專利名稱：二進制模擬加權(quán)絕對位置編碼器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種檢測第一部件相對于第二部件移動位置的編碼器，尤其涉及一種能夠提供移動部件絕對位置的傳感器。
大量的絕對位置編碼器已經(jīng)開發(fā)出來，這些位置編碼器包括光學編碼器，其中譯碼導軌在光源和光探測器之間移動，因此導軌相對于光探測器與位置就能夠被測定。其它光學裝置則使用導軌來讀出沿導軌某一位置處的二進制字，這些字唯一定義了沿導軌長度的位置。
磁檢測器裝置也被用來探測絕對位置，固定部件包括從例如二進制碼或格雷碼形式排列的多條磁性材料溝道。磁致電阻放置在移動部件上，這些磁致電阻可以在磁場存在的情況下增加其自身的阻抗。由于磁場的編碼圖案唯一確定了阻抗的變化，所以，磁致電阻兩端的電勢就代表了移動部件的絕對位置。這種位置編碼器能夠探測的最小距離取決于碼的最小間距。這類編碼器對安裝誤差都很敏感，特別是在移動部件移動的過程中必須保證移動部件平行于固定部件以使得磁場恒定，這種對磁場恒定的要求限制了部件的互換性，因為如果替代部件的尺寸與被替代部分的尺寸不一樣，就會導致位置編碼器輸出錯誤，換句話說，這種位置編碼器在任一固定著源或編碼器的部件被替代時必須重新進行校正。
因此，這就構(gòu)成了對這樣一種絕對位置編碼器的需求這種編碼器在工作時不需要精心復雜的校正過程，并且在現(xiàn)場檢修時，提高元件的互換性，并有比現(xiàn)有編碼器更高的分辨率。
位置傳感器檢測第一部件的位置，并包括一個裝配在第二部件上的用來在固定的第二部件的某一部分上產(chǎn)生通量的通量源。第二部件上配置有呈一定圖形結(jié)構(gòu)的通量接收傳感器，圖形結(jié)構(gòu)材料的一部分具有對通量敏感的特性，一部分材料對通量不敏感。在一種優(yōu)選的實施方式中，磁鐵用作通量源，接收傳感器采用合適的非敏感材料如摻雜多晶硅和敏感材料如磁致電阻NiFe或NiCo，對于可見光通量源，可以采用象半導體表面上的金屬這樣的非敏感材料和象覆蓋著一層薄二氧化硅層的半導體表面這樣的敏感材料。對于β或中子輻射源，可以分別采用鋁或其它金屬作為非敏感材料，用半導體表面或中子靈敏合成樹脂作為敏感材料。
參考電阻提供第一信號和第二信號，第一信號表示無通量情況下的檢測電阻的阻抗，等二信號表示存在通量情況下檢測電阻的附加阻抗。連接到檢測電阻上的A/D電路用來計算每一檢測電阻上所檢測出的阻值與第一信號值之間的差值來計算參考附加阻抗。然后，求出此附加阻抗與第二信號之間的比值，并用適當?shù)募訖?quán)函數(shù)對這個比值進行加權(quán)，最后求出所有檢測電阻的參考附加阻抗的和，以提供位置傳感器的輸出。位置傳感器可以被用于閥門位置定位器，其中位置傳感器提供表示閥門位置的位置反饋。位置傳感器還可被用于位置傳送器，它可以傳送代表移動部件如閥桿或旋轉(zhuǎn)部件位置的輸出。
位置傳感器的第二種實施方式把代表閥門位置的輸出提供給閥門定位器，此閥門定位器用來控制閥門的轉(zhuǎn)桿或旋轉(zhuǎn)部件的位置，此傳感器采用經(jīng)過對數(shù)壓縮的二進制圖案，這是為了用來提高分辨率以獲得所需的閥門特性。所需的閥門特性要求閥門可以迅速打開，有相同的比率和其它一些為該應用特別設計的特性。


圖1是本發(fā)明中位置傳感器的側(cè)面圖，其方向?qū)χ苿硬考?；圖2是本發(fā)明中位置傳感器用于位置傳送器中時的原理框圖；圖3是本發(fā)明中位置傳感器的第二種實施方式用于閥位控制器中時的原理框圖；表1是一組用來計算圖2、圖3中電阻阻值的方程。
