专利名称：位置检测环链码传感方法及编码条带的制作方法
技术领域：
本发明提供一种检测转动圆轴角度位置、线性运动规则形状物体移动位置的直接数字式传感方法及关键部件-环链码编码条带。
在自动检测技术领域内，涉及到运动物体相对某一参照标志的位置、位移的测量是相当普遍的。目前所采用的数字式技术方法主要有角度数字编码器ADC，线性位置数字传感器SDT，同步器数字转换器SDC和旋转变压器数字转换器RDC等。按其工作原理可概括为两类一类称为直接数字式传感器，如前两种ADC和SDT;另一类称为变换式数字传感器，如SDC，RDC。由于变换式传感器体积小，安装方便，测量精度可与直接数字式相匹敌，但影响精度的因素较多，而且需要复杂的硬件变换电路以及参考激励交流电源，价格较贵，常见于航空、航天、航海检测控制系统中使用。直接数字式传感器主要有数字编码式和增量计数式，后者必须带有电子可逆计数器，启动时传感器需要对准标尺基标位置使计数器复位置零。在定期间歇检测或巡回检测使用时，计数器不能去电，传感器在相当长期间处于空耗状态。数字编码式传感器测量数据直接有效，适宜在间歇、巡回检测情况下使用。但检测分辨率与编码盘轨道数相等，若要求精度提高时，码盘直径随之加大。编码标志或孔缝呈扇面排列于盘面，编码探测器限定对准盘面安装。这些使编码式传感器体积较大，安装具有局限性。直接数字式传感器高精度测量时采用正弦/余弦插值器，相应要求编码盘或光栅码尺的附加轨道或单轨道应使探测器产生正弦波形信号输出，因而要求编码盘或光栅码尺精心设计、制作加工精度要高，需要用专用设备。
本发明旨在克服现有直接数字式位置传感器的上述弊端，提供一种制作加工简单、安装使用方便用于位置检测的环链码条带和基于此的检测过程简捷、数据直接可靠、抗干扰性能好、数据便于远传、同样精度下体积较小的位置检测传感方法。
为达此目的，本发明提出用于位置检测的新的信源编码-环链码。即根据被测运动物体位移范围，按测量精度的要求，以△x(△x＝1/50×精度值×测量范围值)为间隔，从测量范围下限至上限将整个位移范围划分为n等份。每一等份称为一位，用其前边界位移值xi来表示，全体n位组成一有序集X＝｛x1，x2，…xn｝。若将xi∈X对应位标记为一个二进制码元ci∈｛0，1｝，就形成有序集X的测集码矢C＝(c1c2c3…cn)。由C构成一码集W＝｛w1，w2，…，wn｝，其中wi∈W是包括ci在内相邻k个码元的一个C的码子矢wi＝cici+1ci+2…ci+k-1;k是识码特征数，k大于等于〔log2n〕且小于等于〔log2n〕+1的整数;wn＝cnc1c2…ck-1。当W满足条件任意两个wi，wj(i≠j)均不相同，则X中元素一一对应于W，称wi为xi的环链码。理论上可证明对任给有序集X，至少有一个测集码矢C，一定存在满足条件的环链码W。
本发明提供的新方法是以此为指导，以制成的环链码条带10为关键部件和与之匹配的探测器及激发、传感信号装置11实现的。环链码条带是选择温度系数小、稳定性好、强度高、柔韧性好的材料制成的窄条长带作基带。其特征在于在基带1上有与运动物体位移范围长度相等或成比例的条段作为编码载体区;基带首、尾有便于衔接或安装的空白区3。根据测量精度要求，将载体区划分为n(n＝50÷测量精度)等份即n位，选择能自然或激发呈现两种不同物理状态的某一媒介一种物态14标识“1”;另一种15标识“0”，或者选择两种不同物理性能的媒介一种媒介5标识“1”;另一种4标识“0”，依据环链码测集码矢C的0、1排列组合图案，将媒介涂布印制、表面镶嵌或掩埋安置于载体区对应位上，形成单轨道排列的环链码条带10。在编码载体区表面粘接覆盖着一保护层7。由媒介呈现“0”、“1”组合的编码载体区存在着一个特有的识码征数k，当从载体区读取包括第i个在内的k个或大于k个相邻位的码元，得到一个码字wi，逐位读取k或大于k位的码字遍历整个载体区无重码，而读取小于k位的相邻码元，得到的码字wi遍历时必有重码。当沿物体运动方向读得无重码字wi，删除其最高位码元得剩余码‘wi，与删除最低位码元的移动一位后所读取的码字wi+1剩余码w'i+1完全相同。取出相邻的两个码字比较其剩余码‘wi、w'i+1、w'i、‘wi+1可判定读取环链码的移动方向。
