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电子卡尺的工作原理

2024-02-06 16:27:00 satanistik 阅读:
很多人都使用过(电子)游标卡尺,我所依据的美国专利是1986年的。波兰YouTube上的博主RS elektronika已经讨论过这个话题,但在我看来,那里并没有讲完所有的内容,甚至可以说这只是故事的一半。

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我今天要讨论的设备,很多人都使用过,我所依据的美国专利是1986年的,这并不奇怪。波兰YouTube上的博主RS elektronika已经讨论过这个话题,但在我看来,那里并没有讲完所有的内容,甚至可以说这只是故事的一半。58nednc

我们正在考虑的测量仪器示例基于增量式线性编码器,其元件是带有蚀刻路径图案的PCB板。这对于降低价格至关重要,因为基于磁条的线性编码器仍需花费数千兹罗提(注:今日汇率,1波兰兹罗提=1.77700人民币),而我们只需花十几或几十兹罗提就能买到这样的设备。关键在于PCB板制造工艺的可重复性和易用性。58nednc

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这张图显示了固定部分的路径分布,我用绿色和黄色标记了发射信号的天线,信号通过电容耦合到达红色标记的接收天线。58nednc

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电容耦合由放置在滑块中的铜条提供。发射天线(由交流电供电的电容器板)的布置方式是,当在一个区域X中,铜条正好位于电极0或180°(由反相波形供电)的上方时,在另一个区域中,铜条正好位于电极0和180°之间。在这种情况下,第一个天线的电压最大,而第二个天线的电压最小,这是因为两个电极的电压相抵消了。58nednc

因此,可以说,我们得到的电信号偏移了90°——类似于编码器的A和B信号。这就是它们在粗略计数器中的处理方式。该计数器的任务是对两个方向的脉冲进行计数,并对快速变化(如测量过程中的移动)做出响应。58nednc

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这里展示了信号如何在发射器和接收器之间传递。58nednc

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在这里,我用橙色标记了负​​责对全脉冲进行快速计数的路径,信号首先进入比较器,然后进入以1/2载波频率计时的D型触发器,这是为了滤除“载波”,使电路不对发生器引起的变化进行计数,而是计算信号通过电容所必需的变化。58nednc

然而,在这里我们遇到一个限制——计算信号的每个边缘,我们的分辨率不会超过每毫米铜条数的4倍。这比我们的电子卡尺所显示的要小几个数量级。58nednc

然而,正如我们所看到的,在最大信号和最小信号之间,我们实际上有无限多的中间电平,而这正是提高精度的空间所在。以给定的分辨率测量信号振幅,计算出精确位置,再与粗略位置相加,即可得到结果。我们不必着急,因为在粗略计数器计数之间的范围内,我们的编码器是绝对的,因此不必担心测量速度太慢而丢失位置。58nednc

在这个电路中,我们使用的可以说是一个手工制作的传感器——在输入端有一个多路复用器,用于选择测量X还是Y信号,然后采样和存储电路将信号送至积分电路,并严格规定时间,这段时间由计数器测量,然后计数器作为结果计数器工作。58nednc

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我用黄色标记了电容器充电阶段的固定时间,用蓝色标记了带有参考信号的放电阶段,其中的时间决定了结果。58nednc

经过一定时间后,馈送到发射天线的信号会发生变化——它的形状是为了在接收天线上获得最大信号电平,这并不取决于位置,而只与当前的电容耦合有关。58nednc

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在这里,我们可以看到0和180°信号在测量阶段是如何变化的。58nednc

这使得测量路径中的一些瑕疵得以及时修正。58nednc

存储电荷的放电时间和计数器中的脉冲数比例是我们的测量结果。现在,这两个结果都与一次计数的SIN和COS成比例,我们就可以计算出角度本身,假设从一个完整计数到下一个完整计数的移动是360°,那么即使是简单的微控制器也可以进行计算。58nednc

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如果有人对更多细节感兴趣,请阅读以下原始专利说明。58nednc

US4586260.pdf下载(1.66MB58nednc

(原文刊登于EDN姊妹网站elektroda.pl,参考链接:Jak działa suwmiarka elektroniczna,由Franklin Zhao编译。)58nednc

责编:Franklin
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