基于二维伪随机编码的位置测量装置 【技术领域】
本发明属于测控技术领域， 涉及一种位置测量装置及其结构排列所用的编码方 式， 尤其涉及一种基于二维伪随机编码的位置测量装置。背景技术
测量物体位置及其线性移动距离是很长时间以来各个科学技术领域中均有所需 要的一种技术。由于各种测量情况下的测量环境条件和测量要求均有所不同， 因此已经发 展出了各种不同的用于测量物体位置及其线性移动距离的方法。
用于测量物体运动位置及线性移动距离的公知方法， 主要包括模拟式和数字式两 大类。
模拟式位置测量方法又包括接触式和非接触式两种。接触式位置测量装置有不 同的实现方法， 接触式的位置测量装置， 如电位器式直线位移测量的装置， 其采用一个金属 接触片在另一个随长度具有线性电阻变化关系的标准电阻尺上移动， 通过测量金属金属接 触片与标准电阻尺的端部之间电阻率变化， 求得与金属接触片连接的物体的位置和运动距 离。其缺点是长期使用容易因为设备磨损造成测量精度下降。非接触式的位置测量装置， 如 LVDT 方法， 是在一个金属壳体内部布置一个长初级线圈， 并在其左右各布置一个次级线 圈， 且两个次级线圈呈对称分布。 一个可动的棒状铁芯在线圈组内部运动， 为线圈的磁通量 提供路径， 测量两个次级线圈的信号输出， 即可以计算得到与被测物体相连的棒状铁芯的 位置和移动距离。再如激光位移传感器， 就是利用测量装置发射的激光束在被测物体上的 反射光与原有发生激光之间的相位差计算出物体的位置和移动距离。 又如磁致伸缩位置测 量装置， 是利用计算磁致波导钢丝上从与被测物体连接的位置磁铁传播到其端部波检测器 的磁致旋转波传播时间计算得到物体的位置和移动距离。还有霍尔传感器， 是利用与被测 物体连接且具有恒定激励电流的霍尔元件梯度均匀的磁场中移动产生与移动距离正比变 化的霍尔电压计算得到物体的位置和移动距离。以上各种模拟式位置测量方法， 均需要根 据测量的参数通过计算关系式转换后得到实际物体位置和移动距离信息， 在转换过程中受 到关系式中诸多内外因素影响， 如激光位移传感器对于测量的时间基准的精度和稳定性就 有很高的要求， 霍尔传感器对应使用磁场的均匀性也会极大地影响测量结果。同时由于使 用模拟式的测量方法， 模拟量到数字量的转换过程也对于测量精度产生很大的影响。
数字式位置测量方法又包括码盘式， 光栅式、 磁栅式和感应式等多种， 并可大致分 为相对式和绝对式两大类。 相对数字式位置测量方法主要是采用具有线性或者一定规律的 非线性刻度的标尺作为测量基准， 一个可以表示物体移动的测量头随被测物体移动在标尺 上读出所经过的标尺刻度数， 由于标尺刻度的距离是已知的， 即可以转换成为物体的位置 和移动距离。如光栅式或者磁栅式传感器均采用上述工作原理进行物体位置测量。其缺点 是由此采用了相对测量方式， 无法准确判断物体的绝对位置以及初始状态位置。
绝对数字式位置测量方法主要是采用具有一定规律的编码或者伪随机码的基准 标尺作为测量参考基准， 测量头读出一个可以表示物体移动位置的标尺上刻度当前码值，由于标尺所使用的码是已知的且对应于确定的绝对坐标位置， 因此根据测量头读出的刻度 码值即可以确定物体位置和移动距离。这种方法测量得到的物体的绝对位置， 且由于采用 数字化输出， 便于与计算机接口， 但是目前采用的标尺上的标准码编制方法或者采用一定 规律的编码， 则其编码方式单一， 且编码可扩展能力受到限制， 对于要求可以极大程度扩展 编码规模和多样化编码的情况难以使用 ； 目前采用的伪随机码方法是在标尺上刻有一系列 二进制变化的伪随机码刻度， 任意位置处对应的伪随机码与表示物体位置的二进制码没有 直接的逻辑关系， 每次测量头读出当前的伪随机码后查表确定对应的二进制码， 得到物体 位置信息。这种方法虽然具有良好的可扩展性， 但是在实际使用中， 由于编码采用完全的 伪随机码编码方式， 因此， 存在测量头检测位置恰好位于两个相邻且不同的二进制状态交 界处的情况， 此时即可能产生错误的测量输出， 特别是对应测量头同时读取多个位置的情 况， 其产生的误码需要额外的操作或者通过稍微改变物体位置的方式才能得以校正。 此外， 由于伪随机码的不确定性， 对应误码的发生概率频度也是随位置而不同的一个随机量， 这 就会影响到位置测量的稳定性和全量程测量精度。在专利 DE 10244235A1 以及中国专利 200810184424.2“位置测量装置和用于确定绝对位置的方法” 中均采用了增加一个平行于 标尺的增量轨的方法， 提供提高标尺测量精度的方法。但是这种方式对于无法安装增量轨 的情况无法使用。同时， 增量轨的使用也无法改变伪随机码对应测量头读取多个位置码时 造成误码的情况， 因为其根本是伪随机码位置的随机性与测量头位置耦合造成的。 发明内容 本发明的目的是提供一种具有高度容错能力， 可以用于位置标识和测量的， 基于 二维伪随机编码的位置测量装置。
本发明的特征在于， 含有一个测量编码标尺， 一个测量头元件， 一个激励信号发生 单元， 一个信号调理单元以及一个位置信息处理单元， 其中 ：
测量编码标尺 B， 由若干非导磁编码元件 Ba 和两种不同直径相同材料的导磁编码 元件， Bb 和 Bc， 交错同轴连接构成， 其中直径较小的一种导磁编码元件称为测量导磁编码 元件 Bb， 其直径与所述非导磁编码元件 Ba 直径相同 ； 另一种直径较大的导磁编码元件称 为容错导磁编码元件 Bc， 其直径至少为所述测量导磁编码元件 Bb 直径的 1.5 倍且小于所 述测量头元件内部通道直径 ； 其中所述非导磁编码元件 Ba 共由第 1 到第 E 段共 E 段构成， 用 Ba1， Ba2， ...， BaE 表示， 所述测量导磁编码元件 Bb 共由第 1 到第 F 段共 F 段构成， 用 Bb1， Bb2， ...， BbF 表示， 所述容错导磁编码元件 Bc 共由第 1 到第 G 段共 G 段构成， 用 Bc1， Bc2， ...， BcG 表示 ； 所述各非导磁编码元件 Ba 和所述各测量导磁编码元件共有 U 个， U＝ E+F ； U、 E、 F 和 G 值均是预先设定的 ；
所述测量编码标尺 B 共有两端， 其中一端的端面为前端面， 另一端的端面为后端 面， 所述前端面和后端面是预先设定的 ；
所述位置测量装置预先设定单位测量步距长度 UL ； 所述单位测量步距长度 UL 为 ： 所进行位置测量的空间中， 各位置之间需要分辨最小长度的整数倍 ；
所述位置测量装置预先设定单位容错距离长度 CL ； 所述单位容错距离长度 CL， 由 所述测量头元件和所述测量编码标尺的加工和安装误差确定， 涉及 ：
I) 正向偏差和 ： 所述测量编码标尺中， 各非导磁编码元件或者测量导磁编码元件
的， 最大正向加工偏差及最大正向安装偏差的绝对值之和， 与所述测量头元件中， 任意两个 相邻测量副边线圈沿所述测量头元件轴向方向的， 中间截面之间距离的， 最大负向加工偏 差及最大负向安装偏差的绝对值之和， 这两个值之和 ； 所述各正向偏差， 均表示实际加工尺 寸大于设计尺寸的偏差， 所述各负向偏差， 均表示实际加工尺寸小于设计尺寸的偏差 ；
II) 负向偏差和 ： 所述测量编码标尺中， 各非导磁编码元件或者测量导磁编码元 件的， 最大负向加工偏差及最大负向安装偏差的绝对值之和， 与所述测量头元件中， 任意两 个相邻测量副边线圈沿所述测量头元件轴向方向的， 中间截面之间距离的， 最大正向加工 偏差及最大正向安装偏差的绝对值之和， 这两个值之和 ； 所述各正向偏差， 均表示实际加工 尺寸大于设计尺寸的偏差， 所述各负向偏差， 均表示实际加工尺寸小于设计尺寸的偏差 ；
III) 线圈长度偏差 ： 所述测量头元件中， 各测量副边线圈的， 最大加工偏差和最 大安装偏差的绝对值之和 ；
所述各加工及安装偏差， 均表示沿所述测量头元件轴向方向的偏差值 ；
所述单位容错距离长度 CL 不小于 ： 所述正向偏差和与所述负向偏差和这两个值 中的最大值， 与所述测量副边线圈长度偏差， 这两者之和的一半长度 ； 且所述单位容错距离 长度 CL 不大于 ： 二分之一的所述单位测量步距长度 UL ； 所述测量编码标尺 B 沿自身轴向方向总长度为 U 倍的单位测量步距长度 UL ； 从所 述测量编码标尺 B 的前端面开始， 在所述测量编码标尺 B 上， 每个顺次沿所述测量编码标尺 B 轴向方向长度为单位测量步距长度 UL 的部分， 对应一个所述测量编码标尺 B 上的所述非 导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb ； 在一个所述非导磁编码元件 Ba 与一个所述测 量导磁编码元件 Bb， 分别对应于所述测量编码标尺 B 上两个相邻的， 长度均为单位测量步 距长度 UL 部分的结构中， 在所述非导磁编码元件 Ba 与所述测量导磁编码元件 Bb 之间同轴 地连接有一个所述容错导磁编码元件 Bc， 即所述容错导磁编码元件 Bc 与所述测量编码标 尺 B 共轴布置， 两端同轴地分别连接所述非导磁编码元件 Ba 与所述测量导磁编码元件 Bb ； 所述容错导磁编码元件 Bc 沿所述测量编码标尺 B 轴向方向长度为 2 倍的单位容错距离长 度 CL ；
所述测量编码标尺 B 上， 各部分所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的长度不完全相同 ； 各所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的长度， 为以下三 种类型的长度之一 ： 或为一个所述单位测量步距长度 UL， 或为一个所述单位测量步距长度 减去一个所述单位容错距离长度 (UL-CL)， 或为一个所述单位测量步距长度减去 2 个所述 单位容错距离长度 (UL-2CL) ； 具体每个所述导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的 长度， 由所述编码元件与其他所述编码元件之间的相对位置及连接关系确定 ；
在所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 两端上， 分别直接同轴连接 的为另外两个相同类型所述编码元件的结构部分， 所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁 编码元件 Bb 的长度为一个所述单位测量步距长度 UL ；
在所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 两端上， 一端直接同轴连接 另一个相同类型所述编码元件， 另一端不连接其他的所述编码元件的结构部分， 所述非导 磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的长度为一个所述单位测量步距长度 UL ；
在所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 两端上， 一端直接同轴连接 另一个相同类型所述编码元件， 而另一端直接同轴连接一个所述容错导磁编码元件 Bc 的
结构部分， 所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的长度为 (UL-CL)， 即相当于 一个所述单位测量步距长度 UL 减去一个所述单位容错距离长度 CL 得到的长度 ；
