积较大，不利于进一步小型化。第二种是基于变磁阻原理的位移传感器，这类传感器利用磁阻效应组成磁阻式位移传感器，体积小，可以实现大量程位移测量，并具有防水功能，但不能排除磁性颗粒物质的影响，而且这种原理的位移传感器输出信号是增量式的。第三种是基于感应同步器原理的位移传感器，这类传感器同差动变压器传感器相似，具有防水功能。缺点是传感器线圈部分体积较大，不利于进一步小型化，而且这种原理的位移传感器输出信号也是增量式的。第四种是基于横向电涡流效应的位移传感器，如中国专利“防水型电子数显卡尺”(专利申请号03115904.4)、“具有防水功能的大量程位移传感器”(专利申请号200310122731.5)、“具有误差平均效应的涡流栅绝对位置传感器”(专利申请号200810040920.0)。这几种传感器利用横向电涡流效应组成栅式位移传感器，具有出色的防水能力，并通过多码道相位差技术实现绝对位置信号输出。同时，有效解决了传统电涡流传感器体积大、功耗大的弊病，成功用于防水型电子数显卡尺。但是，由于制造误差和安装精度等方面的原因，这几种传感器仍然存在容易出现大数误差的现象，即绝对定位精度不高，可靠性不好的弊端。
发明内容本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种组合编码式涡流栅绝对位置传感器，针对现有技术中涡流栅的不足和缺陷进行改进，可适合用于各种防水型电子测量器具，可以降低现有涡流栅传感器对工艺的要求并进一步提高测量的精度。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括定栅、动栅和控制机构，其中动栅活动设置于定栅上并与控制机构相连接以输出传感信号。所述的定栅包括相互平行的测量码道和定位码道；所述的动栅包括与测量码道和定位码道相对应的两条动栅码道；所述的定位码道上设有若干个独立的金属定位导体，相邻金属定位导体的间距的平均值与定位码道的波长相同，任意两个相邻金属定位导体的间距符合组合编码规律。所述的测量码道上设有若干个独立且分布均勻的金属测量导体，相邻金属测量导体的间距为测量码道的波长。所述的第一动栅码道和第二动栅码道分别设有若干个平面线圈，其中在第二动栅码道上的平面线圈的数量为偶数，相邻平面线圈之间的中心距离等于测量码道波长的四分之一。所述的控制机构包括多路模拟开关、振荡器、调理器、采样保持单元、减法电路、整形电路、除法电路、译码电路和模拟数字转换电路，其中多路模拟开关与振荡器相连接用以将多个平面线圈在模拟数字转换电路的控制下分时接入振荡器中，振荡器与调理器相连接用以将振荡器输出的信号进行调理，调理器输出的信号接入采样保持单元并在模拟数字转换电路的控制下进行采样和保持，测量码道输出采样保持信号至减法电路进行减法运算后再输出至除法电路进行除法运算并最后输出至模拟数字转换电路中用以完成模拟信号到数字信号的转换，定位码道输出采样保持信号至整形电路进行整形后再输出至译码电路进行译码并最终输出至模拟数字转换电路。本发明工作过程如下当动栅相对定栅移动到任意某个位置时，定栅上每个平面线圈与金属反射导体处于不同的对应状态(线圈与导体相对或者错开)，因而各个线圈的电感也不同，经过相应的电路后分别输出相应的电信号的幅值也不同。这些幅值高低不同的模拟信号经数字化处理后变为高低电平信号，由此可以得到数字编码结果。有几个线圈，就可以几位编码。通过合理设计编码规则，保证在整个测量范围内编码是唯一的，就可以实现绝对编码，进而实现传感器绝对位置的定位。此编码结果即为测量大数，是定位码道波长的整数倍。当动栅相对定栅移动到任意某个位置时，定栅上每个平面线圈与金属反射导体处于不同的对应状态(线圈与导体相对或者错开)，因而各个线圈组的电感也不同，经过相应的电路后分别输出相应的电信号的幅值也不同。这些幅值高低不同的模拟信号经模数转换处理后变为数字信号，并送入微处理器进行数据处理，通过计算得到该位置的相位值。