[发明专利]感应式绝对位置传感器

说明书

一种感应式绝对位置传感器具有刻度尺和读取头。刻度尺具有平面导电特征的图案，其沿测量路径在每个空间周期Tc重复。读取头具有：平面绕组，其空间周期为T_F＝Tc/M的多极正弦和余弦感应绕组，其中M为整数；围绕感测绕组的单极第一驱动绕组；以及沿测量路径的空间周期为Tc/N的多极第二驱动绕组，其中N＝M±1。电子电路使用第一驱动绕组进行第一模式测量并且使用第二驱动绕组进行第二模式测量。范围Tc中的绝对位置根据两种模式的测量结果计算出。传感器可以与它所取代的增量传感器一样紧凑，因为用于使其适于绝对应用的刻度尺的图案和第二驱动绕组不需要额外的空间。

技术领域

本发明涉及感应绝对位置传感器。该传感器可以用于在诸如测量探针、千分尺、千分表等具有几微米或更好在几厘米范围内的精度的小型测量仪器中代替感应式增量位置传感器。

背景技术

感应式增量位置传感器通常包括具有朝向刻度尺的驱动绕组和感测绕组的读取头，该驱动绕组和感测绕组具有导电或可渗透特征的周期性的图案，该周期性图案根据刻度尺和读取头的相对位置来影响绕组之间的耦合，如McMullin等人的美国专利US4,737,698中公开的。

当前的感应式绝对位置传感器是两个或更多个不同刻度尺周期的感应式增量位置传感器的组合。专利US4,737,698中提出了两种变体，一种结合了精细周期的增量传感器以及粗略(coarse)周期的增量传感器，另一种组合了两个略有不同的周期的增量传感器。

Masreliez等人的美国专利US5,886,519公开了一种感应式绝对位置传感器系统，该系统具有三个感应式增量位置传感器/换能器，其每个的驱动绕组和感测绕组都面向刻度尺上的三个迹线之一。迹线的特征是磁通量调制器或涡流屏蔽，其在局部(locally)调制驱动绕组和感测绕组的耦合。如US5,886,519的说明书中所述，精度受迹线之间的串扰限制，因此需要一些最小的迹线间隔。

Andermo的美国专利US6,400,138使用电流耦合的磁通耦合环路代替了US5,886,519专利中的刻度尺的磁通调制器。这因此避免了驱动绕组和感测绕组之间的直接耦合，从而提高了精度。然而，仍然需要具有最小迹线间隔的多个刻度尺的迹线。

上述装置的问题在于：这些装置要么太麻烦，要么不够精确，以至于不能用于上述例如测量探针、千分尺、千分表等的测量仪器中。

发明内容

本发明的其中一个目的是提供一种紧凑的绝对传感器，其精度与其所替代的增量传感器一样，理想地具有相同的读取头尺寸和相同的刻度尺宽度。

在本发明的第一方面，提供了具有绝对或粗略空间周期Tc的感应式绝对位置传感器，其包括：刻度尺和读取头，其可沿测量路径相对移动。读取头包括在相同极之间具有精细空间周期T_F的多极感测绕组，精细空间周期T_F等于粗略空间周期Tc除以M，M为大于1的整数。读取头还包括单极第一驱动绕组，其在感测绕组或沿感测绕组产生时变空间均匀磁场。读取头还包括多极第二驱动绕组，其在感测绕组或沿着感测绕组产生沿着测量路径的周期为Tc/N的时变空间多极场，其中N等于M+1或M-1。刻度尺包括导电或可渗透特征的图案，其具有从驱动绕组到感测绕组的耦合特性，该特性为读取头沿刻度尺的位置的函数，该特性大体由两个空间周期性分量组成，一个为周期T_F，另一个为周期Tc或Tc/(M+N)。传感器还包括电子电路，其连接到第一驱动绕组和第二驱动绕组以及感测绕组，其以以下两种测量模式中的一种操作：第一模式，其启用第一驱动绕组并禁用第二驱动绕组，以在精细周期T_F内测量位置，或第二模式，其启用第二驱动绕组并禁用第一驱动绕组，以在周期Tc或Tc/(M+N)内测量位置；以及计算装置，其用于根据在第一模式测量的位置和在第二模式测量的位置来计算绝对位置。该绝对位置传感器在第一测量模式下用作精细周期T_F的位置传感器，而在第二测量模式下用作粗略周期Tc或分数的粗略周期Tc/(M+N)的位置传感器。然后从第一模式测量值和第二模式测量值计算绝对位置。