在所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 两端上， 一端直接同轴连接 一个所述容错导磁编码元件 Bc， 而另一端不连接其他的所述编码元件的结构部分， 所述非 导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的长度为 (UL-CL)， 即相当于一个所述单位测量 步距长度 UL 减去一个所述单位容错距离长度 CL 得到的长度 ；
在所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的两端上， 分别直接同轴连 接的为另外两个所述容错导磁编码元件 Bc 的结构部分， 所述非导磁编码元件 Ba 或者测量 导磁编码元件 Bb 的长度为 (UL-2CL)， 即相当于一个所述单位测量步距长度 UL 减去 2 倍所 述单位容错距离长度 CL 得到的长度 ；
所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 不同长度的结构， 保证了 ： 从所 述测量编码标尺 B 的前端面开始， 在所述测量编码标尺 B 上， 每个沿所述测量编码标尺 B 轴 向方向为单位测量步距长度 UL 的部分， 对应的所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码 元件 Bb 的长度， 在不与任何所述容错导磁编码元件 Bc 连接的结构中， 为一个所述单位测量 步距长度 UL ； 在与所述容错导磁编码元件 Bc 连接的结构中， 所述非导磁编码元件 Ba 或者 测量导磁编码元件 Bb 的长度， 与所连接的所有所述容错导磁编码元件 Bc 的一半长度之和 相加后， 总长度仍然为一个所述单位测量步距长度 UL ； 所述各编码元件的长度是沿所述测 量编码标尺 B 轴向方向的 ； 所述测量编码标尺 B 上的各所述非导磁编码元件 Ba、 测量导磁编码元件 Bb 和容错 导磁编码元件 Bc， 在所述测量编码标尺 B 上的相互位置关系与连接次序， 按照与预先设定 的二维伪随机编码序列中对应各符号， 从序列中第一个符号开始， 从前至后排列的相同次 序布置 ；
所述二维伪随机编码序列， 包括 ： 由具有伪随机分布特征的一系列二进制符号 “0” 或 “1” 构成的测量维编码序列， 以及另外的由一系列符号 “+” 或 “-” 构成的容错维编码 序列， 所述容错维编码序列也具有伪随机分布特征， 且其伪随机分布特征直接依赖于所述 测量维编码序列中的二进制符号序列的伪随机分布特征 ；
所述测量维编码序列中的二进制符号 “0” ， 对应于所述测量编码标尺 B 上的各所 述非导磁编码元件 Ba ； 所述测量维编码序列中的二进制符号 “1” ， 对应于所述测量编码标 尺 B 上的各所述测量导磁编码元件 Bb ； 所述容错维编码序列中的符号 “+” ， 对应于所述测量 编码标尺 B 上的各所述容错导磁编码元件 Bc ； 所述容错维编码序列中的符号 “-” ， 对应于所 述测量编码标尺 B 上， 任意两个相同类型的所述编码元件之间， 直接同轴连接的连接点 ；
所述测量编码标尺 B 的结构具有以下特征 ： 从所述测量编码标尺 B 上， 任意一个所 述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 质心位置开始， 沿所述测量编码标尺 B 轴 向， 从前端面至后端面方向， 每间隔 V 倍的单位测量步距长度 UL， 记录一个对应位置处所述 编码元件的类型， 连续共记录 S 个位置对应所述编码元件的类型， 并构成一个对应的编码 元件类型组合， 则对应于所述测量编码标尺 B 结构上的， 所有可能获得的对应编码元件类 型组合中， 任意两个所述编码元件类型组合均不相同 ；
所述测量头元件， 包括 ： 一个测量原边线圈 A2， 若干等间隔排列且与所述测量原 边线圈 A2 共磁轴布置的测量副边线圈 A1 ； 第 1 个到第 S 个共 S 个所述测量副边线圈， 用分
别对应的标号 A11， A12， ...， A1S 表示 ； 所述测量头元件中任意两个相邻布置的所述测量副 边线圈分别对应的， 沿所述测量头元件轴向方向的两个中间截面之间的距离， 设定为 V 倍 的单位测量步距长度 UL ； 所述各测量副边线圈沿所述测量头元件轴向方向的长度， 均为 2 倍单位容错距离长度 CL ； 所述测量原边线圈 A2 沿所述测量头元件轴向方向长度， 为 S*V 倍 的单位测量步距长度 UL ； 全部所述测量副边线圈， 均布置在所述测量原边线圈 A2 沿所述测 量头元件轴向方向的前后两个端面之间 ； 所述测量原边线圈 A2 上的前端面指向后端面的 方向， 即相当于沿所述测量头元件轴向方向的， 所述测量头元件上的前端面指向后端面的 方向 ； 所述 S 和 V 值是预先设定的 ； 所述各测量副边线圈与所述测量原边线圈 A2 沿所述测 量头元件径向布置的次序， 根据使用环境情况预先设定 ： 或将所述各测量副边线圈布置在 所述测量原边线圈 A2 外侧， 或将所述测量原边线圈 A2 布置在所述各测量副边线圈外侧 ；
所述测量编码标尺 B 沿所述测量头元件轴向方向， 在所述测量头元件内部通道中 往复运动 ； 在所述测量头元件上， 沿所述测量头元件轴向， 从所述测量头元件前端面指向后 端面的方向， 与所述测量编码标尺 B 上， 沿所述测量编码标尺 B 轴向， 从所述测量编码标尺 B 的前端面指向后端面的方向相同 ；
所述测量头元件中的各所述测量副边线圈， 用于读取所述测量头元件内部对应位 置处的， 所述测量编码标尺 B 上对应所述编码元件的类型信息 ； 在测量全过程中， 全部 S 个 所述测量副边线圈内部， 均始终有测量编码标尺 B 上的部分存在 ；
所述激励信号发生单元 H1， 由一个激励信号发生器 R1 和一个激励信号放大器 R2 依次串联而成， 所述激励信号放大器 R2 的两个输出端与所述测量头元件中的所述测量原 边线圈 A2 的两个引线端分别相连， 以提供放大后的， 供所述测量头元件使用的交流激励信 号；
所述信号调理单元 H2， 由 p 路信号调理电路并列构成， p ＝ S， 每路所述信号调理 电路由一个差分信号放大器 Jx， x ＝ 1， ...， p， 和一个低通滤波器 Ky， y ＝ 1， ...， p， 依次串 联而成 ； 每路信号调理电路中的差分信号放大器的两个输入端， 分别与对应所述测量副边 线圈 A1z， z ＝ 1， ...， S， 的两个引线端相连， p 是预先设定的 ；
所述位置信息处理单元 H3， 含有 ： 依次串联的 A/D 转换器 M 和工业计算机 N ； 所述 测量编码标尺 B 在所述测量头元件内部往复运动过程中的任意时刻， 所述 S 个测量副边线 圈， 分别产生与处于各自内部的， 所述测量编码标尺 B 上的所述编码元件类型相对应的感 应电压信号， 共 S 个所述感应电压信号 ； 所述各感应电压信号， 经过各个对应的所述差分信 号放大器及低通滤波器进行转换后， 得到与各所述感应电压信号成比例变化的各直流电压 信号 ； 各所述直流电压信号， 再接入所述 A/D 转换器上的各对应输入端， 经过所述 A/D 转换 器转换为 ： 与各所述感应电压信号对应成比例变化的各个数字电压信号 ； 所述各数字电压 信号送入所述工业计算机 N， 所述工业计算机 N 经过对获得的各个所述数字电压信号进行 处理， 得到 ： 所述测量编码标尺 B 上设定的基准点 JZ1 与所述测量头元件上设定的基准截面 JZ2 之间的距离 FL 和方位， 即相当于确定了所述基准点 JZ1 与所述基准截面 JZ2 之间的相 对位置关系 ； 测量中， 固定所述测量头元件于空间中确定位置， 则所述测量头元件上设定的 基准截面 JZ2 的位置是确定的， 根据所述得到的相对位置关系， 就确定了所述测量编码标 尺 B 上设定的基准点 JZ1 的位置 ；
所述工业计算机 N 一次采样得到的， 共 S 个所述数字电压信号， 分别表示了处于 S个测量副边线圈内部的， 对应所述测量编码标尺 B 上的所述编码元件类型 ； 与获得的各所 述编码元件类型对应的， 所述二维伪随机编码序列中使用的共 S 个符号， 按顺序排列后组 成确定的码值 ； 所述码值， 与所述基准点 JZ1 到所述基准截面 JZ2 之间的距离 FL 和方位， 这 两者之间确定的对应关系是已知的 ； 即， 得到一个所述码值， 就相应确定了对应的所述基准 点 JZ1 与所述基准截面 JZ2 之间的相对位置关系 ；
所需进行位置测量的被测物体， 预先连接到所述测量编码标尺 B 上， 并与所述测 量编码标尺 B 同步运动 ； 所述被测物体的质心 JZ0， 与所述测量编码标尺 B 上的基准点 JZ1 之间的相对位置关系， 根据连接后的实际测量结果确定 ； 在位置测量过程中， 在对应的所述 基准点 JZ1 与所述基准截面 JZ2 之间的相对位置关系已知的情况下， 进一步确定所述被测 物体的质心 JZ0 与所述基准截面 JZ2 之间的相对位置关系 ； 根据所述测量头元件上的基准 截面 JZ2 在所述空间中确定的位置， 进而确定所述被测物体的质心 JZ0 在所述空间中确定 的位置， 即相当于确定了所述被测物体的位置 ；
所述测量编码标尺 (B) 上设定的基准点 JZ1， 为所述测量编码标尺 B 上的所述前端 面的中心 ； 所述测量头元件上设定的基准截面 JZ2， 为所述测量头元件中， 距离所述测量头 元件的前端面最近的第一个所述测量副边线圈上的， 沿所述测量头元件轴向方向的， 长度 的中心截面 ；
所述工业计算机 N 使用内置的码值与位置转换模块， 按照如下步骤进行所述码值 转换， 以及位置判断操作 ：
步骤 (1) ： 所述工业计算机 N 初始化 ：
设定转换过渡标志位初始值为 “0” ； 转换过渡标志位为 “1” 表示 ： 当前所述测量头 元件读取到的， 对应于各所述测量副边线圈内部的， 所述测量编码标尺 B 上的所述编码元 件类型不能用于码值转换操作 ； 转换过渡标志位为 “0” 表示 ： 当前所述测量头元件读取到 的， 各所述测量副边线圈内部的， 所述测量编码标尺 B 上的所述编码元件类型允许用于进 行码值转换操作 ；
设定所述工业计算机 N 的初始采样时刻 t0， 并设定进行等时循环采样的采样时间 间隔 dt ；
设定所述工业计算机 N 在每个采样时刻， 同时读取的采样点个数， 所述采样点个 数在数量上等于所述测量副边线圈的总个数值 S ；
读取所述码值与位置转换模块中预先设定的所述单位测量步距长度 UL 和单位容 错距离长度 CL ；
设定所述测量头元件中， 任意两个相邻布置的所述测量副边线圈的， 各自沿所述 测量头元件轴向的中间截面之间的距离， 为 V 倍所述单位测量步距长度 UL， V 值是在所述码 值与位置转换模块中预先设定的 ；
读取所述码值与位置转换模块中预先设定的 “测量维编码读取码值与标尺位置对 应关系表” 和 “测量维编码读取码值与容错维编码读取码值对应组合关系表” ；
设定由预先测量得到的， 所述被测物体的质心 JZ0 与所述测量编码标尺 B 上的基 准点 JZ1 之间的的距离 WL 和方位， 和所述测量头元件上的基准截面 JZ2 在所述空间中确定 的位置 ；
读取预先存储的， 对应于当前激励信号水平及安装条件的， 所述测量副边线圈内部的， 所述测量编码标尺 B 上不同所述编码元件类型部分所对应的， 所述工业计算机 N 应读 取到的， 下列各标准数字电压信号值 ：