在位置、位移检测场合，运动物体作为动局，静物体作为参考局形成相对运动体系。使用环链码检测传感时要针对被测对象，选用相匹配的探测器及激发、传感信号装置和相应的读码方式。检测传感既可用公知的光电传感器、线阵CCD传感器，也可以使用其它新型装置。其特征在于检测传感器上有能感知、激发环链码条带载体区媒介不同物理状态的或者感知、激发区别两种不同媒介的敏感元件及装置;检测位数应与识码特征数k一致。根据动局移动速度快慢来决定环链码条带上的编码读取方式和k位探测器、激发传感装置11、25的如何安装配合。当动局移动速度较快时，应使用将条带上的k位码元一起读出即并行方式;当移动速度较慢时，也可使用依排列顺序逐个读出k个码元即串行方式;还有当动局长距离移动不停歇时使用行进扫描方式即一位探测头或激发头随动局移动扫描条带取k位码元读出。当检测转动圆轴位置、位移时，其特征是在垂直于转轴9的平面上，沿与转轴同心的外柱面圆周，将环链码条带10牢牢地粘贴与柱面圆周重合，并使载体区首尾两端相接的缝线处于转动圆轴零角度位置12。在靠近柱面圆周的参考局上，安装与环链码条带识码特征数相应的k位环链码探测器25，探头对准条带，按位依次沿圆弧排开，之间间隔与载体区位间间隔相等。读码方式使用k位并行或串行;当规则物体在某一方向作线性运动，检测其线位置、位移时，其特征在于在规则物体的运动方向上，将环链码条带靠近且平行于其经过路径敷设、固定于参考局上，环链码条带载体区首端13固定在动局位移开始位置，尾端应与位移终止位置重合。动局上可安装匹配的k位或一位环链码探测器以及激发、传感信号装置11，探头及激发装置19对准临近的条带。若是k位的探测器以及激发、传感信号装置，将按位沿条带依次排开，之间间隔与载体区位间间隔相等，读码方式依动局速度快慢使用k位并行或串行;若是一位探测、激发、读码只能是行进扫描方式。
探测接收到动局所在位置上所对应的环链码wi，转换成相应数字信号，通过有线或无线方式向接收端传送。因环链码类似通讯技术中使用的循环码，具有优良的代数结构，所以这一直接数字信号传输有较强的抗干扰纠错能力，并且接收端可使用简单有效的译码方法，复原出运动物体的届时位置ci。
本发明附图及说明如下图1环链码传感方法原理示意2一种表面涂布印制式环链码条带结构3一种带内掩埋安置式环链码条带结构4实施例一改进式感应无线位置检测技术示意5实施例二机械式计数器数据远传装置结构示意图本发明实施例结合
如下实施例一用环链码传感方法改进感应无线位置检测技术。文献《感应无线位置检测技术》(电子技术应用，1993第4期)阐述了七十年代发展起来的一项新的应用技术。用适合机车行程要求的环链码条带代替原固定于地面轨道旁的一根内部若干对电线按格雷码编码的感应电缆，用安装于机车上的k位环形天线代替原发送天线，形成的实施例用于工业中固定轨道的行走机车移动位置的自动检测。实施中所用的环链码条带10是掩埋安置式那种，即是用氯丁橡胶做成宽为120mm长为410m厚为5mm的基带1，基带首尾各有0.2m长的安装固定区3，剩余的部分是编码载体区。根据测量精度要求以及实际经验将载体区以100mm为一等份划为4096份。在载体区掩埋着两条金属绝缘导线8，分别称为“1”线14和“0”线15。