在圖1中，部件12相對于固定部件14移動。移動方向由雙箭頭15表示。通量發(fā)射源16安裝在移動部件12上。通量接收傳感器如虛線18所示位于固定部件14上，并接收源16發(fā)射的部分通量。源16與傳感器18之間相隔一段如箭頭24、25所示的距離。象下面詳細闡述的那樣，傳感器18由兩種材料組成，一種材料對通量敏感，另一種則不敏感。絕對位置編碼器18把表示部件12絕對位置的模擬輸出20送給分析器22。分析器22把模擬輸出20數(shù)字化并且計算絕對位置。分析器20通過電流回路28與控制器26相耦合?？刂破?6為分析器22和傳感器18提供電源。這里所公開的絕對位置編碼器可應用于任何需要知道移位部件絕對位置的情況。例如應用在烘箱中的節(jié)流調(diào)節(jié)器中和HVAC應用中，但是在流經(jīng)閥門的流量必須得到嚴格監(jiān)控的控制閥門中它尤其有用。在控制閥門中，閥桿或旋轉(zhuǎn)部件位置微小的變化將會造成通過閥門氣流的顯著變化。當本發(fā)明用在閥門上時，輸出20表示閥門打開的程度，從而間接地代表了流體流經(jīng)閥門的流量，源16安裝在閥桿或旋轉(zhuǎn)部件上，編碼器18連接在固定部件(例如管道)上。
在圖2中，傳送器90包括一組呈一定圖形的電阻RSIG0-RSIG4，三個參考電阻130、134和148，一個模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器100，一個微處理器102和一接口電路104。電阻RSIG0-RSIG4包含在通量接收傳感器18中，并且通過導線36A-36E連接到A/D轉(zhuǎn)接器100上，而這些導線與總線20等效。電阻RSIG0-RSIG4的位置應使電阻RSIG0-RSIG4能接收源16發(fā)出的通量。每一電阻上的粗線段代表敏感材料。例如電阻RSIG4上30處所示為敏感材料，32處所示為非敏感材料。整體來說，電阻RSIG0-RSIG4上的敏感/非敏感材料的圖形結(jié)構(gòu)代表了二進制圖案，其最小位與電阻34A相對應，其最大位與電阻34E相對應。換句話說，敏感/非敏感材料圖形結(jié)構(gòu)的重復規(guī)律是將電阻RSIG0-RSIG4中的每一個順序減半，每一圖形代表了表示沿電阻帶上位置的唯一的字。也可以使用象格雷碼或其它類似的碼圖形。
在本發(fā)明的第一種實施方式中，在源16存在的情況下，電路RSIG0-RSIG4上的敏感材料改變其阻值，因此當源16發(fā)出的通量作用于敏感材料時，可以測量出每一電路上電勢的差別，材料最好具有磁致電阻性。源16的磁鐵有0.1～0.3英寸寬比較合適。編碼器18上的圖案間距遠小于源16的寬度，通常至少比源寬小十倍。磁致電阻材料是淀積在絕緣襯底上的薄膜(如NiFe、NiCo)它是采用標準的薄膜淀積和光刻技術(shù)來實現(xiàn)的。非敏感材料是導體如鋁。非磁致電阻性材料如磁致電阻性材料的電阻率大約都在2000歐姆/方塊左右。當然本發(fā)明對其它類型的通量也是適用的，例如光通量或原子核粒子輻射，這些都受到以下條件的約束通量場的強度隨檢測電阻的長度變化，場域大于檢測電阻上圖案的最小間距。
三個參考電阻是必需的主要由敏感磁阻材料構(gòu)成的位于通量場中的參考電阻130(RMON)；主要由非敏感材料構(gòu)成的參考電阻134(RF)；和主要由敏感材料構(gòu)成但處于通量場影響不到的地方的第三參考電阻148(RMOFF)。RMON和RF選用的阻值大約與電阻RSIG0-RSIG4具有相同方塊數(shù)，以此來減少溫度系數(shù)的影響，在本發(fā)明的這種特定實施方式中，RMOFF減小到只有1個方塊來節(jié)省空間。所有的電阻都放置在結(jié)實的檢測頭內(nèi)部，檢測頭用于安裝在固定部件14(例如管道)上。