1)V0 ： 当某个所述测量副边线圈内部， 在其上下两个端面之间的所述测量编码标 尺部分仅有所述非导磁编码元件存在时， 工业计算机应读取到的对应标准数字电压信号 值；
2)V1 ： 当某个所述测量副边线圈内部， 在其上下两个端面之间的所述测量编码标 尺部分仅有所述测量导磁编码元件存在时， 工业计算机应读取到的对应标准数字电压信号 值；
3)V2 ： 当某个所述测量副边线圈内部， 在其上下两个端面之间的所述测量编码标 尺部分仅有所述容错导磁编码元件存在时， 工业计算机应读取到的对应标准数字电压信号 值；
设定各所述数字电压信号与对应所述标准数字电压信号值的极限偏差比例 dV％， 所述极限偏差比例 dV％以百分比数值形式表示， 所述极限偏差比例 dV％值不大于 50％ ；
步骤 (2) ： 所述工业计算机 N 从设定的所述初始采样时刻 t0 开始， 每隔采样时间 间隔 dt 进行一次采样， 并不断重复上述采样过程， 实现等时循环采样 ； 在任意所述采样时 刻， 所述工业计算机 N 一次读取全部 S 个所述数字电压信号， 并与所述设定的各标准数字电 压信号值进行比较 ： 若： 某个所述数字电压信号小于 (V0+V1)/2， 且与 (V0+V1)/2 之差的绝对值大于所 述极限偏差比例 dV％倍的 (V0+V1) 值， 则认定 ： 在当前采样时刻下， 在这个所述数字电压信 号对应的所述测量副边线圈内部， 对应存在的是所述测量编码标尺上的所述非导磁编码元 件； 同时， 用所述二维伪随机编码中对应使用的符号 “0” ， 表示当前采样时刻下， 所述测量 副边线圈内部的所述编码元件类型 ；
若： 某个所述数字电压信号大于 (V0+V1)/2， 且与 (V0+V1)/2 之差的绝对值大于所 述极限偏差比例 dV％倍的 (V0+V1) 值， 同时该数字电压信号不大于 (1+dV％ ) 倍的 V1 值， 则认定 ： 在当前采样时刻下， 在这个所述数字电压信号对应的所述测量副边线圈内部， 对应 存在的是所述测量编码标尺上的所述测量导磁编码元件 ； 同时， 用所述二维伪随机编码中 对应使用的符号 “1” ， 表示当前采样时刻下， 所述测量副边线圈内部的对应所述编码元件类 型；
若： 某个所述数字电压信号大于 (1+dV％ ) 倍的 V1 值， 则认定 ： 在当前采样时刻 下， 在这个所述数字电压信号对应的所述测量副边线圈内部， 对应存在的是所述测量编码 标尺上的所述容错导磁编码元件 ； 同时， 用所述二维伪随机编码中对应使用的符号 “+” ， 表 示当前采样时刻下， 所述测量副边线圈内部的， 对应所述编码元件类型 ；
步骤 (3) ： 将步骤 (2) 中得到的， 当前采样时刻下的， 所有所述测量副边线圈内部 所述编码元件类型对应的， 共 S 个所述二维伪随机编码中使用的符号， 顺序组合为一个对 应的读取符号序列， 并用于所述码值和位置转换 ：
若： 当前采样时刻得到的， 所述读取符号序列中， 仅存在所述符号 “0” 或者 “1” ， 则 将所述读取符号序列， 作为当前采样时刻的测量维编码读取码值， 查找所述码值与位置转 换模块中预先设定的 “测量维编码读取码值与标尺位置对应关系表” ， 得到所述测量维编码 读取码值对应的， 所述测量编码标尺 B 上设定的基准点 JZ1 与所述测量头元件上设定的基
准截面 JZ2 之间的距离 FL 和方位， 并由所述工业计算机 N 记录当前采样时刻的所述测量维 编码读取码值 ； 同时， 将所述读取符号序列中各个符号对应替换为所述符号 “-” ， 构成一个 与所述读取符号序列符号个数相同的， 全部由所述符号 “-” 组成的新符号序列， 所述新符号 序列作为当前采样时刻的容错维编码读取码值， 并由所述工业计算机 N 记录所述读取符号 序列和当前采样时刻的容错维编码读取码值 ； 同时， 设置转换过渡标志位为 “0” ；
若： 当前采样时刻得到的所述读取符号序列， 与前一采样时刻得到的所述读取符 号序列相比， 在前一采样时刻得到的所述读取符号序列中， 没有出现所述符号 “+” 的位置， 新出现了符号 “+” ， 而前一采样时刻得到的所述读取符号序列中， 已经出现所述符号 “+” 的 位置， 仍存在符号 “+” ， 则将前一采样时刻对应的所述测量维编码读取码值， 作为当前采样 时刻的所述测量维编码读取码值， 得到与前一采样时刻相同的位置信息 ； 同时， 将所述读取 符号序列中出现所述符号 “+” 的位置仍用 “+” 表示， 其他各个位置处的符号对应替换为所 述符号 “-” ， 构成一个与所述读取符号序列符号个数相同的， 由所述符号 “-” 和 “+” 组成的 新符号序列， 所述新符号序列作为当前采样时刻的容错维编码读取码值， 并由所述工业计 算机 N 记录所述读取符号序列和当前采样时刻的容错维编码读取码值 ； 同时， 设置转换过 渡标志位为 “1” ； 若： 当前采样时刻得到的所述读取符号序列， 与前一采样时刻得到的所述读取符 号序列相比， 在前一采样时刻得到的所述读取符号序列中， 出现所述符号 “+” 的位置， 新出 现了符号 “0” 或者 “1” ， 而前一采样时刻得到的所述读取符号序列中， 没有出现所述符号 “+” 的位置， 仍没有符号 “+” 存在， 则根据所述转换过渡标志位状态， 进行以下判断 ：
若： 前一采样时刻记录的所述转换过渡标志位为 “1” ， 则读取前一采样时刻记录 的， 所述测量维编码读取码值和容错维编码读取码值， 并根据所述码值与位置转换模块中 预先设定的 “测量维编码读取码值与容错维编码读取码值对应组合关系表” ， 找到所述表 中， 所述前一采样时刻记录测量维编码读取码值和容错维编码读取码值的组合对应的， 另 一个所述测量维编码读取码值 ； 并将找到的所述另一个测量维编码读取码值， 作为当前采 样时刻的测量维编码读取码值， 根据所述转换模块预先设定的 “测量维编码读取码值与标 尺位置对应关系表” ， 得到所述测量维编码读取码值对应的， 所述测量编码标尺 B 上设定的 基准点 JZ1 与所述测量头元件上设定的基准截面 JZ2 之间的距离 FL 和方位 ； 同时， 将前一 采样时刻记录的容错维编码读取码值， 作为当前采样时刻的容错维编码读取码值， 并由所 述工业计算机 N 记录所述当前采样时刻的测量维编码读取码值、 容错维编码读取码值和读 取符号序列 ； 同时， 设置转换过渡标志位为 “0” ；
若： 前一采样时刻记录的所述转换过渡标志位为 “0” ， 则所述工业计算机 N， 读取 前一采样时刻记录的所述测量维编码读取码值和容错维编码读取码值， 作为当前采样时刻 的测量维编码读取码值和容错维编码读取码值， 得到与前一采样时刻相同的位置信息 ； 同 时， 设置转换过渡标志位为 “0” ；
步骤 (4) ： 所述工业计算机 N， 根据获得的， 所述测量编码标尺 B 上设定的基准点 JZ1 与所述测量头元件上设定的基准截面 JZ2 之间的距离 FL 和方位， 以及预先设定的， 所述 被测物体的质心 JZ0 与所述测量编码标尺 B 上的基准点 JZ1 之间的距离 WL 和方位， 还有预 先设定的， 所述测量头元件上的基准截面 JZ2 在所述空间中确定的位置， 得到并输出所述 被测物体的质心 JZ0 在所述空间中确定的位置信息 ；
步骤 (5) ： 不断重复步骤 (2) ～ (4)， 所述位置测量装置实现连续的， 在任一采样时 刻下， 对于所述被测物体位置的测量操作。
本发明的效果在于， 所述一种基于二维伪随机编码的位置测量装置， 基于二维伪 随机编码形式的结构和原理工作， 与原有各种位置测量技术相比， 具有以下优点及突出性 效果 ： 1、 由于采用了二维伪随机编码进行绝对位置的表示和测量， 使得被测长度范围， 可以 随着二维伪随机编码位数增加而不断得到扩展， 改善了现有确定性编码方法中， 对于绝对 位置的表示和测量范围难以扩展的缺点 ； 2、 由于使用基于所述二维伪随机编码的结构和方 法， 进行位置测量， 避免了以往伪随机码式测量方式中存在的多个编码位同时变化时产生 的误码问题， 大大改善了编码的可靠性和测量的有效性 ； 3、 在解决已知技术中， 采用增量轨 仍无法完全避免的过渡态可能造成误码情况的同时， 不需要记录大量的中间过程变码， 不 但提高了测量效率， 还节约了大量的存储空间， 使得所述位置测量装置结构得以大为简化 ； 4、 降低了对测量头元件的加工和安装要求， 提供了更好的定位精度和容错能力， 特别是在 测量过渡态的情况下， 不需要其他附加的设备和部件， 即可实现多传感器的容错和测量信 号校正， 对各种安装难度大和测量要求高的特殊场合， 具有很好的适用性。 附图说明
图 1 是基于二维伪随机编码的位置测量装置的结构示意图
图 2 是基于二维伪随机编码的位置测量装置的一个实施例的示意图
图 3 是图 2 实施例中测量编码标尺在另一种不同位置情况下的示意图
图 4a ～图 4j 是不同类型编码元件之间的各种安装关系示意图
图 5 是基于二维伪随机编码的位置测量装置与以往位置测量装置的测量比较次 数的示意图
对附图中各标号说明如下 ：
图 1 中标号说明
图中标号 A11 A13 A2 Ba1 Ba3 Bb1标号说明 测量副边线圈 测量副边线圈 测量原边线圈 非导磁编码元件 非导磁编码元件 测量导磁编码元件图中标号 A12 A1S B Ba2 BaE Bb2标号说明 测量副边线圈 测量副边线圈 测量编码标尺 非导磁编码元件 非导磁编码元件 测量导磁编码元件17101852584 A CN 101852585说标号说明 测量导磁编码元件 测量导磁编码元件 容错导磁编码元件 容错导磁编码元件 容错导磁编码元件 容错导磁编码元件明书图中标号 Bb4 BbF Bc2 Bc4 Bc(G-1) CL H1 H3 J2 Jp JZ1 K1 K3 M R1 UL WT 标号说明 测量导磁编码元件 测量导磁编码元件 容错导磁编码元件 容错导磁编码元件 容错导磁编码元件 单位容错距离长度 激励信号发生单元 位置信息处理单元 差分信号放大器 差分信号放大器10/30 页图中标号 Bb3 Bb(F-1) Bc1 Bc3 Bc(G-2) BcG FL H2 J1 J3 JZ0 JZ2 K2 Kp N R2 WL
基准点与基准截面的距离 信号调理单元 差分信号放大器 差分信号放大器 被测物体的质心 测量头元件上的基准截面 低通滤波器 低通滤波器 工业计算机 激励信号放大器 质心与基准点之间距离测量编码标尺上的基准点 低通滤波器 低通滤波器 A/D 转换器 激励信号发生器 单位测量步距长度 被测物体图 2 中标号说明18101852584 A CN 101852585说标号说明 测量副边线圈 测量副边线圈 测量编码标尺 非导磁编码元件 非导磁编码元件 非导磁编码元件 测量导磁编码元件 测量导磁编码元件 容错导磁编码元件明书图中标号 A12 A2 Ba1 Ba3 Ba5 Bb1 Bb3 Bc1 Bc3 H1 H3 J2 JZ0 JZ2 K2 M R1 WL 标号说明 测量副边线圈 测量原边线圈 非导磁编码元件 非导磁编码元件 非导磁编码元件 测量导磁编码元件 测量导磁编码元件 容错导磁编码元件 容错导磁编码元件 激励信号发生单元 位置信息处理单元 差分信号放大器 被测物体的质心11/30 页图中标号 A11 A13 B Ba2 Ba4 Ba6 Bb2 Bb4 Bc2 FL H2 J1 J3 JZ1 K1 K3 N R2 WT