此相位值即为一个波长内的小数，它与绝对定位的大数合在一起，便是传感器此时的准确位置。在本发明的测量码道的动栅上，线圈是由多个间隔为一个波长的多个线圈以串联的方式连接在一起构成的。因此，一组内的每个线圈相对于定栅上反射导体的位置是一致的，因此这些线圈感应信号的相位是一致的。这一组线圈同时参与工作，等效于一个线圈。采用这种排列方式，线圈总的电感量成倍增加，测量灵敏度同步提高，同时可以大大增进误差平均效应，明显提高测量精度和稳定性，并可以大幅度降低对生产制作工艺的要求，从有有效地降低生产成本。图1是本发明结构示意图。图2是定位码道实施方案示意图。图3是测量码道实施方案示意图。图4是具有误差平均效应的测量码道实施方案示意图。图5是菱形线圈布局的测量码道实施方案示意图。具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括定栅1、动栅2和控制机构3，其中动栅2活动设置于定栅1上并与控制机构3相连接以输出传感信号。所述的定栅1包括相互平行的测量码道4和定位码道5；所述的动栅2包括与测量码道测量码道4和定位码道5相对应的两条动栅码道6、7；所述的定位码道5上设有若干个独立的金属定位导体，相邻金属定位导体的间距的平均值与定位码道5的波长相同，任意两个相邻金属定位导体的间距符合组合编码规律。所述的测量码道4上设有若干个独立且分布均勻的金属测量导体，相邻金属测量导体的间距为测量码道的波长。所述的第一动栅码道7和第二动栅码道6分别设有若干个平面线圈8，其中在第二动栅码道6上的平面线圈8的数量为偶数，相邻平面线圈8之间的中心距离等于测量码道波长的四分之一。所述的控制机构3包括多路模拟开关、振荡器、调理器、采样保持单元、减法电路、整形电路、除法电路、译码电路和模拟数字转换电路，其中多路模拟开关与振荡器相连接用以将多个平面线圈在模拟数字转换电路的控制下分时接入振荡器中，振荡器与调理器相连接用以将振荡器输出的信号进行调理，调理器输出的信号接入采样保持单元并在模拟数字转换电路的控制下进行采样和保持，测量码道输出采样保持信号至减法电路进行减法运算后再输出至除法电路进行除法运算并最后输出至模拟数字转换电路中用以完成模拟信号到数字信号的转换，定位码道输出采样保持信号至整形电路进行整形后再输出至译码电路进行译码并最终输出至模拟数字转换电路。如图2所示为本实施例的定位码道组成与位置关系。在动栅2的定位码道上按测量移动方向连续制作若干独立且均勻分布的平面线圈8，其分布间距(或称周期)即为定位码道的波长λρ。在定栅1的定位码道上按测量移动方向制作若干独立且按照一定编码规则分布的金属反射导体9，其平均分布间距与为定位码道的波长λρ相同，但是分布规律是非均勻的，是按照特定的编码规则进行排列的。当动栅2相对定栅1移动到任意某个位置时，定栅1上每个平面线圈8与金属反射导体9处于不同的对应状态(线圈与导体相对或者错开)，因而各个线圈8的电感也不同，经过相应的电路后分别输出相应的电信号的幅值也不同。这些幅值高低不同的模拟信号经数字化处理后变为高低电平信号，由此可以得到数字编码结果。有几个线圈，就可以几位编码。通过合理设计编码规则，保证在整个测量范围内编码是唯一的，就可以实现绝对编码，进而实现传感器绝对位置的定位。此编码结果即为测量大数，是定位码道波长λρ的整数倍。定位码道是通过单一码道实现绝对定位，因此必须采用一维绝对编码技术来实现全量程的绝对位置定位。因此，定位码道的参数设计(包括平面线圈数量ΝΡ、波长λρ等)应兼顾测量范围R和绝对定位精度。在相同的测量范围R内，平面线圈Np越多，得到的绝对编码位数就越高，绝对定位精度也就越高。在相同的位数下，波长λρ越大，实现绝对定位的范围也越大，测量量程R也越大。定位码道的波长λρ可以与测量码道的波长λΜ相同，或者小于测量码道的波长λΜ，但不能大于测量码道的波长λΜ，否则容易引入测量误差。另一方面，为了不使整个传感器组件的尺寸过大，定位码道的波长λρ也不宜过大，因为定位码道线圈Lp总长等于波长λρ乘以线圈数量ΝΡ。