所有這三個參考電阻130、134、148的兩個端都連接到具有電勢和電流A/ID通道的A/D轉(zhuǎn)換器100上，電勢轉(zhuǎn)換通道是U.S專利4,878,012，5,093,091，5,119,033或5,155,445中所公開的電荷分布式轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器可以在最小功耗的情況下把電勢輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出。轉(zhuǎn)換器100中的電流通道是標準的積分器，應用了一運算放大器和一連接在運放輸入、輸出兩端的電容轉(zhuǎn)換器100接收每一個電阻RSIG0-RSIG4、130、134和148上的二個輸入電勢，并且把每一輸入轉(zhuǎn)化成數(shù)字電勢，通過雙向SPI接口總線101輸出到微處理器102上微處理器102內(nèi)有一存儲器108用來存儲指令，此微處理器最好采用CMOS工藝以節(jié)省功耗。接口104接收所需的位置信號并通過兩個由電導94A、94B組成的電路送到控制器26。傳送器90的典型輸出信號是4-20mA的電流信號，這里電流的幅度代表了移動部件12的絕對位置。也可以使用其它的通信協(xié)議，如加載到模擬電流上的數(shù)字信號，或光信號傳輸。
微處理器102接收每一電阻的兩個數(shù)字電勢和一個數(shù)字電流，并且按照下表1中的公式來計算其電阻值。
表1RSIG0＝(P36A-P36AA)÷IRSIG0
RSIG1＝(P36B-P36BB)÷IRSIG1RSIG2＝(P36C-P36CC)÷IRSIG2RSIG3＝(P36D-P36DD)÷IRSIG3RSIG4＝(P36E-P36EE)÷IRSIG4RMON＝(P132A-P132B)÷I130RF＝(P142A-P142B)÷I134RMOFF＝(P152A-P152B)÷I148這里P表示其下標所示電導體的數(shù)字電勢，I代表通過其下標所示電阻中的電流，RSIGi是電阻RSIG0-RSIG4檢測到的數(shù)字化阻抗。利用這些計算出的電阻，微處理器102計算出下述的常系數(shù)A＝RF/2+16RMOFF(1)這里A代表無通量作用下RSIG0-RSIG4中任一電阻的附加阻值。RSIG0-RSIG4的任一電阻的阻抗都是一半分布在磁致電阻性材料上。另一半分布在非磁致電阻性材料上。與其相類似，等式1中RF/2項代表分布在非磁致電阻性材料上的阻抗，16RMOFF項代表分布在磁致電阻性材料上的阻抗。阻抗RMOFF前面系數(shù)16的存在是因為RMOFF的尺寸是其它電阻的1/32，并且RSIG0-RSIG4中每一電阻只有一半是磁致電阻性的，只要電阻尺寸產(chǎn)生變化，RF和RMOFF前所乘的系數(shù)應當隨之變化。當然它們都分別代表磁致電阻性材料的分布電阻抗和非磁致電阻性材料的分布電阻抗。其它常系數(shù)由下列給出B＝RMON-32RMOFF(2)這里B代表當檢測電阻完全由磁阻性材料構(gòu)成時，由通量產(chǎn)生的附加電阻。最后由微處理器計算其絕對位置，公式如下POS=Σi=04(Rsigi-A)/B×2i-----(3)]]>這里POS代表移動部件14的絕對位置，等式(3)的數(shù)值是將檢測到的阻值RSIGi與無通量作用下電阻的阻值之間差值，除以通量作用下附加磁致電阻阻值，然后再乘以每一電阻的位權(quán)重，最后把每個電阻RSIG0-RSIG4加起來得到。
使用這種方法，編碼器18可確定由源16產(chǎn)生的磁場的重心。例如，如果磁場的形狀是高斯分布或其它對稱分布，這時輸出POS就可以指出在電阻條上的最大磁場強度位置。當然，如果磁場的形狀是非對稱分布，如是一種變形的高斯分布，輸出POS則會指出磁場積分和一半處的位置，其磁場積分和的一半處于POS位置的一側(cè)，另一半處于POS位置處的另一側(cè)，換句話說，輸出POS指出了磁場分布的重心位置。