基准点与基准截面的距离 信号调理单元 差分信号放大器 差分信号放大器 测量编码标尺上的基准点 低通滤波器 低通滤波器 工业计算机 激励信号放大器 被测物体 图 3 中标号说明测量头元件上的基准截面 低通滤波器 A/D 转换器 激励信号发生器 质心与基准点之间距离19101852584 A CN 101852585说标号说明 测量副边线圈 测量副边线圈 测量编码标尺 非导磁编码元件 非导磁编码元件 非导磁编码元件 测量导磁编码元件 测量导磁编码元件 容错导磁编码元件明书图中标号 A12 A2 Ba1 Ba3 Ba5 Bb1 Bb3 Bc1 Bc3 H1 H3 J2 JZ0 标号说明 测量副边线圈 测量原边线圈 非导磁编码元件 非导磁编码元件 非导磁编码元件 测量导磁编码元件 测量导磁编码元件 容错导磁编码元件 容错导磁编码元件 激励信号发生单元 位置信息处理单元 差分信号放大器12/30 页图中标号 A11 A13 B Ba2 Ba4 Ba6 Bb2 Bb4 Bc2 FL H2 J1 J3基准点与基准截面的距离 信号调理单元 差分信号放大器差分信号放大器 JZ1 K1 K3 N R2 WT
20被测物体的质心 JZ2 K2 M R1 WL 测量头元件上的基准截面 低通滤波器 A/D 转换器 激励信号发生器 质心与基准点之间距离测量编码标尺上的基准点 低通滤波器 低通滤波器 工业计算机 激励信号放大器 被测物体101852584 A CN 101852585
说明书13/30 页图 4a 中标号说明图中标号 Bb1 Bb3 标号说明 测量导磁编码元件 测量导磁编码元件 图中标号 Bb2 UL 标号说明 测量导磁编码元件 单位测量步距长度
图 4b 中标号说明图中标号 Bb1 UL 标号说明 测量导磁编码元件 单位测量步距长度 图中标号 Bb2 标号说明 测量导磁编码元件
图 4c 中标号说明图中标号 Ba1 Ba3 标号说明 非导磁编码元件 非导磁编码元件 图中标号 Ba2 UL 标号说明 非导磁编码元件 单位测量步距长度
图 4d 中标号说明图中标号 Ba1 UL 标号说明 非导磁编码元件 单位测量步距长度 图中标号 Ba2 标号说明 非导磁编码元件
图 4e 中标号说明图中标号 Ba1 Bc1 CL 标号说明 非导磁编码元件 容错导磁编码元件 单位容错距离长度 图中标号 Bb1 Bb2 UL 标号说明 测量导磁编码元件 测量导磁编码元件 单位测量步距长度
图 4f 中标号说明21101852584 A CN 101852585说标号说明 非导磁编码元件 测量导磁编码元件 单位测量步距长度明书图中标号 Bc1 CL 标号说明 容错导磁编码元件 单位容错距离长度14/30 页图中标号 Ba1 Bb1 UL
图 4g 中标号说明图中标号 Bb1 Ba1 CL 标号说明 测量导磁编码元件 非导磁编码元件 单位容错距离长度 图中标号 Bc1 Ba2 UL 标号说明 容错导磁编码元件 非导磁编码元件 单位测量步距长度
图 4h 中标号说明图中标号 Bb1 Ba1 UL 标号说明 测量导磁编码元件 非导磁编码元件 单位测量步距长度 图中标号 Bc1 CL 标号说明 容错导磁编码元件 单位容错距离长度
图 4i 中标号说明图中标号 Ba1 Bb1 Ba2 UL 标号说明 非导磁编码元件 测量导磁编码元件 非导磁编码元件 单位测量步距长度 图中标号 Bc1 Bc2 CL 标号说明 容错导磁编码元件 容错导磁编码元件 单位容错距离长度
图 4j 中标号说明22101852584 A CN 101852585说标号说明 测量导磁编码元件 非导磁编码元件 测量导磁编码元件 单位测量步距长度明书图中标号 Bc1 Bc2 CL 标号说明 容错导磁编码元件 容错导磁编码元件 单位容错距离长度15/30 页图中标号 Bb1 Ba1 Bb2 UL
图 5 中标号说明图中标号 OLD_CODE 标号说明 以往编码方式曲线 图中标号 NEW_COD 标号说明 二维伪随机编码曲线具体实施方式
本发明通过采用基于二维伪随机编码方式的测量编码标尺结构， 引入测量维编码 和容错维编码的位置表示及编码方法， 较传统位置测量方式， 具有更大应用灵活性和容错 性， 并且具有可扩展性好、 结构简单， 抗干扰能力强的特点。
本发明提供了一种基于二维伪随机编码的位置测量装置， 包括 ：
测量编码标尺 B， 由若干非导磁编码元件 Ba 和两种不同直径相同材料的导磁编码 元件， Bb 和 Bc， 交错同轴连接构成， 其中直接较小的一种导磁编码元件称为测量导磁编码 元件 Bb， 其直径与所述非导磁编码元件 Ba 直径相同， 另一种直接较大的导磁编码元件称 为容错导磁编码元件 Bc， 其直径至少为所述测量导磁编码元件 Bb 直径的 1.5 倍且小于所 述测量头元件内部通道直径 ； 其中所述非导磁编码元件 Ba 共由第 1 到第 E 段共 E 段构成， 用 Ba1， Ba2， ...， BaE 表示， 所述测量导磁编码元件 Bb 共由第 1 到第 F 段共 F 段构成， 用 Bb1， Bb2， ...， BbF 表示， 所述容错导磁编码元件 Bc 共由第 1 到第 G 段共 G 段构成， 用 Bc1， Bc2， ...， BcG 表示 ； 所述各非导磁编码元件 Ba 和所述各测量导磁编码元件共有 U 个， U＝ E+F ； U、 E、 F 和 G 值均是预先设定的 ；
所述测量编码标尺 B 共有两端， 其中一端的端面为前端面， 另一端的端面为后端 面， 所述前端面和后端面是预先设定的 ；
所述位置测量装置预先设定单位测量步距长度 UL， 所述单位测量步距长度 UL 为 ： 所进行位置测量的空间中， 各位置之间需要分辨最小长度的整数倍 ；
所述位置测量装置预先设定单位容错距离长度 CL， 所述单位容错距离长度 CL， 由 所述测量头元件和所述测量编码标尺的加工和安装误差确定， 涉及 ：
I) 正向偏差和 ： 所述测量编码标尺中， 各非导磁编码元件或者测量导磁编码元件 的， 最大正向加工偏差及最大正向安装偏差的绝对值之和， 与所述测量头元件中， 任意两个 相邻测量副边线圈沿所述测量头元件轴向方向的， 中间截面之间距离的， 最大负向加工偏 差及最大负向安装偏差的绝对值之和， 这两个值之和 ； 所述各正向偏差， 均表示实际加工尺寸大于设计尺寸的偏差， 所述各负向偏差， 均表示实际加工尺寸小于设计尺寸的偏差 ；
II) 负向偏差和 ： 所述测量编码标尺中， 各非导磁编码元件或者测量导磁编码元 件的， 最大负向加工偏差及最大负向安装偏差的绝对值之和， 与所述测量头元件中， 任意两 个相邻测量副边线圈沿所述测量头元件轴向方向的， 中间截面之间距离的， 最大正向加工 偏差及最大正向安装偏差的绝对值之和， 这两个值之和 ； 所述各正向偏差， 均表示实际加工 尺寸大于设计尺寸的偏差， 所述各负向偏差， 均表示实际加工尺寸小于设计尺寸的偏差 ；
III) 线圈长度偏差 ： 所述测量头元件中， 各测量副边线圈的， 最大加工偏差和最 大安装偏差的绝对值之和 ；
所述各加工及安装偏差， 均表示沿所述测量头元件轴向方向的偏差值 ；
所述单位容错距离长度 CL 不小于， 所述正向偏差和与所述负向偏差和中的最大 值， 与所述线圈长度偏差， 这两者相加和的一半长度， 且不大于一半的所述单位测量步距长 度 UL ；
所述测量编码标尺 B 沿自身轴向方向总长度为 U 倍的单位测量步距长度 UL ； 从所 述测量编码标尺 B 的前端面开始， 在所述测量编码标尺 B 上， 每个顺次沿所述测量编码标尺 B 轴向方向长度为单位测量步距长度 UL 的部分， 对应一个所述测量编码标尺 B 上的， 所述非 导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb ； 在一个所述非导磁编码元件 Ba 与一个所述测 量导磁编码元件 Bb， 分别对应于所述测量编码标尺 B 上两个相邻的， 长度均为单位测量步 距长度 UL 部分的结构中， 在所述非导磁编码元件 Ba 与所述测量导磁编码元件 Bb 之间同轴 地连接有一个所述容错导磁编码元件 Bc， 即所述容错导磁编码元件 Bc 与所述测量编码标 尺 B 共轴布置， 两端同轴地分别连接所述非导磁编码元件 Ba 与所述测量导磁编码元件 Bb ； 所述容错导磁编码元件 Bc 沿所述测量编码标尺 B 轴向方向长度为 2 倍的单位容错距离长 度 CL ；
所述测量编码标尺 B 上， 各部分所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的长度不完全相同 ； 各所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的长度， 可以为一 个所述单位测量步距长度 UL， 一个所述单位测量步距长度减去一个所述单位容错距离长度 (UL-CL)， 或者一个所述单位测量步距长度减去 2 个所述单位容错距离长度 (UL-2CL) 这三 种类型的长度之一 ； 具体每个所述导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的长度， 由所 述编码元件与其他所述编码元件之间的相对位置及连接关系确定 ；
所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 不同长度的结构， 可以保证 ： 从 所述测量编码标尺 B 的前端面开始， 在所述测量编码标尺 B 上， 每个沿所述测量编码标尺 B 轴向方向为单位测量步距长度 UL 的部分， 对应的所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编 码元件 Bb 的长度， 在不与任何所述容错导磁编码元件 Bc 连接的结构中， 为一个所述单位测 量步距长度 UL ； 在与所述容错导磁编码元件 Bc 连接的结构中， 所述非导磁编码元件 Ba 或 者测量导磁编码元件 Bb 沿的长度， 与所连接的所有所述容错导磁编码元件 Bc 的一半长度 之和相加后， 总长度仍然为一个所述单位测量步距长度 UL ； 所述各编码元件的长度是沿所 述测量编码标尺 B 轴向方向的 ；
所述测量编码标尺 B 上的各所述非导磁编码元件 Ba、 测量导磁编码元件 Bb 和容错 导磁编码元件 Bc， 在所述测量编码标尺 B 上的相互位置关系与连接次序， 按照与预先设定 的二维伪随机编码序列中对应各编码符号， 从序列中第一个编码符号开始， 从前至后排列的相同次序布置 ；
所述二维伪随机编码序列， 包括 ： 由具有伪随机分布特征的一系列二进制符号 “0” 或 “1” 构成的测量维编码序列， 以及另外的由一系列符号 “+” 或 “-” 构成的容错维编码 序列， 所述容错维编码序列也具有伪随机分布特征， 且其伪随机分布特征直接依赖于所述 测量维编码序列中的二进制符号序列的伪随机分布特征 ；
所述测量维编码序列中的二进制符号 “0” ， 对应于所述测量编码标尺 B 上的各所 述非导磁编码元件 Ba ； 所述测量维编码序列中的二进制符号 “1” ， 对应于所述测量编码标 尺 B 上的各所述测量导磁编码元件 Bb ； 所述容错维编码序列中的符号 “+” ， 对应于所述测量 编码标尺 B 上的各所述容错导磁编码元件 Bc ； 所述容错维编码序列中的符号 “-” ， 对应于所 述测量编码标尺 B 上， 任意两个相同类型的所述编码元件之间， 直接同轴连接的连接点 ；
