[发明专利]多转绝对值旋转编码器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量机械位移的传感器（编码器）。位移传感器被广泛的应用，例如发动机中，用于曲轴旋转相位的定位、流水线机械手姿态的自我‘感知’与控制、生产线定量计米、数控机床各运动轴的动态或静态定位等。甚至日常生活中都经常可以见到它的影子，比如电梯、打印机、鼠标、煤气表和水表等计量仪表。

背景技术

目前，常见的成熟产品中，按照测量范围能力分类有三种，分别是：增量式、单圈绝对值式、多圈绝对值式（很多水表、煤气表等无源计量仪表也在此列）。按照传感器形式划分，有磁电式、磁敏式、光电式。按照驱动能量来源区分，有无源的和有源的。按照运动形式分为直线式和回转式。

增量式价格相对便宜，但仅适合做相对位移测量和转速测量。增量式编码器利用输入轴带动磁栅盘或光栅盘，导致磁场或光线的周期变化，然后用对应的传感器，将代表位移的磁或光的变化转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。增量式编码器将位移转换成周期性的电信号的具体实施办法可以是当前技术中所使用的磁电式、磁敏式、光电式的任意一种。增量式编码器优点是结构简单，工艺难度低，价格低廉，缺点是断电后位置信息会丢失。在定位应用中，增量式每次上电开机都要寻找外部参考点然后再投入正常工作。

单圈绝对值式，价格较贵，但优点是可以在每转范围内提供对多点位置的绝对定位，即对每点都提供一组唯一的代码来代表该位置，并且断电后该位置信息仍然不会丢失。但单圈绝对值式对于多于一圈的定位应用，就无法提供唯一的位置代码，这是它的缺点。

有一类产品中，通过备用电源来结合单圈绝对值码盘的特性来记录编码器输入轴的旋转圈数，以便达到即使主电源断开，编码器仍旧能够在大范围内自行记录位移信息。这类产品虽然较之纯单圈绝对值式有了很大进步，但仍旧难以满足大多数需求。因为目前常用的三类传感器件都需要相对耗费大量能源，现在的电池技术不足以长时间供应其所需。例如磁电式（类似传统磁带式录音机的磁头），基本结构是一开环磁芯骨架上绕有线圈，它的输出信号强度是随相对于磁场运动速度变化的，当相对于静磁场的运动速度很慢的时候，它感应出的信号已经不足以为处理电路直接使用了。对于这种磁电传感器的弊端，目前有两种应对办法：一种需要在其后接驳信号放大电路，但放大电路消耗了额外的电能，而且也不能在传感器绝对静止的时候获得信号输出；一种是在磁芯绕制另一组线圈，并且通上励磁电流，这样就可以使磁电式传感器在相对于静磁场不动的时候也可以获得足够强的输出信号，但同样的，这也需要额外消耗电能。余下的磁敏器件和光电器件也存在类似的能耗大的问题。关于这个能耗大的问题在专利200580014807.X中有比较详细的论述，并基于这个问题提出了解决方案。但其并没有从根本上解决问题，在检测码盘的时候传感器仍旧会消耗一部分电能。

多圈绝对值式的优点是它可以比单圈绝对值式提供更大范围内的绝对位置的代码，且断电后位置信息不丢失。如目前的某型号产品，其单圈最大分辨率为65536步, 并且提供达16384圈的记录能力。但其结构复杂，造价高昂，所以限制了很多应用。

发明内容

显然，目前现有的产品可以归纳出的问题是：都存在或多或少的缺陷，要么功能或性能不够完善，无法满足需要，要么价格昂贵。本发明的目的便是运用特定的技术以及组合技术手段规避现有技术中的弊端，低成本的实现多圈绝对值式的编码器的生产制造。

根据对编码器这种传感部件的本质分析，可以发现，编码器在某些应用中是能量转换装置，例如煤气表、水表。这些都是在测量环境中间接或直接汲取被测量装置提供的能量，然后按照一定规则驱动机械结构实现数据记录。在机床等应用编码器的环境中因为要高速输出电信号，所以这里的编码器都是要外接电源以满足电子芯片和传感器件相对大量的电能消耗。或许这很大程度上在本领域技术人员中造成了一定的技术偏见，既：传感器以及内部核心传感器件都是要消耗电能的（现有产品中所有类型编码器的耗电量也确实相对电池等移动供电设备来说是很大的）。但其实在这些应用中，不仅仅外接的电源是能量来源，编码器的输入轴也是一能量来源（动能）。如果能很好的利用起这个能源的话，显然可以解决不少问题，尤其是在上面提到的，常规的单圈绝对值编码器传感器件能耗大的问题。