當然，輸出POS并不采用象數(shù)字絕對位置編碼器那樣采用離散值來表示，而是采用位于RSIG0-RSIG4電阻編碼圖案臨近值之間的不定數(shù)表示，因此是一種不定精度的模擬輸出。這種結(jié)果的得到是由于作用于圖形結(jié)構(gòu)的磁致電阻的通量的分布。如果源16產(chǎn)生的通量場是階躍函數(shù)，那么就只有直接位于源下的磁阻性元件受到影響，輸出POS則會是數(shù)字化的，但是如果通量場是光滑變化的，如高斯場，那么不僅僅是源16下面還有更多的圖形結(jié)構(gòu)的磁致電阻將受到影響，為了說明本發(fā)明的模擬特性，我們考慮當源16位于電阻RSIG4上磁致電阻材料中心處時輸出POS值的情況，這時電阻RSIG4上的分布電阻值將會達到最大，這是因受到通量場影響的RSIG4上的電阻區(qū)域場為磁致電阻材料，同時因為系數(shù)A、B為固定常數(shù)并且適用于RSIG0-RSIG4中的所有電阻，現(xiàn)在考慮另一種情況當源16直接位于RSIG4非磁致電材料上，這時由RSIG4產(chǎn)生對POS有效的分布電阻基本為零，這是因為RSIG4的值基本等于A的值，而A則是代表無通量場作用下任一電阻的附加阻抗值，因此由等式(3)預測的附加阻抗值基本上為零。這兩種情況分別代表了任一電阻所能提供的附加阻抗的最大、最小值。然而當源16在電阻RSIG4上磁阻性材料與非磁阻性材料的界面之間移動時，附加阻抗將在上述最大、最小阻抗間變化。并且為位置編碼器18提供了模擬加權(quán)的二進制輸出。在本發(fā)明中，場的寬度遠大于測量的精度，而在現(xiàn)有的技術(shù)中，精度限制為臨近圖案之間的間距。因為本發(fā)明中使通量場產(chǎn)生的附加阻抗與一固定阻抗成比例，又因為兩個值都受相同源的影響，因此每次替換移動部件12時不需要對編碼器18進行重校準，也不需要從“冷起動”開始工作。而在過去的編碼器中，當編碼器中的任一部分被替代時，初始點和終點(零點和間距)的校準是必需的，在電阻帶的頂端與在電阻帶的底端相比，本編碼器對源16到電阻RSIG0-RSIG4之間的距離變化是不靈敏的。這是由于當源16在任意給定位置時RSIG0-RSIG4中任一電阻都受相同場變量的作用。
然而應當注意，因為整個磁場必須降落在電阻帶上，所以源只能離編碼電阻帶的端點某一長度。當源位于電阻帶的一端時，場的積分將小于源位于上一位置時的值，傳感器的輸出將不能反映其真實的位置。
在圖3中，位置編碼器的第二種實施方式整體如110所示，它包括附著在固定部件114(例如管道)上的電阻帶112，移動部件106(如閥桿或旋轉(zhuǎn)部件)上安裝有對著電阻帶112的LED光源116。圖3顯示了移動部件106到固定部件114的相對位置，但是應注意，為了能夠提供從源到電阻帶112的通量場，部件106(以及其上的源116)的安裝應便于源116在電阻帶112長度方向上移動。電阻帶112上的7個電阻中的每一個的兩端都通過總線118和120連接到閥位控制器150上。接口/調(diào)節(jié)器132通過外部兩線電路136連接到控制器138上，由它提供閥位控制器150的所有驅(qū)動(power)?；芈?36中的電流值代表了所需的閥門位置，接口132接收比值并把它當作信號134送到PIID控制模塊130。電阻R0-R4，RON，ROFF和ROUT的兩端連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器122上，此轉(zhuǎn)換器在結(jié)構(gòu)上類似于前一實施方式中的A/D轉(zhuǎn)換器100，象在前一實施方式中一樣，轉(zhuǎn)換器122把任一電阻上的電勢和流過其中的電流提供給CMOS微處理器126。