专利名称：采用相位插补和数字化电路的容栅测量装置及测量方法
技术领域：
本发明是一种位移测量系统，属于计量测试技术和仪器专业，机电一体化技术领域。该测量系统用于量具如数显卡尺、数显千分表，也用于量仪和机床的数显、数控系统。本发明是将容栅传感器用于实时的自动控制系统中，在提高测量分辨率的同时也提高了系统的测量速度。本发明可使容栅测量系统获得微米级和亚微米级的测量分辨。
背景技术：
上世纪七十年代初电容位移传感器是继感应同步器和光栅传感器之后的动栅和定栅结构，并以栅距为测量周期，实现了增量式测量，同样也应用了平均效应和差动技术，成功地解决了丝级和微级大量程的位移测量。1972年由瑞士人H.U.Meyer发明并取得专利的电容测量系统称为SYLVAC系统。瑞典人N.I.Andermo 1977年12月9日申请了《电容位移测量装置》瑞典专利，专利号为SE7714010，并在1986年12月12日申请了美国专利US4743902，1987年申请了中国专利CN87102624A。H.U.Meyer在1980年12月21日申请了名为《长度和角度的电容测量方法》瑞士专利，专利号为CH8609/80，并在1981年12月20日又申请了CN86107942A中国专利。现国内所用的容栅测量芯片是由航天部101所、兵器部214所生产的E78118A、SH7122和上海新茂半导体公司生产的SN6602，其电路和处理方法和Meyer、Andermo的专利相似。归纳起来有如下特点第一，传感器滑尺也可称为读数头，沿移动方向分布若干组供电电极亦称发射极m个，并至少有一个接收极。标尺是栅距为常数的刻度板。
第二，驱动信号的特征产生m路矩形波供电信号，各路信号的幅度和频率相同，并依次相差360/m度。供电信号的脉冲宽度是被调制的矩形波。
第三，信号的处理接收信号是被调制的载波信号，再经放大解调得到载波信号的包络线，即反映位移的调相信号。整形后成为方波，经A/D转换后得到位移数据。
上述容栅位移测量系统的输出是分时的，输出数据滞后于位移，不能用于实时的控制系统中；另一方面反映容栅的位移信号解调后的频率仅为驱动信号(载波信号)频率的1/20，降低了系统的测量速度；第三点是对容栅栅距的细分技术还不够完善，细分数不高，即测量分辨率不高。
发明内容
本发明的目的第一，实现容栅测量系统实时数字输出，使容栅传感器能用于自动控制系统中；第二，实现对容栅栅距的高倍细分，提高容栅测量系统的分辨率，使分辨率达到微米级和亚微米级；第三，本测量系统中不采用调制和反调制技术，而用提高调相波频率的办法来提高容栅测量系统的速度。
本发明的技术要点如图1所示采用实时的数字系统，传感器驱动信号的振幅、频率相同，相位是依次相差45°的八路矩形波，矩形波的频率是时钟f0的n分频，接收极得到的位移信号是和驱动信号频率相同的调相波，调相波的频率也是时钟调f0的n分频，n是容栅栅距τ的细分数，可以任意选定，调相信号的一个周期是容栅的一个栅距，用相位内插法对栅距进行插补细分，τ/n是测量系统的最小步距，从内插控制电路输出端OUT1和OUT2得到实时的位移脉冲，脉冲当量是位移的最小步距，输出脉冲的频率是传感器位移的速度。其硬结构为时钟f0分别与分频驱动器、调相分频器、内插控制电路、整形同步器连接，分频驱动器与传感器连接，传感器与前置放大器、选频放大器、整形同步器串联后再连接到鉴相器，调相分频器分别与鉴相器、内插控制电路连接，内插控制电路有两个输出端OUT1、OUT2，OUT1输出端与调相分频器相连；输出信号端OUT1和OUT2分别输出加/减计数脉冲CP+/CP-，OUT1和OUT2分别接至数控CNC系统亦可，接至可逆计数器后再并行接入译码驱动器，LCD显示器。