按照测量范围位移对应的测集码矢C的0、1组合图案，两条导线交叉编排安置当C中第i个码元为“1”时，在载体区对应等份内使“1”线排在条带的左边;“0”线排在右边，当第i个码元为“0”时，排线则相反。当下一个码元与上一个码元标识不同时，两导线在等份边界处出现交叉换位。在编码载体区表面上粘贴着一层白色尼龙保护层7，其上边缘标记着相应等份距开始处的长度，便于敷设或测量数据校对。在基带开始处、终止处，“1”线和“0”线各连接着一对接线螺栓16，用于外接与“0”、“1”线匹配的线路特性阻抗17，并与信号接收端的传输屏蔽线18连接。配接线路阻抗17的大小需在整体调试时调整，接线螺拴16及外接阻抗17被封闭在塑料盒内。位置信号是在参考局上接收处理，因此动局机车上安装k位激发器即12位环形天线19。环形天线19对准安装在地面轨道旁的环链码条带10，之间相距约200mm。进行一次测量时，机上载频信号发生器通过功率开关器件顺序接通12位天线，每位以相同相位开始的正弦电磁波持续20ms向条带激发。在条带上的“1”线和“0”线之间感应出现相位相反的两种串行载频波信号。载频频率选为2.4Khz，发射功率为1W。线路上的12位信号经放大、鉴相、译码处理，得到机车位置。实施例在达到原有技术指标同时，替代、省略了一些部件，节省了安装费用，整套设备成本降低三分之一。
实施例二机械式计数器数据远传装置。在许多计量仪表中都使用着机械式计数器用以指示物量、能量的消耗数量。它工作可靠、示数准确、无需再配加动力源、价格低廉，这是其它计数装置无法与之匹敌的。然而，其数据不能远传直接影响自动化管理水平的提高。专利文献《机械计数器的数据采集方法及装置》(专利申请号92109431.0)所述是将数据D/A变换为模拟量使之远传，在集中记抄时再进行A/D变换，还原为原来的数据。该法转换环节多，且D/A变换是电位器式机械接触转换，可靠性差。限于计数轮原有结构，无法使用轴角编码器，进行数据直接数字化采集和实现远传。使用环链码编码条带满意地解决这一难题。实施例是在原计数轮21左边缘的进位轮周上粘贴环链码条带，其厚为0.2mm，宽为2mm，长为进位轮周周长56.6mm。此带十等份分别对应着显示数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，其测集码矢C定为(1000010011)。按C将是“1”的对应等份涂印磷光媒质ZnS/Cu的涂料22，其余辉时间较长;“0”对应的等份涂印碳基墨水24。原计数轮21数字2左边进位轮周的位置上，有拨动进位导轮的槽齿23。条带首尾衔接部分析入计数轮内侧，恰可标识数字2的码元“0”。条带表面有一层透明塑料薄层。采码装置用自行研制的反射式光纤线阵串行采码器。采码器25的光纤26依顺序每四根对准一位数字轮，每根光纤对准环链码条带的一位，四根为一组安装在计数器背后轮架上。这样，由采码处光纤得到数字0、1、…、8、9对应编码为0100，1001，0011，0111，1110，1100，1000，0000，0001，0010。采码器工作时，每根光纤具有双重作用，先为投光光纤，将照明光投向对准的编码位，瞬间之后该光纤又是采码光纤。若条带编码位是磷光媒质22，采码时将有亮光反射回光纤;是碳基媒质24则无光反射。16根光纤顺序投采，采码器便得到串行光脉冲信号，经过变换以数字电流信号远传。
权利要求