此處理器中包含有2K的程序存儲器128，如前所述，微處理器126計算常系數(shù)A、B，這里A代表無通量場作用下R0-R3中任一電阻的總阻抗，B代表當檢測電阻完全由磁致電阻材料組成時由通量場造成的附加阻抗。微處理器126接下來計算絕對位置POS，POS由下列公式給出。POS=Σi=03(Ri-A)/B×2i]]>PID控制部分130從調(diào)節(jié)/接口132接收計算得到的絕對位置POS以及所需的閥門位置信號，并產(chǎn)生PID控制信號140，在控制電路130內(nèi)，所需位置信號134與檢測到的絕對位置信號POS是不同的，控制信號140是關于差值的時間積分，差值的時間導數(shù)和差值常數(shù)項的線性組合，信號140調(diào)整電流-壓強轉(zhuǎn)換模塊(I/P)144中壓縮氣體源142來提供用于控制閥門或其它控制器的3-15psig的氣動輸出146。
一組具有四種圖形結(jié)構(gòu)的電阻R0--R3位于帶112上，每一電阻都有由以下兩種材料構(gòu)成的圖案，一種是對光敏感的材料，如帶有透光氧化物薄膜的硅，另一種是非敏感材料，如象填充有氧化鋁的環(huán)氧樹脂那樣的不透光厚膜印刷材料。當由通量場源116產(chǎn)生的光照射到電阻R0-R3上時，將會在暴露的硅上產(chǎn)生電子空穴對，其結(jié)果必然增加流經(jīng)每一電阻的電流值。和以前的實施方式中所討論的一樣，只要圖案是唯一作為沿著源116軌道的位置函數(shù)，處理電子電路將能計算源116的絕對位置，同樣帶112中也包含參考電阻RON、ROFF和ROUT，圖(3)中的陰影部分對應于敏感材料，非陰影部分對應于非敏感材料，但是這組檢測電阻與以前實施方式不同之處在于把圖案作為一個整體進行對數(shù)壓縮。當源從電阻帶112的底部向頂部移動時，檢測電阻(作為一個整體)相鄰圖案間的間距是順序地減小的。圖案這種安排增加了具有非線性工作特性的控制閥門的精度，如快速開啟或相同比率閥門，通常來說，當閥門特性需要在閥門移動中的特定位置增加精度的時候，對數(shù)壓縮編碼器是非常有用的，在這些閥門中，閥門打開和關閉大多數(shù)發(fā)生在閥桿(或旋轉(zhuǎn)部件)短距離移動時，這種提高精度的對數(shù)壓縮編碼器在這些關鍵的操作距離上，特別是靠近氣流控制非常嚴格的閥門座處，增強了對閥門的控制，其它非線性的圖形間距也可能被用到，特別是當閥門的工作特性特別需要滿足控制過程的情況下。
按照上面所公開的原理，一種類似的位置編碼器也可以被制造出來，它的通量場源116是高能電子(β粒子)，其檢測電阻形狀是由兩種材料構(gòu)成的圖形結(jié)構(gòu)，一種材料是對β粒子不透光的，另一種材料對這種粒子是透明的，電阻襯底112可以由易于加工的材料制成，如帶有二氧化硅絕緣層的硅，對β粒子不透光的材料是1μm厚的易于制造和加工的金屬層(如鋁)，對β粒子透明的材料是厚度低于1μm的薄二氧化硅材料β粒子作用于摻雜硅晶格產(chǎn)生雪崩效應，從而調(diào)整檢測電阻的阻值，編碼器的圖案也可以采用與編碼器18和110相對應的線性分別對數(shù)壓縮間隔。本發(fā)明位置編碼器的另一種實施方式可以由以下結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，中子源116和由閃爍劑材料制成的檢測電阻R0-R3檢測電阻的圖形結(jié)構(gòu)平行于移動方向。在這個實施方式中，其閃爍劑是對中子敏感的塑料，中子穿不透的材料是鉛或者是合適的對中子不敏感的合成樹脂。
雖然本發(fā)明是按照優(yōu)選實施方式來進行闡述的，但對于熟悉此技術(shù)的操作者可以在不脫離本發(fā)明實質(zhì)和范圍內(nèi)對其形式和細節(jié)進行調(diào)整。
權(quán)利要求