本发明将容栅测量系统由分时的测量系统改变为实时的测量系统，并对容栅栅距进行高倍细分，从而提高测量系统的分辨率。由于采用较高频率的调相系统，亦提高测量速度，本电路的输出信号是两路加CP+、减CP-脉冲信号，每个脉冲是测量系统的最小步距，再由可逆计数器10计数测量位移，或送入反馈控制CNC系统13实现实时控制。本发明的技术要点如图1所示，时钟1的f0经分频驱动器2实现n分频，并输出八路频率为f0/n的矩形波去驱动传感器3。在传感器3接收极R上获得频率仍为f0/n的调相波，相位为2πx/τ(其中τ是栅距，x是传感器的位移)随测量距离x而变。调相器7进行n分频输出基准比相脉冲与传感器3输出的行波脉冲经前置放大器4、选频放大器5、整形同步器6进入鉴相器8中鉴相，再经内插控制电路9后，在输出端OUT1和OUT2可获得代表正负方向的计数脉冲CP+和CP-。调相分频器分别与分频驱动器2、整形同步器6连接。其中n为容栅栅距τ的细分数，可以任意设定，如500，1000，…，5000等，计数脉冲CP的当量可以是10μm、5μm、1μm、0.5μm、0.1μm，计数脉冲CP和传感器的位移x是实时同步的。CP可以送入可逆计数器10，经译码/驱动器11在LCD显示器12中显示位移，这就是数显。也可以直接送入数控CNC系统13中。本发明和现行的容栅测量系统不同点第一点，输出脉冲信号是实时的，可用于数控；第二点，可以对容栅栅距进行任意高倍n细分实现亚微米级测量；第三点，传感器的驱动信号频率与接收信号的频率是一致的，即同是f0/n，而不是现行系统的1/20。
本发明具体描述和实施方式按以下图示叙述。
图1.本发明的容栅测量系统框图；图中1-时钟、2-分频驱动器、3-传感器、4-前置放大器、5-选频放大器、6-整形同步器、7-调相器、8-鉴相器、9-内插控制电路、10-可逆计数器、11-译码驱动器、12-显示器、13-CNC系统图2.容栅读数头(滑尺)和标尺的示意图；图中2-分频驱动器、3-传感器、4-前置放大器图3.传感器的驱动电路和接收电路；图中1-时钟、2-分频驱动器、3-传感器、4-前置放大器、5-选频放大器；图4.调相分频电路，整形同步电路，鉴相电路、内插控制电路；图中1-时钟、6-整形同步、7-调相器、8-鉴相器、9-内插控制电路。
具体实施例方式
本发明适用于容栅通用传感器，传感器结构示意图如图2所示，E为发射极，M为反射极，S为屏蔽极，R为接收极，τ是容栅的栅距，M和S在标尺上，E和R在滑尺上。本发明的驱动电路是八路矩形波2，各路供电信号的幅度和频率相同，相位依次相差45°。矩形波的频率是f0/n，f0是时钟1的频率，n为栅距细分数，可以任意设定。其线路按如下方式连接传感器通过电容C1与前置放大器IC1正端连接，IC1正向端同时连接电阻R3，R3分别连接电阻R1和R2，R1连接电源，R2接地；IC1的负向端分别连接电阻R4、R5，R5分别与IC1的输出端及电容C2连接，电阻R4另一端接地；电容C2的另一端分别连接电容C3和电阻R6，R6的另一端接地，C3的另一端分别连接电容C4、C5及电阻R7，R7的另一端接地，C4的另一端分别接选频放大器IC2的负向端及电阻R8，R8的另一端分别接IC2的输出端及C5，IC2的正向端接地。传感器的驱动电路和接收电路如图3所示产生八路驱动信号的是分频驱动器2。时钟f0经4/n分频后接入触发器IC4的时钟输入端，IC4的Q端接D端再接触发器IC6的时钟输入端，IC4的Q端接触发器IC5的时钟输入端，IC5的Q端接IC6的D端，再接触发器IC7的时钟输入端，IC5的Q端接触发器IC8的时钟输入端，IC6的Q端接触发器IC9的时钟输入端，IC6的Q端接IC5的D端再接触发器IC10时钟输入端，IC7的Q端接IC8的D端，IC8的Q端接IC7的D端，IC9的Q端接IC10的D端，IC10的Q端接IC9的D端；IC7、IC8、IC9、IC10的Q和Q端作为八路输出接入传感器。传感器3的输出信号是阶梯波，频率仍为f0/n，相位为2πx/τ其中x为位移，经前置放大器4和选频放大器5后得到调相的正弦波信号sin[2π(f0/n)t±2πx/τ]，t为时间。图3中放大器IC1的正端接电容C1和电阻R3，R3的另一端由R1和R2分压后供电，图3中放大器IC2的负端接电容C4、电阻R8，R8另一端接IC2输出端。选频放大器5中电容C3、C4、C5和电阻R7共接一点，C4和R8的一端接IC2的负端，R8和C5的另一端接IC2输出，R7另一端接地，C3另一端接C2输出。