因此，需要这种考虑各参数，综合确定比较适合的范围。例如，假设测量量程取为R=300mm，位移测量分辨力为0.01mm，测量码道的波长取为λΜ=5.12mm，则定位码道的定位精度应不低于5.12mm才能满足总的测量要求。因此选取定位码道波长为λρ=2.56mm，可以满足定位精度的要求。定位码道线圈数量为Np=7，则绝对定位范围为27*2.56=327.68mm，可以满足测量范围的要求。定位码道的编码方式是实现绝对定位的关键所在。对编码的要求，一是互异性，即全量程内没有重复；二是确切性，即任何位置不得出现中间过渡状态；三是同步性，即相邻两个编码之间尽可能仅有一位变化，从而降低同步产生的误差。具体编码方法可以采用通行的各种编码法则，以下是其中一种编码方法对于7位码字的编码，其范围是27=128，令其第0位(起始位)为0000000，尾段编码为01111111000000，其余各位编码过程如下第1位只能是1。第2-6位都令其为0。第7位只能是1，否则与尾段编码中的1000000重复。第8位只能是1，否则与第2位的码字0000010重复。第9位可以是0或1，令其为0，标记号1。第10位可以是0或1，令其为0，标记号2。第11位可以是0或1，令其为0，标记号3。第12位可以是0或1，令其为0，标记号4。第13位只能是1，否则与尾段编码中的1100000重复。第14位只能是0，否则与第8位的码字0000011重复。第15位只能是1，否则与第3位的码字0000100重复。第16位可以是0或1，令其为0，标记号5。第17位可以是0或1，令其为0，标记号6。第18位可以是0或1，令其为0，标记号7。第19位可以是0或1，令其为0，标记号8。第20位只能是1，否则与第6位的码字0100000重复。第21位只能是1，否则与第14位的码字1000010重复。第22位只能是1，否则与第9位的码字0000110重复。第23位可以是0或1，令其为0，标记号9。第24位可以是0或1，令其为0，标记号10。第25位可以是0或1，令其为0，标记号11。第26位只能是1，否则与尾段编码中的1110000重复。第27位可以是0或1，令其为0，标记号12。第28位可以是0或1，令其为0，标记号13。第29位只能是1，否则与第4位的码字0001000重复。第30位可以是0或1，令其为0，标记号14。第31位可以是0或1，令其为0，标记号15。第32位可以是0或1，令其为0，标记号16。第33位只能是1，否则与第5位的码字0010000重复。第34位可以是0或1，令其为0，标记号17。第35位只能是1，否则与第28位的码字1000100重复。第36位只能是1，否则与第16位的码字0001010重复。第37位可以是0或1，令其为0，标记号18。第38位可以是0或1，令其为0，标记号19。第39位可以是0或1，令其为0，标记号20。第40位只能是1，否则与第12位的码字0110000重复。第41位只能是1，否则与第27位的码字1100010重复。第42位可以是0或1，令其为0，标记号21。第43位只能是1，否则与第10位的码字0001100重复。第44位可以是0或1，令其为0，标记号22。第45位可以是0或1，令其为0，标记号23。第46位可以是0或1，令其为0，标记号24。第47位只能是1，否则与第19位的码字1010000重复。第48位只能是1，否则与第34位的码字0100010重复。第49位只能是1，否则与第42位的码字1000110重复。第50位只能是1，否则与第23位的码字0001110重复。第51位可以是0或1，令其为0，标记号25。第52位可以是0或1，令其为0，标记号26。第53位只能是1，否则与尾段编码中的1111000重复。第54位可以是0或1，令其为0，标记号27。第55位可以是0或1，令其为0，标记号28。第56位只能是1，否则与第32位的码字1001000重复。