所述测量编码标尺 B 的结构具有以下特征 ： 从所述测量编码标尺 B 上， 任意一个所 述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 质心位置开始， 沿所述测量编码标尺 B 轴 向， 从前端面至后端面方向， 每间隔 V 倍的单位测量步距长度 UL， 记录一个对应位置处所述 编码元件的类型， 连续共记录 S 个位置对应所述编码元件的类型， 并构成一个对应的编码 元件类型组合， 则对应于所述测量编码标尺 B 结构上的， 所有可能获得的对应编码元件类 型组合中， 任意两个所述编码元件类型组合均不相同 ；
所述测量头元件， 包括 ： 一个测量原边线圈 A2， 若干等间隔排列且与所述测量原 边线圈 A2 共磁轴布置的测量副边线圈 A1 ； 共有第 1 个到第 S 个共 S 个测量副边线圈， 用分 别对应的标号 A11， A12， ...， A1S 表示 ； 所述测量头元件中任意两个相邻布置的所述测量副 边线圈分别对应的， 沿所述测量头元件轴向方向的两个中间截面之间的距离， 设定为 V 倍 的单位测量步距长度 UL ； 所述各测量副边线圈沿所述测量头元件轴向方向的长度， 均为 2 倍单位容错距离长度 CL ； 所述测量原边线圈 A2 沿所述测量头元件轴向方向长度， 为 S*V 倍 的单位测量步距长度 UL ； 全部所述测量副边线圈， 均布置在所述测量原边线圈 A2 沿所述测 量头元件轴向方向的前后两个端面之间 ； 所述测量原边线圈 A2 上的前端面指向后端面的 方向， 即相当于沿所述测量头元件轴向方向的， 所述测量头元件上的前端面指向后端面的 方向 ； 所述 S 和 V 值是预先设定的 ； 所述各测量副边线圈与所述测量原边线圈 A2 沿所述测 量头元件径向布置的次序， 根据使用环境情况预先设定 ； 可以将所述各测量副边线圈布置 在所述测量原边线圈 A2 外侧， 也可以将所述测量原边线圈 A2 布置在所述各测量副边线圈 外侧 ；
所述测量编码标尺 B 沿所述测量头元件轴向方向， 在所述测量头元件内部通道中 往复运动 ； 在所述测量头元件上， 沿所述测量头元件轴向方向， 从所述测量头元件前端面指 向后端面的方向， 与所述测量编码标尺 B 上， 沿所述测量编码标尺 B 轴向方向， 从所述测量 编码标尺 B 的前端面指向后端面的方向相同 ；
所述测量头元件中的各测量副边线圈， 用于读取所述测量头元件内部对应位置 处， 所述测量编码标尺 B 上对应所述编码元件的类型信息 ； 在测量全过程中， 全部 S 个所述 测量副边线圈内部， 均始终有测量编码标尺 B 上的部分存在 ；
所述激励信号发生单元 H1， 由一个激励信号发生器 R1 和一个激励信号放大器 R2 依次串联而成， 所述激励信号放大器 R2 的两个输出端与所述测量头元件中的所述测量原 边线圈 A2 的两个引线端分别相连， 以提供放大后的， 供所述测量头元件使用的交流激励信号； 所述信号调理单元 H2， 由 p 路信号调理电路并列构成， p ＝ S， 每路所述信号调理 电路由一个差分信号放大器 Jx， x ＝ 1， ...， p， 和一个低通滤波器 Ky， y ＝ 1， ...， p， 依次串 联而成 ； 每路信号调理电路中的差分信号放大器的两个输入端， 分别与对应所述测量副边 线圈 A1z， z ＝ 1， ...， S， 的两个引线端相连， p 是预先设定的 ；
所述位置信息处理单元 H3， 含有 ： 依次串联的 A/D 转换器 M 和工业计算机 N， 在所 述测量编码标尺 B 在所述测量头元件内部往复运动过程中的任意时刻， 所述 S 个测量副边 线圈， 分别产生与处于各自内部的， 所述测量编码标尺 B 部分的， 所述编码元件类型有关的 感应电压信号 ； 共 S 个所述感应电压信号 ； 所述各所述感应电压信号， 经过各个对应的所述 差分信号放大器及低通滤波器进行转换后， 得到与各所述感应电压信号成比例变化的各直 流电压信号 ； 各所述直流电压信号， 再接入所述 A/D 转换器上的各对应输入端， 经过所述 A/ D 转换器转换为 ： 与各所述感应电压信号对应成比例变化的各个数字电压信号 ； 所述各数 字电压信号送入所述工业计算机 N， 所述工业计算机 N 经过对获得的各个所述数字电压信 号进行处理， 得到 ： 所述测量编码标尺 B 上设定的基准点 JZ1 与所述测量头元件上设定的基 准截面 JZ2 之间的距离 FL 和方位， 即相当于确定了所述基准点 JZ1 与所述基准截面 JZ2 之 间的相对位置关系 ； 测量中， 固定所述测量头元件于空间中确定位置， 则所述测量头元件上 设定的基准截面 JZ2 的位置是确定的， 根据所述得到的相对位置关系， 就确定所述测量编 码标尺 B 上设定的基准点 JZ1 的位置 ；
所述工业计算机 N 一次采样得到的， 共 S 个所述感应电压信号， 分别表示了处于 S 个测量副边线圈内部的， 对应所述测量编码标尺 B 上的， 所述编码元件类型 ； 与获得的所述 各编码元件类型对应的， 所述二维伪随机编码序列中使用的共 S 个符号， 按顺序组成确定 的码值， 所述码值， 与所述基准点 JZ1 到所述基准截面 JZ2 之间的距离 FL 和方位， 这两者之 间确定的对应关系是已知的 ； 即， 得到一个所述码值， 就相应确定， 对应的所述基准点 JZ1 与所述基准截面 JZ2 之间的相对位置关系 ；
所需进行位置测量的被测物体， 预先连接到所述测量编码标尺 B 上， 并与所述测 量编码标尺 B 同步运动 ； 所述被测物体的质心 JZ0， 与所述测量编码标尺 B 上的基准点 JZ1 之间的相对位置关系， 根据连接后的实际测量结果确定 ； 测量中， 在对应的所述基准点 JZ1 与所述基准截面 JZ2 之间的相对位置关系已知的情况下， 进一步确定所述被测物体的质心 JZ0 与所述基准截面 JZ2 之间的相对位置关系 ； 根据所述测量头元件上的基准截面 JZ2 在 所述空间中确定的位置， 近而确定所述被测物体的质心 JZ0 在所述空间中确定的位置， 即 相当于确定了所述被测物体的位置 ；
所述测量编码标尺 B 上设定的基准点 JZ1， 为所述测量编码标尺 B 上的所述前端面 的中心 ； 所述测量头元件上设定的基准截面 JZ2， 为所述测量头元件中， 距离所述测量头元 件的前端面最近的第一个所述测量副边线圈上的， 沿所述测量头元件轴向， 长度方向的中 心截面。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图 1 所示， 本发明提供了一种基于二维伪随机编码的位置测量装置， 包括 ：
一个由若干个非导磁编码元件 Ba 和两种不同直径的导磁编码元件交替同轴连 接， 构成的测量编码标尺 B ； 所述两种不同直径的导磁编码元件中， 直径较小的一种导磁编
码元件称为测量导磁编码元件 Bb ； 所述测量导磁编码元件 Bb 的直径， 与所述各非导磁编码 元件 Ba 的直径相同 ； 所述两种不同直径的导磁编码元件中， 直径较大的一种导磁编码元件 称为容错导磁编码元件 Bc ； 所述容错导磁编码元件 Bc 的直径， 不小于所述测量导磁编码元 件的直径的 1.5 倍， 且小于所述测量头元件内部通道直径 ； 图 1 中所示如 Ba1、 Ba2、 Ba3、 BaE 均为所述非导磁编码元件， 所述非导磁编码元件共 E 个 ； 图 1 中所示如 Bb1、 Bb2、 Bb3、 Bb4、 Bb(F-1) 和 BbF 均为所述测量导磁编码元件， 所述测量导磁编码元件共 F 个 ； 图 1 中所示如 Bc1、 Bc2、 Bc3、 Bc4、 Bc(G-2)、 Bc(G-1) 和 BcG 均为所述容错导磁编码元件， 所述容错导磁编 码元件共 G 个 ； 所述各非导磁编码元件 Ba 和所述各测量导磁编码元件共有 U 个， U ＝ E+F ； U、 E、 F 和 G 值均是预先设定的 ；
所述测量编码标尺 B 一端的端面， 如图 1 中所述测量导磁编码元件 Ba1 与被测物 体 WT 连接的端面， 预先设定为前端面 ； 另一端设定为后端面。
所述测量编码标尺 B 沿自身轴向方向总长度为 U 倍的单位测量步距长度 UL ；
从所述测量编码标尺 B 的前端面开始， 在所述测量编码标尺 B 上， 每个顺次沿所述 测量编码标尺 B 轴向方向长度为单位测量步距长度 UL 的部分， 对应一个所述测量编码标尺 B 上的， 所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb ； 在所述测量编码标尺 B 上， 相邻两个为所述单位测量步距长度 UL 的部分， 分别为 非导磁编码元件 Ba 和测量导磁编码元件 Bb 时， 所述两个编码元件之间， 同轴地连接一个所 述容错导磁编码元件 ； 如图 1 中， 所述非导磁编码元件 Ba2 与所述测量导磁编码元件 Bb1 之 间， 同轴地连接所述容错导磁编码元件 Bc1 ； 所述容错导磁编码元件 Bc 沿所述测量编码标 尺 B 轴向方向长度， 为 2 倍的所述单位容错距离长度 CL ；
所述测量编码标尺 B 上， 各部分所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的长度不完全相同 ； 各所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的长度， 可以为一 个所述单位测量步距长度 UL， 一个所述单位测量步距长度减去一个所述单位容错距离长度 (UL-CL)， 或者一个所述单位测量步距长度减去 2 个所述单位容错距离长度 (UL-2CL) 这三 种类型的长度之一 ； 具体每个所述导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的长度， 由所 述编码元件与其他所述编码元件之间的相对位置及连接关系确定 ；
在所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 两端上， 分别直接同轴连接 的为另外两个相同类型所述编码元件的结构部分， 如图 4a 和图 4c 所示结构， 所述非导磁编 码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的长度为一个所述单位测量步距长度 UL ；
在所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 两端上， 一端直接同轴连接 另一个相同类型所述编码元件， 另一端不连接其他的所述编码元件的结构部分， 如图 4b 和 图 4d 所示结构， 所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的长度为一个所述单位 测量步距长度 UL ；
在所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 两端上， 一端直接同轴连接 另一个相同类型所述编码元件， 而另一端直接同轴连接一个所述容错导磁编码元件 Bc 的 结构部分， 如图 4e 和图 4g 所示结构， 所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的 长度为 (UL-CL)， 即相当于一个所述单位测量步距长度 UL 减去一个所述单位容错距离长度 CL 得到的长度 ；