整形和同步电路如图4中的6所示，代表位移的调相信号J1经C6输入给放大器IC3的负端，电阻R9一端接IC3负端另一端接Vcc/2，IC3正端接电阻R10和R11，R10另一端接Vcc/2，R11另一端接IC3输出端，再经电阻R12接Vcc，IC3输出端经ICC的D端经与非门IC16同步整形后得到行波的比相脉冲再传输给鉴相器8。调相器7由分频器、D触发器和控制门组成，输出基准比相脉冲与行波比相脉冲进行鉴相，使鉴相器8的输出信号始终跟随行波的信号变化。由与非门组成的鉴相器8，检测行波比相脉冲与基准比相脉冲的相位关系。鉴相器8、调相器7和时钟脉冲15。传输给与非门组成的内插控制电路9，就可以在输出端OUT1和OUT2得到代表正反方向位移的计数脉冲CP+和CP-。具体线路按如下方式连接测量位移的调相信号通过电容C6接至放大器IC3的负向端，电阻R9也接至IC3的负向端，R9的另一端接电阻R10再接电源Vcc/2，R10的另一端接IC3的正向端，电阻R11接IC3的正向端，R11的另一端接IC3的输出端，电阻R12接IC3的输出端，R12的另一端接电源；IC3的输出端接触发器IC11的D端，IC11的Q端接IC12的D端，再接至与非门IC16的输入端，触发器IC12的Q端也接至触发器IC16的另一输入端，IC11和IC12的时钟输入端分别接时钟f0；调相分频器7的输入电路接法如下输出端OUT1接至触发器IC13的时钟输入端，触发器IC13的Q端接D端，OUT1端接与非门IC17的输入端，IC13的Q端接IC17的另一输入端，IC17的输出端接与非门IC18的输入，与非门IC26的输出端接与非门IC18的另一输入端，IC18的输出信号经4/n分频后端连接至触发器IC14的时钟输入端，IC14的Q端接D端，触发器IC15的时钟输入端接时钟f0，与非门IC19的输入端接IC15的Q端，IC19的另一输入端接IC15的D端再接IC14的Q端，IC19的输出端和IC16的输出端分别接入由与非门IC20和IC21组成的比较器8的两个输入端；与非门IC22、IC23、IC24、IC25组成内插控制电路，IC24输出端输出正向位移脉冲CP+，IC25的输出端输出负向位移脉冲CP-。
本发明优点和效果本发明是一种采用相位插补和数字化电路的容栅测量系统，用作位移测量。常用于数显量具如卡尺和千分表，也用于量仪和机床的数显、数控系统。现有的容栅测量系统只能用于分时显示，不能用于实时显示和控制。现有数显卡尺分辨率是0.01mm，最大速度1.5m/s；国产数显千分表分辩率为0.001mm时，其速度降到0.3m/s。本发明可将容栅测量系统的分辨率提高到微米级和亚微米级，如将数显卡尺分辨率提高到0.005mm，速度提高到4m/s；数显千分表分辨率为0.0005mm时，其速度为0.8m/s。也可以将卡尺做成数显千分卡尺，分辨率达到0.001mm。除此之外本发明还可以将容栅传感器直接用于数控系统。使用本数显及测量方法可以使容栅测量系统的分辨率从1微米提高到0.5微米和0.1微米。
本发明用于数显卡尺和机床数显装置，长度测量分辨率为0.005mm，测量速度为4m/s；本发明用于广陆的数显千分表，长度测量分辨率为0.001mm和0.005mm，速度为0.8m/s；本发明也可以将容栅传感器的输出脉冲CP+和CP-按入数控系统。
权利要求
1.采用相位插补和数字化电路的容栅测量装置及测量方法，其特征在于采用实时的数字系统，传感器驱动信号的振幅、频率相同，相位是依次相差45°的八路矩形波，矩形波的频率是时钟f0的n分频，接收极得到的位移信号是和驱动信号频率相同的调相波，调相波的频率也是时钟调f0的n分频，n是容栅栅距τ的细分数，可以任意选定，调相信号的一个周期是容栅的一个栅距，用相位内插法对栅距进行插补细分，τ/n是测量系统的最小步距，从内插控制电路输出端OUT1和OUT2得到实时的位移脉冲，脉冲当量是位移的最小步距，输出脉冲的频率是传感器位移的速度，其硬结构为时钟f0分别与分频驱动器、调相分频器、内插控制电路、整形同步器连接，分频驱动器与传感器连接，传感器与前置放大器、选频放大器、整形同步器串联后再连接到鉴相器，调相分频器分别与鉴相器、内插控制电路连接，内插控制电路有两个输出端OUT1、OUT2，OUT1输出端与调相分频器相连；输出信号端OUT1和OUT2分别输出加/减计数脉冲CP+/CP-，OUT1和OUT2分别接至数控CNC系统亦可，接至可逆计数器后再并行接入译码驱动器，LCD显示器。