第57位只能是1，否则与第30位的码字0010010重复。第58位可以是0或1，令其为0，标记号29。第59位可以是0或1，令其为0，标记号30。第60位只能是1，否则与第11位的码字0011000重复。第61位可以是0或1，令其为0，标记号31。第62位只能是1，否则与第55位的码字1100100重复。第63位可以是0或1，令其为0，标记号32。第64位只能是1，否则与第17位的码字0010100重复。第65位可以是0或1，令其为0，标记号33。第66位可以是0或1，令其为0，标记号34。第67位只能是1，否则与第18位的码字0101000重复。第68位可以是0或1，令其为0，标记号35。第69位只能是1，否则与第31位的码字0100100重复。第70位只能是1，否则与第63位的码字1001010重复。第71位只能是1，否则与第37位的码字0010110重复。第72位可以是0或1，令其为0，标记号36。第73位可以是0或1，令其为0，标记号37。第74位只能是1，否则与第25位的码字0111000重复。第75位只能是1，否则与第54位的码字1110010重复。第76位可以是0或1，令其为0，标记号38。第77位只能是1，否则与第59位的码字1001100重复。第78位只能是1，否则与第44位的码字0011010重复。第79位可以是0或1，令其为0，标记号39。第80位可以是0或1，令其为0，标记号40。第81位只能是1，否则与第39位的码字1011000重复。第82位只能是1，否则与第61位的码字0110010重复。第83位只能是1，否则与第76位的码字1100110重复。第84位可以是0或1，令其为0，标记号41。第85位只能是1，否则与第24位的码字0011100重复。第86位可以是0或1，令其为0，标记号42。第87位可以是0或1，令其为0，标记号43。第88位只能是1，否则与第46位的码字1101000重复。第89位只能是1，否则与第68位的码字1010010重复。第90位只能是1，否则与第58位的码字0100110重复。第91位只能是1，否则与第84位的码字1001110重复。第92位只能是1，否则与第51位的码字0011110重复。第93位只能是0，否则与尾段编码中的0111111重复。第94位只能是1，否则与尾段编码中的1111100重复。第95位可以是0或1，令其为0，标记号44。第96位只能是1，否则与第87位的码字1110100重复。第97位可以是0或1，令其为0，标记号45。第98位只能是1，否则与第66位的码字1010100重复。第99位只能是1，否则与第65位的码字0101010重复。第100位可以是0或1，令其为0，标记号46。第101位只能是1，否则与第38位的码字0101100重复。第102位可以是0或1，令其为0，标记号47。第103位只能是1，否则与第45位的码字0110100重复。第104位只能是1，否则与第97位的码字1101010重复。第105位只能是1，否则与第100位的码字1010110重复.第106位只能是1，否则与第72位的码字0101110重复。第107位可以是0或1，令其为0，标记号48。第108位只能是1，否则与第52位的码字0111100重复。第109位只能是1，否则与第95位的码字1111010重复。第110位可以是0或1，令其为0，标记号49。第111位只能是1，否则与第80位的码字1101100重复。第112位只能是1，否则与第102位的码字1011010重复。第113位只能是1，否则与第79位的码字0110110重复。第114-127位为尾段编码01111111000000由此可以得到编码结果如下<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>如图3所示是本实施例的测量码道的组成与位置关系示意图。在定栅1的测量码道上按测量移动方向连续制作若干独立且均勻分布的金属反射导体9，其分布间距(或称周期)即为测量码道的波长λΜ。