在所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 两端上， 一端直接同轴连接
一个所述容错导磁编码元件 Bc， 而另一端不连接其他的所述编码元件的结构部分， 如图 4f 和图 4h 所示结构， 所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的长度为 (UL-CL)， 即 相当于一个所述单位测量步距长度 UL 减去一个所述单位容错距离长度 CL 得到的长度 ；
在所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的两端上， 分别直接同轴连 接的为另外两个所述容错导磁编码元件 Bc 的结构部分， 如图 4i 和图 4j 所示结构， 所述非 导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 的长度为 (UL-2CL)， 即相当于一个所述单位测 量步距长度 UL 减去 2 倍所述单位容错距离长度 CL 得到的长度 ；
所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 不同长度的结构， 可以保证 ： 从 所述测量编码标尺 B 的前端面开始， 在所述测量编码标尺 B 上， 每个沿所述测量编码标尺 B 轴向方向为单位测量步距长度 UL 的部分， 对应的所述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编 码元件 Bb 的长度， 在不与任何所述容错导磁编码元件 Bc 连接的结构中， 为一个所述单位测 量步距长度 UL ； 在与所述容错导磁编码元件 Bc 连接的结构中， 所述非导磁编码元件 Ba 或 者测量导磁编码元件 Bb 的长度， 与所连接的所有所述容错导磁编码元件 Bc 的一半长度之 和相加后， 总长度仍然为一个所述单位测量步距长度 UL ； 所述各编码元件的长度是沿所述 测量编码标尺 B 轴向方向的 ； 如图 1 中， 所述测量编码标尺 B 上， 从所述前端面开始， 第三个 长度为 UL 的部分， 对应于所述测量导磁编码元件 Bb1 ； 所述测量导磁编码元件 Bb1 两端， 分 别与所述容错导磁编码元件 Bc1 和 Bc2 同轴连接 ； 则 Bb1 的长度， 与 Bc1 与 Bc2 总长度的一 半， 相加后的长度仍为一个所述单位测量步距长度 UL， 即相当于 Bc1 沿长度方向的中心截 面， 与 Bc2 沿长度方向的中心截面， 之间的距离为一个所述单位测量步距长度 UL， 所述长度 的方向， 均是表示沿所述测量编码标尺 B 轴向的方向 ；
所述测量编码标尺 B 上的各所述非导磁编码元件 Ba、 测量导磁编码元件 Bb 和容错 导磁编码元件 Bc， 在所述测量编码标尺 B 上的相互位置关系与连接次序， 按照与预先设定 的二维伪随机编码序列中对应各编码符号， 从序列中第一个编码符号开始， 从前至后排列 的相同次序布置 ；
所述测量编码标尺 B 的结构具有以下特征 ： 从所述测量编码标尺 B 上， 任意一个所 述非导磁编码元件 Ba 或者测量导磁编码元件 Bb 质心位置开始， 沿所述测量编码标尺 B 轴 向， 从前端面至后端面方向， 每间隔 V 倍的单位测量步距长度 UL， 记录一个对应位置处所述 编码元件的类型， 连续共记录 S 个位置对应所述编码元件的类型， 并构成一个对应的编码 元件类型组合， 则对应于所述测量编码标尺 B 结构上的， 所有可能获得的对应编码元件类 型组合中， 任意两个所述编码元件类型组合均不相同 ；
测量头元件， 包括 ： 一个测量原边线圈 A2， 若干等间隔排列且与所述测量原边线 圈 A2 共磁轴布置的测量副边线圈 A1 ； 共有第 1 个到第 S 个共 S 个测量副边线圈， 用分别对 应的标号 A11， A12， ...， A1S 表示 ； 所述测量头元件中任意两个相邻布置的所述测量副边线 圈分别对应的， 沿所述测量头元件轴向方向的两个中间截面之间的距离， 设定为 V 倍的单 位测量步距长度 UL ； 所述各测量副边线圈沿所述测量头元件轴向方向的长度， 均为 2 倍单 位容错距离长度 CL ； 所述测量原边线圈 A2 沿所述测量头元件轴向方向长度， 为 S*V 倍的单 位测量步距长度 UL ； 全部所述测量副边线圈， 均布置在所述测量原边线圈 A2 沿所述测量头 元件轴向方向的前后两个端面之间 ； 所述测量原边线圈 A2 上的前端面指向后端面的方向， 即相当于沿所述测量头元件轴向方向的， 所述测量头元件上的前端面指向后端面的方向 ；所述 S 和 V 值是预先设定的 ； 所述各测量副边线圈与所述测量原边线圈 A2 沿所述测量头元 件径向布置的次序， 根据使用环境情况预先设定 ； 可以将所述各测量副边线圈布置在所述 测量原边线圈 A2 外侧， 也可以将所述测量原边线圈 A2 布置在所述各测量副边线圈外侧 ；
所述测量编码标尺 B 沿所述测量头元件轴向方向， 在所述测量头元件内部通道中 往复运动 ； 在所述测量头元件上， 沿所述测量头元件轴向方向， 从所述测量头元件前端面指 向后端面的方向， 与所述测量编码标尺 B 上， 沿所述测量编码标尺 B 轴向方向， 从所述测量 编码标尺 B 的前端面指向后端面的方向相同 ；
所述测量头元件中的各测量副边线圈， 用于读取所述测量头元件内部对应位置 处， 所述测量编码标尺 B 上对应所述编码元件的类型信息 ； 在测量全过程中， 全部 S 个所述 测量副边线圈内部， 均始终有测量编码标尺 B 上的部分存在 ；
所述激励信号发生单元 H1， 由一个激励信号发生器 R1 和一个激励信号放大器 R2 依次串联而成， 所述激励信号放大器 R2 的两个输出端与所述测量头元件中的所述测量原 边线圈 A2 的两个引线端分别相连， 以提供放大后的， 供所述测量头元件使用的交流激励信 号；
所述信号调理单元 H2， 由 p 路信号调理电路并列构成， p ＝ S， 每路所述信号调理 电路由一个差分信号放大器 Jx， x ＝ 1， ...， p， 和一个低通滤波器 Ky， y ＝ 1， ...， p， 依次串 联而成 ； 每路信号调理电路中的差分信号放大器的两个输入端， 分别与对应所述测量副边 线圈 A1z， z ＝ 1， ...， S， 的两个引线端相连， p 是预先设定的 ；
所述位置信息处理单元 H3， 含有 ： 依次串联的 A/D 转换器 M 和工业计算机 N， 在所 述测量编码标尺 B 在所述测量头元件内部往复运动过程中的任意时刻， 所述 S 个测量副边 线圈， 分别产生与处于各自内部的， 所述测量编码标尺 B 部分的， 所述编码元件类型有关的 感应电压信号 ； 共 S 个所述感应电压信号 ； 所述各所述感应电压信号， 经过各个对应的所述 差分信号放大器及低通滤波器进行转换后， 得到与各所述感应电压信号成比例变化的各直 流电压信号 ； 各所述直流电压信号， 再接入所述 A/D 转换器上的各对应输入端， 经过所述 A/ D 转换器转换为 ： 与各所述感应电压信号对应成比例变化的各个数字电压信号 ； 所述各数 字电压信号送入所述工业计算机 N， 所述工业计算机 N 经过对获得的各个所述数字电压信 号进行处理， 得到 ： 所述测量编码标尺 B 上设定的基准点 JZ1 与所述测量头元件上设定的基 准截面 JZ2 之间的距离 FL 和方位， 即相当于确定了所述基准点 JZ1 与所述基准截面 JZ2 之 间的相对位置关系 ； 测量中， 固定所述测量头元件于空间中确定位置， 则所述测量头元件上 设定的基准截面 JZ2 的位置是确定的， 根据所述得到的相对位置关系， 就确定了所述测量 编码标尺 B 上设定的基准点 JZ1 的位置并输出。
图 2 和图 3 分别显示了， 基于二维伪随机编码的位置测量装置的一个具体实施例， 在所述测量编码标尺的不同位置情况下的结构示意图。在该实施例中， 基于所述二维伪随 机码方法设计的所述位置测量装置包括 ：
一个测量编码标尺 B 由， 第 1 个到第 6 个共 6 个所述非导磁编码元件， 第 1 个到第 4 个共 4 个所述测量导磁编码元件， 以及第 1 个到第 3 个共 3 个所述容错导磁编码元件， 共 同组成 ； 所述容错导磁编码元件直径， 不小于所述测量导磁编码元件的直径的 1.5 倍， 且小 于所述测量头元件内部通道直径 ； 所述非导磁编码元件和测量导磁编码元件， 共 10 个 ；
对于所述非导磁编码元件和测量导磁编码元件的长度， 在两端连接相同类型编码元件结构中， 如所述非导磁编码元件 Ba1、 Ba2 和 Ba5 的长度， 和所述测量导磁编码元件 Bb2 的长度， 均为一个单位测量步距长度 UL ； 在一端连接所述容错导磁编码元件结构中， 如所 述非导磁编码元件 Ba3、 Ba4 和 Ba6 的长度， 和所述测量导磁编码元件 Bb1、 Bb3 和 Bb4 的长 度， 均为 (UL-CL) ； 在两端均连接所述容错导磁编码元件结构中， 均为 (UL-2CL)， 图 2 和图 3 中， 没有显示两端均连接所述容错导磁编码元件的情况 ； 所述各容错导磁编码元件的长度， 如所述容错导磁编码元件 Bc1、 Bc2 和 Bc3 的长度， 均为 2 倍的单位容错距离长度 CL ； 以上 所述长度， 均表示沿所述测量编码标尺 B 轴向方向长度 ；
所述单位测量步距长度 UL 和单位容错距离长度 CL 是预先设定的 ；
所述测量编码标尺 B 上的各所述非导磁编码元件 Ba、 测量导磁编码元件 Bb 和容错 导磁编码元件 Bc， 在所述测量编码标尺 B 上的相互位置关系与连接次序， 按照与预先设定 的二维伪随机编码序列中对应各编码符号， 从序列中第一个编码符号开始， 从前至后排列 的相同次序布置 ； 所述导磁编码元件和容错导磁编码元件采用具有导磁特性的软铁制造， 所述非导磁编码元件采用不导磁的奥氏体不锈钢制造 ；
一个测量头元件， 包括 ： 一个测量原边线圈 A2， 第 1 个到第 3 个共 3 个， 等间隔且 与所述测量原边线圈共磁轴布置的， 测量副边线圈 A11 ～ A13 ； 所述各测量副边线圈 A11 ～ A13 的长度， 均为 2 倍的单位容错距离长度 CL ； 即所述各测量副边线圈 A11 ～ A13 长度， 均 等于一个所述容错导磁编码元件的长度， 所述所有测量副边线圈 A11 ～ A13 均布置在所述 测量原边线圈 A2 的两端面之间 ； 以上所述长度， 均表示沿所述测量头元件轴向方向长度 ；
所述测量编码标尺 B， 沿所述测量头元件轴向方向， 在所述测量头元件内部通道中 往复运动 ； 在运动过程中的任意时刻， 由所述测量头元件中的， 各所述测量副边线圈 A11 ～ A13 产生的感应电压信号， 表示了对应各所述测量副边线圈 A11 ～ A13 内部的， 所述编码元 件的类型信息 ； 在测量全过程中， 全部 3 个所述测量副边线圈内部， 均始终有测量编码标尺 B 上的编码元件部分存在 ；
一个激励信号发生单元 H1， 包括 ： 一个激励信号发生器 R1， 和一个顺次串联连接 的激励信号放大器 R2， 所述激励信号发生器 R1 产生固定频率的交流激励信号， 所述激励信 号发生器 R1 的输出端直接与所述激励信号放大器 R2 的输入端相连， 所述激励信号放大器 R2 的输出端与所述测量头元件中所述测量原边线圈 A2 的两个引线端直接连接， 所述激励 信号发生器 R1 采用 PCI-MIO-16XE-10 型多功能信号采集 / 输出板的 DIO 端口产生固定频 率的交流信号， 所述激励信号放大器 R2 采用由 9013 型和 9012 型晶体管组成的 OTL 互补对 称功率放大电路 ；