1.一种检测转动圆轴角度位置、线性运动规则形状物体移动位置的直接数字式传感方法。该方法是以一种新的位置信源编码-环链码为基础，由关键部件环链码编码条带和与之匹配的探测、激发及传感信号装置而实现的。其特征是根据被测运动物体位移范围，按测量精度的要求，求得将整个位移范围等份划分数n(n=50÷测量精度)，并确定测集码矢C=(c1c2c3…cn)；根据检测对象及位移范围、数字n选定环链码编码条带；由其编码载体区识码特征数k，选择匹配的探测、激发及传感信号装置以及如何安装配合；根据运动物体移动速度快慢来决定环链码条带上的编码读取方式。
2.如权利要求1所述方法使用的环链码编码条带，是以温度系数小、稳定性好、强度高、柔韧性好的材料制成的窄条长带作为基带，其特征在于在基带上有与运动物体位移范围长度相等或成比例的条段的编码载体区;基带首、尾有便于衔接或安装的空白区;将编码载体区划分n等份，依据环链码测集码矢C的0、1排列组合图案，把自然或激发呈现两种不同物理状态的某一媒介或者两种不同物理性能的媒介涂布印制、表面镶嵌或掩埋安置于载体区对应等份位置上，形成单轨道排列的环链码条带;整个条带表面粘接覆盖着一保护层。
3.如权利要求1所述方法使用的环链码编码条带，其编码载体区存在着一个特有的识码特征数K，特征是当从载体区读取包括第i个在内的k个或大于k个相邻位的码元，得到一个码字wi，逐位读取k或大于k位的码字遍历整个载体区无重码，而读取小于k位的相邻码元，得到的码字wi遍历时必有重码;当沿物体运动方向读得无重码字wi，删除其最高位码元得剩余码‘wi，与删除最低位码元的移动一位后所读取的码字‘wi+1剩余码w'i+1完全相同;取出相邻的两个码字比较其剩余码‘wi、w'i+1、w'i、‘wi+1可判定读取环链码的移动方向。
4.如权利要求1所述方法选用相匹配的探测器及激发、传感信号装置既可用公知的光电传感器、线阵CCD传感器，也可以使用其它新型装置。其特征在于检测传感器上有能感知、激发环链码条带载体区媒介不同物理状态的或者感知、激发区别两种不同媒介的敏感元件及装置;检测位数应与识码特征数k一致。
5.如权利要求1所述方法要根据运动物体移动速度快慢来决定环链码条带上的编码读取方式，其特征在于当运动物体移动速度较快时，应使用将条带上的k位码元一起读出即并行方式;当移动速度较慢时，也可使用依排列顺序逐个读出k个码元即串行方式;还有当运动物体长距离移动不停歇时使用行进扫描方式即一位探测头或激发头随动局移动扫描条带取k位码元读出。
6.如权利要求1所述方法在检测转动圆轴位置、位移时，其特征是在垂直于转轴的平面上，沿与转轴同心的外柱面圆周，将环链码条带牢牢地粘贴与柱面圆周重合，并使载体区首尾两端相接的缝线处于转动圆轴零角度位置;在靠近柱面圆周的参考局上，安装对准条带编码探测器，k位依次沿圆弧排开，彼此间隔与条带码元间隔相等。当规则物体在某一方向作线性运动，检测其线位置、位移时，其特征在于在规则物体的运动方向上，将环链码条带靠近且平行于其经过路径敷设、固定于参考局上，环链码条带载体区首端固定在运动物体位移开始位置，尾端应与位移终止位置重合。运动物体上可安装匹配的k位或一位环链码探测器以及激发、传感信号装置，探头及激发装置对准临近的条带。若是k位的探测器以及激发、传感信号装置，将按位沿条带依次排开，之间间隔与载体区码元间隔相等。
全文摘要
提供一种检测转动圆轴角度位置、线性运动规则形状物体移动位置的直接数字式传感方法及关键部件一环链码编码条带。该方法是以一种新的位置信源编码—环链码为基础，以环链码编码条带和与之匹配的探测、激发及传感信号装置实现位置或位移检测的。用于位置检测的环链码条带其制作加工简单、安装使用方便，所形成的检测传感方法过程简捷、数据直接可靠、抗干扰性能好、数据便于远传、适用面宽、体积较小。
文档编号G01B7/02GK1111344SQ94104559
公开日1995年11月8日 申请日期1994年5月4日 优先权日1994年5月4日
发明者李增田, 李喜田 申请人:李增田