在动栅2的测量码道上按测量移动方向制作若干组独立且按照一定规律分布的平面线圈8，线圈8的数量一般为偶数，线圈之间的中心距离等于测量码道波长λΜ的四分之一。当动栅2相对定栅1移动到任意某个位置时，定栅1上每个平面线圈8与金属反射导体9处于不同的对应状态(线圈8与导体9相对或者错开)，因而各个线圈8的电感也不同，经过相应的电路后分别输出相应的电信号的幅值也不同。这些幅值高低不同的模拟信号经模数转换处理后变为数字信号，并送入微处理器进行数据处理，通过计算得到该位置的相位值。此相位值即为一个波长λΜ内的小数，它与绝对定位的大数合在一起，便是传感器此时的准确位置。为了降低对生产制造工艺的要求，进一步提高精度和可靠性，在本实施例在动栅2的测量码道上的线圈8是由多个间隔为一个波长的多个线圈以串联的方式连接在一起构成的。如图4所示，因此，一组内的每个线圈相对于定栅1上反射导体的位置是一致的，因此这些线圈感应信号的相位是一致的。这一组线圈同时参与工作，等效于一个线圈。采用这种排列方式，线圈总的电感量成倍增加，测量灵敏度同步提高，同时可以大大增进误差平均效应，明显提高测量精度和稳定性，并可以大幅度降低对生产制作工艺的要求，从有有效地降低生产成本。为了进一步减小传感器的横向体积，测量码道线圈可以采用多种不同形状，例如菱形、六边形等，如图5所示。权利要求一种组合编码式涡流栅绝对位置传感器，包括定栅、动栅和控制机构，其中动栅活动设置于定栅上并与控制机构相连接以输出传感信号，其特征在于所述的定栅包括相互平行的测量码道和定位码道；所述的动栅包括与测量码道和定位码道相对应的两条动栅码道；所述的定位码道上设有若干个独立的金属定位导体，相邻金属定位导体的间距的平均值与定位码道的波长相同，任意两个相邻金属定位导体的间距符合组合编码规律；所述的测量码道上设有若干个独立且分布均匀的金属测量导体，相邻金属测量导体的间距为测量码道的波长。2.根据权利要求1所述的组合编码式涡流栅绝对位置传感器，其特征是，所述的第一动栅码道和第二动栅码道分别设有若干个平面线圈。3.根据权利要求2所述的组合编码式涡流栅绝对位置传感器，其特征是，所述的第二动栅码道上的平面线圈的数量为偶数，相邻平面线圈之间的中心距离等于测量码道波长的四分之一。4.根据权利要求1所述的组合编码式涡流栅绝对位置传感器，其特征是，所述的控制机构包括多路模拟开关、振荡器、调理器、采样保持单元、减法电路、整形电路、除法电路、译码电路和模拟数字转换电路，其中多路模拟开关与振荡器相连接用以将多个平面线圈在模拟数字转换电路的控制下分时接入振荡器中，振荡器与调理器相连接用以将振荡器输出的信号进行调理，调理器输出的信号接入采样保持单元并在模拟数字转换电路的控制下进行采样和保持，测量码道输出采样保持信号至减法电路进行减法运算后再输出至除法电路进行除法运算并最后输出至模拟数字转换电路中用以完成模拟信号到数字信号的转换，定位码道输出采样保持信号至整形电路进行整形后再输出至译码电路进行译码并最终输出至模拟数字转换电路。全文摘要一种测量仪器
技术领域：
的组合编码式涡流栅绝对位置传感器，包括定栅、动栅和控制机构，其中动栅活动设置于定栅上并与控制机构相连接以输出传感信号，所述的定栅包括相互平行的测量码道和定位码道；所述的动栅包括与测量码道和定位码道相对应的两条动栅码道；所述的定位码道上设有若干个独立的金属定位导体，相邻金属定位导体的间距的平均值与定位码道的波长相同，任意两个相邻金属定位导体的间距符合组合编码规律。本发明针对现有技术中涡流栅的不足和缺陷进行改进，可适合用于各种防水型电子测量器具，可以降低现有涡流栅传感器对工艺的要求并进一步提高测量的精度。文档编号G01D5/12GK101806575SQ201010154489公开日2010年8月18日申请日期2010年4月24日优先权日2010年4月24日发明者刘伟文,吕春峰,王梦雪,赵辉,陶卫,齐红丽申请人:上海交通大学