一个信号调理单元 H2， 包括 ： 第 1 路到第 3 路共 3 路， 并列的信号调理电路 ； 每个 所述信号调理电路， 包括 ： 一个对应的差分信号放大器， 每个所述差分信号放大器的两个输 入端， 分别独立对应连接一个所述测量副边线圈的两个引线端 ； 一个与所述差分信号放大 器依次串联的低通滤波器， 所述低通滤波器的输入端， 独立对应连接对应所述差分信号放 大器的输出端， 所述差分信号放大器 J1 ～ J3， 采用 AD9460 构成的放大电路， 所述低通滤波 器 K1 ～ K3， 采用二阶 Chebyshev 低通滤波器 ；
一个位置信息处理单元 H3， 包括 ： 一个 A/D 转换器 M 和一台工业计算机 N， 其中所 述 A/D 转换器 M 的各个输入端， 分别连接 3 个所述低通滤波器 K1 ～ K3 的输出端， 读取所述 3 个低通滤波器 K1 ～ K3 输出的， 与所述各测量副边线圈 A11 ～ A13 产生的感应电压信号大小成比例变化的， 各直流电压信号 ； 所述 A/D 转换器 M 将得到的所述各直流电压信号， 转换 为对应的各数字电压信号， 并传送到所述工业计算机 N ； 所述工业计算机 N， 对接收的所述 各数字电压信号进行处理后， 得到相应的所述测量编码标尺上设定点的位置信息。所需要 测量位置的物体直接连接在所述测量编码标尺上， 则可通过确定所述测量编码标尺上设定 点的位置， 进而确定被测物体相应的位置信息。所述工业计算机可以进一步输出获得的位 置信息。所述 A/D 转换器 M 采用 PIO-MIO-16XE-10 型多功能信号采集 / 输出板的模拟量采 集通道构成， 所述工业计算机 N 采用 SIEMENS 工控机。
上述实施例中的举例仅是说明性的， 而非限制性的， 在实际使用中根据具体的试 验要求， 各所述测量副边线圈的个数可以给予调整 ； 各所述测量副边线圈之间的间隔距离 也可以调节 ； 所述测量编码标尺 B 中， 不同所述编码元件的个数， 及其相互之间连接关系， 均可以根据测量需要进行调整 ； 各非导磁编码元件及两种导磁编码元件的结构材料， 也可 以改为可以实现类似测量功能的其他材料， 所述信号调理单元 H2 和位置信息处理单元 H3， 也可以分别采用可以实现类似功能的其他形式或结构的部件构成等。
本发明所述基于二维伪随机编码的位置测量装置的工作原理如下 ：
基于二维伪随机编码的位置测量装置， 采用基于二维伪随机编码序列的结构， 实 现位置标识和测量。
所述二维伪随机编码序列， 包括 ： 由具有伪随机分布特征的一系列二进制符号 “0” 或 “1” 构成的测量维编码序列， 以及另外的由一系列符号 “+” 或 “-” 构成的容错维编码 序列， 所述容错维编码序列也具有伪随机分布特征， 且其伪随机分布特征直接依赖于所述 测量维编码序列中的二进制符号序列的伪随机分布特征 ；
根据预先设定的二维伪随机编码序列， 可以确定所述位置测量装置结构， 包括 ： 一 根测量编码标尺， 一个测量头元件， 一个激励信号发生单元， 一个信号调理单元以及一个位 置信息处理单元， 其中 ：
测量编码标尺 B， 由若干非导磁编码元件 Ba、 测量导磁编码元件 Bb 和容错导磁编 码元件 Bc， 交错同轴连接构成，
所述测量维编码序列中的二进制符号 “0” ， 对应于所述测量编码标尺 B 上的各所 述非导磁编码元件 Ba ； 所述测量维编码序列中的二进制符号 “1” ， 对应于所述测量编码标 尺 B 上的各所述测量导磁编码元件 Bb ； 所述容错维编码序列中的符号 “+” ， 对应于所述测量 编码标尺 B 上的各所述容错导磁编码元件 Bc ； 所述容错维编码序列中的符号 “-” ， 对应于所 述测量编码标尺 B 上， 任意两个相同类型的所述编码元件之间， 直接同轴连接的连接点 ；
所述测量编码标尺 B 上的各所述非导磁编码元件 Ba 和测量导磁编码元件 Bb 排列 次序， 按照预先设定的二维伪随机编码序列中， 测量维编码序列上各对应符号， 从序列中第 一个编码符号开始， 从前至后排列的相同次序布置 ； 所述容错导磁编码元件 Bc 和相同类型 编码元件连接点的排列次序， 按照预先设定的二维伪随机编码序列中， 容错维编码序列上 各对应符号， 从序列中第一个编码符号开始， 从前至后排列的相同次序布置 ；
在图 2 及图 3 的实施例中， 对应预先设定的二维伪随机编码序列， 如表 1 所示。
表1
31101852584 A CN 101852585说测量维编码序列 ： 容错维编码序列 ：明书0001110001 --+--+--+24/30 页图 2 和图 3 所示的实施例中， 从所述测量编码标尺 B 上的前端面开始， 与测量维编 码序列中各符号 “0” 或者 “1” 对应， 各所述非导磁编码元件 Ba 和测量导磁编码元件 Bb 的 排列关系， 以及与容错维编码序列 “+” 或者 “-” 对应， 各所述容错导磁编码元件 Bc 和相同 类型编码元件连接点的排列关系， 如表 2 所示。
图 2 和图 3 所示的实施例中， 所述测量头元件， 包括 ： 一个测量原边线圈 A2， 和第 1 个到第 3 个共 3 个， 测量副边线圈 A11 ～ A13 ； 任意两个相邻测量副边线圈的， 沿长度方向 中心截面之间的距离， 均为 2 倍的单位测量步距长度 UL ； 测量原边线圈的长度为 6 倍单位 测量步距长度 UL， 每个测量副边线圈长度为 2 倍单位容错距离长度 CL ； 所述全部测量副边 线圈均布置在所述测量原边线圈的两个端面之间 ；
表2
所述测量编码标尺 B 在所述测量头元件内部， 沿所述测量头元件轴线方向往复运 动； 在测量全过程中， 全部 S 个所述测量副边线圈内部， 均始终有测量编码标尺 B 上的， 所述 各编码元件部分存在 ； 在图 2 及图 3 的实施例中， S＝3；
在图 2 及图 3 的实施例中， 预先设定， 所述测量编码标尺 B 上的基准点 JZ1 为 ： 所 述非导磁编码元件 Ba1 与被测物体 WT 的连接面， 即相当于所述测量编码标尺 B 的前端面的
中心点 ； 预先设定， 所述测量头元件上设定的基准截面 JZ2 为 ： 所述测量副边线圈 A11 的， 沿所述测量头元件轴向方向的， 长度的中心截面 ； 被测物体 WT， 预先连接在所述测量编码 标尺 B 上， 并在测量过程中与所述测量编码标尺 B 同步运动 ； 在该实施例中， 被测物体 WT 与 所述测量编码标尺 B， 在所述测量编码标尺 B 前端面处同轴连接， 所述被测物体的质心 JZ0， 与所述测量编码标尺 B 上的基准点 JZ1， 沿测量编码标尺 B 轴向方向的， 即相当于沿所述测 量头元件的轴向方向的， 长度为预先测定得到的值 WL ；
所述测量头元件中的测量原边线圈， 在所述激励信号发生单元 H1 提供的交流激 励信号作用下， 在所述测量头元件中产生交变电磁场 ； 当所述测量副边线圈内部， 存在不同 类型的编码元件时， 所述测量副边线圈产生不同的感应电压信号 ； 所述感应电压信号， 经过 所述信号调理单元 H2 中的所述信号调理电路处理， 转换为 ： 与所述感应电压信号成比例变 化的直流电压信号 ； 所述直流电压信号， 由所述位置信息处理单元 H3 中的 A/D 转换器 M， 进 一步转换为 ： 与所述感应电压信号成比例变化的数字电压信号， 并传送到所述工业计算机 N； 所述工业计算机 N， 使用内置的码值与位置转换模块， 按照以下步骤， 实现被测位置测量 操作 ：
步骤 (1) ： 所述工业计算机 N 初始化 ： 设定转换过渡标志位初始值为 “0” ； 转换过渡标志位为 “1” 表示 ： 当前所述测量头 元件读取到的， 各所述测量副边线圈内部的， 所述测量编码标尺 B 上的， 所述编码元件类型 不能用于码值转换操作 ； 转换过渡标志位为 “0” 表示 ： 当前所述测量头元件读取到的， 各所 述测量副边线圈内部的， 所述测量编码标尺 B 上的， 所述编码元件类型允许用于进行码值 转换操作 ；
设定所述工业计算机 N 的初始采样时刻 t0， 并设定进行等时循环采样的采样时间 间隔 dt ；
设定所述工业计算机 N 在每个采样时刻， 同时读取的采样点个数， 所述采样点个 数在数量上等于所述测量副边线圈的总个数值 S ； 在图 2 及图 3 的实施例中， S＝3；
读取所述码值和位置转换模块中预先设定的所述单位测量步距长度 UL 和单位容 错距离长度 CL ；
设定所述测量头元件中， 任意两个相邻布置的所述测量副边线圈的， 各自沿所述 测量头元件轴向的中间截面之间的距离， 为 V 倍所述单位测量步距长度 UL， V 值是在所述码 值和位置转换模块中预先设定的 ； 在图 2 及图 3 的实施例中， V＝2；
读取所述码值和位置转换模块中预先设定的 “测量维编码读取码值与标尺位置对 应关系表” 和 “测量维编码读取码值与容错维编码读取码值对应组合关系表” ； 在图 2 及图 3 的实施例中， 所述设定的 “测量维编码读取码值与标尺位置对应关系表” 如表 3 所示， 所述 设定的 “测量维编码读取码值与容错维编码读取码值对应组合关系表” 如表 4 所示。
表3
基准点 JZ1 与基准截面 JZ2 之间的相对位置及距 离 FL +5*UL33测量维编码读取码值 101101852584 A CN 101852585说明书测量维编码读取码值 100 110 010 011 00126/30 页基准点 JZ1 与基准截面 JZ2 之间的相对位置及距 离 FL +4*UL +3*UL +2*UL +1*UL +0*UL
由表 4 所示， 可以得到 ： 所述设定的 “测量维编码读取码值与容错维编码读取码值 对应组合关系表” 中， 每个所述容错维编码读取码值， 对应两个所述测量维编码读取码值 ； 因此， 确定了所述一个容错维编码读取码值， 以及两个对应的所述测量维编码读取码值， 这 三个码值组合中的任意两个， 就可以唯一确定另一个对应的所述码值 ； 设定由预先测量得到的， 所述被测物体的质心 JZ0 与所述测量编码标尺 B 上的基 准点 JZ1 之间的的距离 WL 和方位， 和所述测量头元件上的基准截面 JZ2 在所述空间中确定 的位置 ；
表4
读取预先存储在所述码值和位置转换模块中的， 对应于当前激励信号水平及安装 条件的， 所述测量副边线圈内部的， 所述测量编码标尺 B 上， 不同所述编码元件类型部分所 对应的， 所述工业计算机 N 应读取到的， 各标准数字电压信号值 ：
1)V0 ： 当某个所述测量副边线圈内部， 在其上下两个端面之间的所述测量编码标 尺部分仅有所述非导磁编码元件存在时， 工业计算机应读取到的对应标准数字电压信号 值；
2)V1 ： 当某个所述测量副边线圈内部， 在其上下两个端面之间的所述测量编码标 尺部分仅有所述测量导磁编码元件存在时， 工业计算机应读取到的对应标准数字电压信号
值； 3)V2 ： 当某个所述测量副边线圈内部， 在其上下两个端面之间的所述测量编码标 尺部分仅有所述容错导磁编码元件存在时， 工业计算机应读取到的对应标准数字电压信号 值；
设定各所述数字电压信号与对应所述标准数字电压信号值的极限偏差比例 dV％， 所述极限偏差比例 dV％以百分比数值形式表示， 且所述 dV％不大于 50％ ；