2.根据权利要求1所述的采用相位插补和数字化电路的容栅测量装置及测量方法，其特征在于前置放大器和选频放大器按以下方式连接传感器通过电容C1与前置放大器IC1正端连接，IC1正向端同时连接电阻R3，R3分别连接电阻R1和R2，R1连接电源，R2接地；IC1的负向端分别连接电阻R4、R5，R5分别与IC1的输出端及电容C2连接，电阻R4另一端接地；电容C2的另一端分别连接电容C3和电阻R6，R6的另一端接地，C3的另一端分别连接电容C4、C5及电阻R7，R7的另一端接地，C4的另一端分别接选频放大器IC2的负向端及电阻R8，R8的另一端分别接IC2的输出端及C5，IC2的正向端接地。
3.根据权利要求1所述的采用相位插补和数字化电路的容栅测量装置及测量方法，其特征在于八路驱动信号按以下方式连接时钟f0分频4/n后接入触发器IC4的时钟输入端，IC4的Q端接D端再接触发器IC6的时钟输入端，IC4的Q端接触发器IC5的时钟输入端，IC5的Q端接IC6的D端，再接触发器IC7的时钟输入端，IC5的Q端接触发器IC8的时钟输入端，IC6的Q端接触发器IC9的时钟输入端，IC6的Q端接IC5的D端再接触发器IC10时钟输入端，IC7的Q端接IC8的D端，IC8的Q端接IC7的D端，IC9的Q端接IC10的D端，IC10的Q端接IC9的D端；IC7、IC8、IC9、IC10的Q和Q端作为八路输出接入传感器。
4.根据权利要求1所述的采用相位插补和数字化电路的容栅测量装置及测量方法，其特征在于传感器输出信号经前置放大器IC1和选频放大器IC2后整形同步电路6和调相分频器7的电路按以下方式连接测量位移的调相信号通过电容C6接至放大器IC3的负向端，电阻R9也接至IC3的负向端，R9的另一端接电阻R10再接电源Vcc/2，R10的另一端接IC3的正向端，电阻R11接IC3的正向端，R11的另一端接IC3的输出端，电阻R12接IC3的输出端，R12的另一端接电源；IC3的输出端接触发器IC11的D端，IC11的Q端接IC12的D端，再接至与非门IC16的输入端，触发器IC12的Q端也接至触发器IC16的另一输入端，IC11和IC12的时钟输入端分别接时钟f0；调相分频器7的输入电路接法如下输出端OUT1接至触发器IC13的时钟输入端，触发器IC13的Q端接D端，OUT1端接与非门IC17的输入端，IC13的Q端接IC17的另一输入端，IC17的输出端接与非门IC18的输入，与非门IC26的输出端接与非门IC18的另一输入端，IC18的输出信号经4/n分频后端连接至触发器IC14的时钟输入端，IC14的Q端接D端，触发器IC15的时钟输入端接时钟f0，与非门IC19的输入端接IC15的Q端，IC19的另一输入端接IC15的D端再接IC14的Q端，IC19的输出端和IC16的输出端分别接入由与非门IC20和IC21组成的比较器8的两个输入端；与非门IC22、IC23、IC24、IC25组成内插控制电路，IC24输出端输出正向位移脉冲CP+，IC25的输出端输出负向位移脉冲CP-。
全文摘要
采用相位插补和数字化电路的容栅测量装置及测量方法属于计量测试技术和仪器专业及机电一体化技术领域。本发明是一种位移测量系统，常用于量具如数显卡尺、数显千分表，也用于量仪和机床的数显、数控。本发明由时钟、分频驱动器、传感器、前置放大器、选频放大器、整形同步器、调相分频器、鉴相器、内插控制电路组成。本发明是一个实时的数字测量系统，能对容栅传感器的栅距进行高倍细分，可获得微米级和亚微米级的测量分辨率，并有较高的测量速度，使容栅传感器很方便地用于自动控制系统中。
文档编号G01D5/20GK1590952SQ0315584
公开日2005年3月9日 申请日期2003年8月26日 优先权日2003年8月26日
发明者吴子铭, 卢国纲 申请人:吴子铭, 卢国纲