1.提供表示移動部件位置的輸出的位置傳感器，在移動部件上置有一個通量源，此編碼器由以下組成位于固定部件上并受通量場作用的檢測電阻陣列，每一電阻包括兩種類型材料，一種對通量場敏感，另一種對通量場不敏感，并且每一電阻上都分配有加權(quán)系數(shù)；提供代表無通量場作用下檢測電阻阻值的第一信號和表示通量場引起的檢測電阻附加阻抗的第二信號的參考電路；以及能夠檢測檢測電阻的阻值，并且能夠提供每一電阻的參考附加阻抗的分析器。參考附加阻抗是由以下決定的檢測到的阻抗減去第一信號，其差值除以第二信號值，再乘以合適的權(quán)重系數(shù)；將所有檢測電阻的參考附加阻抗相加用來提供位置傳感器的輸出。
2.權(quán)利要求1中的位置編碼器，其中通量場是磁場，敏感材料是磁致電阻性的。
3.權(quán)利要求1中的位置編碼器，其中通量場是光場，敏感材料是半導體材料。
4.權(quán)利要求1中的位置編碼器，其中通量場是β輻射場，敏感材料是半導體。
5.權(quán)利要求1中的位置編碼器，其中通量場是中子輻射揚，敏感材料是對中子敏感的合成樹脂。
6.權(quán)利要求1中的位置傳感器，其中檢測電阻上的材料構(gòu)成一圖案，并且從整體上看，該圖案表示二進制圖案。
7.權(quán)利要求6中的位置編碼器，其中在相鄰圖案之間有間距，此間距在檢測電阻上是一致的。
8.權(quán)利要求6中的位置傳感器，其中在相鄰圖案之間存在間距，此間距在檢測電阻上是不一致的。
9.權(quán)利要求6中的位置傳感器，其中相鄰圖案之間的間距是對數(shù)關系。
10.權(quán)利要求1中的位置傳感器，其中移動部件是閥門上的旋轉(zhuǎn)部件。
11.權(quán)利要求1中的位置傳感器，其中移動部件是閥桿。
12.用于傳送代表控制閥門位置信號的位置傳送器，控制閥門有閥門部件，它的移動決定閥門打開的程度，該傳送器包括接口電路，它通過兩線回路接收電流并且提供代表電流大小的所需閥門位置信號；電路系統(tǒng)和氣動裝置，用于給閥門提供經(jīng)調(diào)整的氣壓輸出，此輸出是關于所需閥門位置信號值與檢測出的絕對位置值之間差值的函數(shù)；置于閥桿上的通量場源；置于閥門固定部分處并受通量場影響的一組檢測電阻，每一電阻包括兩種類型材料，一種是對通量場敏感的材料，一種是對通量場不敏感的材料，每一電阻上分配有唯一的加權(quán)系數(shù)；參考電路，用于提供代表無通量場作用下檢測電阻阻值的第一信號和代表通量場作用引起的檢測電阻附加阻值的第二信號；以及用于檢測檢測電阻的阻值并且提供每一電阻參考附加阻抗的電路系統(tǒng)，參考附加阻抗由以下決定檢測到的阻抗減去第一信號值，其差值除以第二信號，其比值再乘以適當?shù)募訖?quán)系數(shù)，將所有檢測電阻參考附加阻抗的值相加用來提供閥門的絕對位置。
13.權(quán)利要求12中的傳送器，其中檢測電阻上的材料形成一圖案，其圖案從總體上看，代表二進制圖案。
14.權(quán)利要求13中的傳送器，其中在相鄰圖案之間存在間距，其間距在所有檢測電阻上均一致。
15.權(quán)利要求13中的傳送器，其中在相鄰圖案之間存在有間距，其間距在這些檢測電阻上是不一致的。
16.權(quán)利要求13中的傳送器，其中在檢測電阻上的相鄰圖案之間的間距是對數(shù)關系。
全文摘要
安裝在閥門移動桿(12)或旋轉(zhuǎn)部件上的磁場(16)在閥門的固定部件(14)上產(chǎn)生磁通量，固定部件上有一組具有唯一圖案的磁阻性檢測電阻(R
文檔編號F16K37/00GK1147300SQ95192790
公開日1997年4月9日 申請日期1995年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1994年4月28日
發(fā)明者弗雷德·C·西特勒, 凱思林·M·霍華德 申請人:羅斯蒙德公司