步骤 (2) ： 所述工业计算机 N 从设定的所述初始采样时刻 t0 开始， 每间隔采样时 间间隔 dt 进行一次采样， 并不断重复上述采样过程， 实现等时循环采样过程 ； 在任意所述 采样时刻， 所述工业计算机 N 一次读取全部 S 个所述数字电压信号， 并与所述设定的各标准 数字电压信号值进行比较 ：
若： 某个所述数字电压信号小于 (V0+V1)/2， 且与 (V0+V1)/2 之差的绝对值大于所 述极限偏差比例 dV％倍的 (V0+V1) 值， 则认定 ： 在当前采样时刻下， 在这个所述数字电压信 号对应的所述测量副边线圈内部， 对应存在的是所述测量编码标尺上的所述非导磁编码元 件； 同时， 用所述二维伪随机编码中对应使用的符号 “0” ， 表示当前采样时刻下， 所述测量 副边线圈内部的， 所述编码元件类型 ；
若： 某个所述数字电压信号大于 (V0+V1)/2， 且与 (V0+V1)/2 之差的绝对值大于所 述极限偏差比例 dV％倍的 (V0+V1) 值， 同时该数字电压信号不大于 (1+dV％ ) 倍的 V1 值， 则认定 ： 在当前采样时刻下， 在这个所述数字电压信号对应的所述测量副边线圈内部， 对应 存在的是所述测量编码标尺上的所述测量导磁编码元件 ； 同时， 用所述二维伪随机编码中 对应使用的符号 “1” ， 表示当前采样时刻下， 所述测量副边线圈内部的， 对应所述编码元件 类型 ；
若： 某个所述数字电压信号大于 (1+dV％ ) 倍的 V1 值， 则认定 ： 在当前采样时刻 下， 在这个所述数字电压信号对应的所述测量副边线圈内部， 对应存在的是所述测量编码 标尺上的所述容错导磁编码元件 ； 同时， 用所述二维伪随机编码中对应使用的符号 “+” ， 表 示当前采样时刻下， 所述测量副边线圈内部的， 对应所述编码元件类型 ；
步骤 (3) ： 将步骤 (2) 中得到的， 当前采样时刻下的， 所有所述测量副边线圈内部 所述编码元件类型对应的， 共 S 个所述二维伪随机编码中使用的符号， 组合为一个对应的 读取符号序列， 并用于码值和位置转换 ：
若： 当前采样时刻得到的， 所述读取符号序列中， 仅存在所述符号 “0” 或者 “1” ， 则 将所述读取符号序列， 作为当前采样时刻的测量维编码读取码值， 查找所述转换模块中预 先设定的 “测量维编码读取码值与标尺位置对应关系表” ， 得到所述测量维编码读取码值对 应的， 所述测量编码标尺 B 上设定的基准点 JZ1 与所述测量头元件上设定的基准截面 JZ2 之间的距离 FL 和方位， 并由所述工业计算机 N 记录当前采样时刻的所述测量维编码读取码 值； 同时， 将所述读取符号序列中各个符号对应替换为所述符号 “-” ， 构成一个与所述读取 符号序列符号个数相同的， 全部由所述符号 “-” 组成的新符号序列， 所述新符号序列作为当 前采样时刻的容错维编码读取码值， 并由所述工业计算机 N， 记录所述读取符号序列和当前 采样时刻的容错维编码读取码值 ； 同时， 设置转换过渡标志位为 “0” ；
若： 当前采样时刻得到的所述读取符号序列， 与前一采样时刻得到的所述读取符 号序列相比， 在前一采样时刻得到的所述读取符号序列中， 没有出现所述符号 “+” 的位置，
新出现了所述符号 “+” ， 而前一采样时刻得到的所述读取符号序列中， 已经出现所述符号 “+” 的位置， 仍存在所述符号 “+” ， 则将前一采样时刻的所述测量维编码读取码值， 作为当前 采样时刻的所述测量维编码读取码值， 得到与前一采样时刻相同的位置信息 ； 同时， 将所述 读取符号序列中出现所述符号 “+” 的位置仍用 “+” 表示， 其他各个位置处的符号对应替换 为所述符号 “-” ， 构成一个与所述读取符号序列符号个数相同的， 由所述符号 “-” 和 “+” 组 成的新符号序列， 所述新符号序列作为当前采样时刻的容错维编码读取码值， 并由所述工 业计算机 N， 记录所述读取符号序列和当前采样时刻的容错维编码读取码值 ； 同时， 设置转 换过渡标志位为 “1” ；
若： 当前采样时刻得到的所述读取符号序列， 与前一采样时刻得到的所述读取符 号序列相比， 在前一采样时刻得到的所述读取符号序列中， 出现所述符号 “+” 的位置， 新出 现了所述符号 “0” 或者 “1” ， 而前一采样时刻得到的所述读取符号序列中， 没有出现所述符 号 “+” 的位置， 仍没有所述符号 “+” 存在， 则根据所述转换过渡标志位状态， 进行以下判断 ：
若： 前一采样时刻记录的所述转换过渡标志位为 “1” ， 则读取前一采样时刻记录 的， 所述测量维编码读取码值和容错维编码读取码值， 并根据所述码值和位置转换模块预 先设定的 “测量维编码读取码值与容错维编码读取码值对应组合关系表” ， 找到所述表中， 所述前一采样时刻记录测量维编码读取码值和容错维编码读取码值的组合对应的， 另一个 所述测量维编码读取码值 ； 并将找到的所述另一个测量维编码读取码值， 作为当前采样时 刻的测量维编码读取码值， 并根据所述转换模块预先设定的 “测量维编码读取码值与标尺 位置对应关系表” ， 得到所述测量维编码读取码值对应的， 所述测量编码标尺 B 上设定的基 准点 JZ1 与所述测量头元件上设定的基准截面 JZ2 之间的距离 FL 和方位 ； 同时， 将前一采 样时刻记录的容错维编码读取码值， 作为当前采样时刻的容错维编码读取码值， 并由所述 工业计算机 N 记录所述当前采样时刻的测量维编码读取码值、 容错维编码读取码值和读取 符号序列 ； 同时， 设置转换过渡标志位为 “0” ；
若： 前一采样时刻记录的所述转换过渡标志位为 “0” ， 则所述工业计算机 N， 读取 前一采样时刻记录的所述测量维编码读取码值和容错维编码读取码值， 作为当前采样时刻 的测量维编码读取码值和容错维编码读取码值， 得到与前一采样时刻相同的位置信息 ； 同 时， 设置转换过渡标志位为 “0” ；
图 2 所示的实施例情况下， 得到的所述读取符号序列为 “110” ， 对应得到的测量维 编码读取码值为 “110” ， 对应得到的容错维编码读取码值为 “---” ； 查找表 3， 得到对应的， 所述测量编码标尺 B 上基准点 JZ1， 与所述测量头元件上的基准截面 JZ2， 之间的相对位置 及距离 FL 为 +3*UL ； 则认定 ： 图 2 所示的实施例情况下， 所述测量编码标尺 B 上基准点 JZ1， 在所述测量头元件的前端面外侧， 距离所述测量头元件的基准截面 JZ2， 距离 FL 为 +3*UL 的 位置 ；
图 3 所示的实施例情况下， 得到的所述读取符号序列为 “+10” ： 若图 3 为图 2 所示 情况对应采样时刻之后的， 一个采样时刻下的情况， 则得到对应的测量维编码读取码值为 “110” ， 对应得到的容错维编码读取码值为 “+--” ； 查找表 4， 得到对应于， 所述测量维编码读 取码值与容错维编码读取码值的组合中， 另一个测量维编码读取码值为 “010” ； 查找表 3 得 到， 所述另一个测量维编码读取码值对应的， 所述测量编码标尺 B 上基准点 JZ1， 与所述测 量头元件上的基准截面 JZ2， 之间的相对位置及距离 FL 为 +2*UL ； 则认定 ： 图 3 所示的实施例情况下， 所述测量编码标尺 B 上基准点 JZ1， 在所述测量头元件的前端面外侧， 距离所述 测量头元件的基准截面 JZ2， 距离 FL 为 +2*UL 的位置 ； 所述测量头元件的前端面外侧， 指前 端面两侧中， 远离所述测量头元件质心的一侧 ； 所述距离中的 “+” 表示， 在所述测量头元件 的前端面外侧方向 ；
其他情况下得到的， 所述读取符号序列可以通过类似的方法， 转换得到相应的， 所 述测量编码标尺 B 上基准点 JZ1， 与所述测量头元件上的基准截面 JZ2， 之间的相对位置信 息；
步骤 (4) ： 所述工业计算机 N， 根据获得的， 所述测量编码标尺 B 上设定的基准点 JZ1 与所述测量头元件上设定的基准截面 JZ2 之间的距离 FL 和方位， 以及预先设定的， 所述 被测物体的质心 JZ0 与所述测量编码标尺 B 上的基准点 JZ1 之间的的距离 WL 和方位， 还有 预先设定的， 所述测量头元件上的基准截面 JZ2 在所述空间中确定的位置， 可以得到并输 出所述被测物体的质心 JZ0 在所述空间中确定的位置信息 ；
在图 2 及图 3 的实施例中， 所述被测物体 WT 与所述测量编码标尺 B 上共轴连接， 所述被测物体 WT 的质心 JZ0， 处在所述测量编码标尺 B 的轴向延长线上， 即相当于在所述测 量头元件的轴向延长线上， 所以可以分别通过认定， 得到以下位置信息 ：
在图 2 所示情况下， 所述被测物体 WT 的质心 JZ0， 在所述测量头元件的前端面外 侧， 所述测量头元件的轴向延长线上， 与所述测量头元件上设定的基准截面 JZ2， 距离为 WL+3*UL 的位置处 ；
在图 3 所示情况下， 所述被测物体 WT 的质心 JZ0， 在所述测量头元件的前端面外 侧， 所述测量头元件的轴向延长线上， 与所述测量头元件上设定的基准截面 JZ2， 距离为 WL+2*UL 的位置处 ； 图 3 中， 所述被测物体 WT 的质心 JZ0， 与所述测量头元件上设定的基准 截面 JZ2， 实际之间的距离小于所述认定值， 但是这个差别小于一个所述单位测量步距长度 UL， 即相当于 ： 实际距离与认定距离之间的差别， 小于测量所需分辨的最小长度， 属于正常 测量误差范围 ；
步骤 (5) ： 不断重复步骤 (2) ～ (4)， 所述位置测量装置可以连续实现， 在任一采样 时刻下， 对于所述被测物体位置的测量操作。
所述工业计算机 N 可以将获得的被测物体位置信息， 进一步输出及记录。
所述基于二维伪随机编码的位置测量装置， 在需要对应测量范围进行扩展时， 或 者一次采样时刻的采样点数很大的情况下， 即相当于所述测量副边线圈个数很多的情况 下， 具有较以往位置测量装置， 突出的高效率， 适应性和容错性。
以往的位置测量装置， 在所述测量头元件恰好位于多个所述编码元件的连接位置 处时， 或者会产生误码， 发生误判 ； 或者必须与预先存储的， 各种可能的误码组合进行比较， 确定误码对应的所在位置， 实现误码校正。 如前所述， 所述基于二维伪随机编码的位置测量 装置， 通过二维伪随机编码方式， 只需要通过与存储的几个参数， 以及所述 “测量维编码读 取码值与标尺位置对应关系表” 和 “测量维编码读取码值与容错维编码读取码值对应组合 关系表” 中存储的少量所述码值进行比较， 即可确定测量位置信息。
图 5 显示了在一次采样时刻的采样点数， 从 1 个到 18 个的不同情况下， 以往的位 置测量装置， 与所述基于二维伪随机编码的位置测量装置， 为实现误码校正， 分别所需进行 的码值比较次数 ； 即相当于不进行误码校正情况下， 可能存在的误码个数。图 5 中， OLD_CODE 表示 ： 使用以往的位置测量装置情况下得到的比较次数曲线， NEW_CODE 表示 ： 使用所 述基于二维伪随机编码的位置测量装置情况下得到的比较次数曲线。由图可见， 在一次采 样时刻的采样点数为 18 个的情况下， 以往的位置测量装置所需进行的码值比较次数， 达到 105 的数量级， 而基于二维伪随机编码的位置测量装置所需进行的码值比较次数， 仍只有 2 次。 与以往的位置测量装置， 基于二维伪随机编码的位置测量装置大大提高了测量效率， 降 低了误码概率， 具有更好的测量适用性。