一種電流測距裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種電流測距裝置，主要包括：信號產(chǎn)生部分、測量兩路信號相位差部分、處理電路部分以及測量信號裝置中的金屬條和滑動讀頭。其中信號產(chǎn)生部分包括產(chǎn)生主振信號的晶振電路和產(chǎn)生本振信號的鎖相環(huán)電路。信號測量裝置包括信號發(fā)送和接收端、兩條相互平行的金屬條以及一個(gè)用于耦合信號的可滑動讀頭，其中一條金屬條與信號發(fā)送端連接，另一條金屬條與信號接收端連接，金屬媒介用于傳導(dǎo)和回饋信號。信號產(chǎn)生部分的主振信號和鎖相環(huán)電路的本振信號連接到混頻電路。上述電流測距裝置克服了電磁波信號不能在金屬導(dǎo)線上傳輸來測量距離的問題。
【專利說明】
一種電流測距裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實(shí)用新型涉及一種電流測距裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，測量距離的儀器通常是根據(jù)光學(xué)、聲學(xué)和電磁波學(xué)原理設(shè)計(jì)的，而測量距離 一般采用的方式有兩種:脈沖法和相位法。
[0003] 中國專利CN201510574023.8提出了一種激光短距離測距方法，該方法的具體過程 為:步驟一，在激光發(fā)射端上固定光導(dǎo)纖維，且光導(dǎo)纖維呈螺旋纏繞式;步驟二，利用帶有光 導(dǎo)纖維的激光發(fā)射端對待測物體進(jìn)行激光測距，獲得激光的傳播路徑的長度L 2，步驟三，將 激光的傳播路徑的長度1^2減去光導(dǎo)纖維的長度U，獲得激光發(fā)射端與待測物體之間的距離 Ltrue，完成激光的短距離測距。然而，由于光的傳播速度太快，激光的傳播長度LjPL2不容易 測量，導(dǎo)致測量誤差大。
[0004] 中國專利CN201210009206.1專利提出了一種微波測距技術(shù)，這是一種基于載波調(diào) 制原理的多測尺微波相位測距方法。在被測點(diǎn)處放置微波無源反射器，在測量點(diǎn)處放置微 波測距儀。測距信號源先產(chǎn)生主頻測距信號經(jīng)混頻、功放后由發(fā)射天線發(fā)射，反射器將入射 到它的微波信號按原路反射回，接收天線接收微波信號，經(jīng)過低噪放、帶通濾波、混頻后，鑒 相器測出反射和發(fā)射信號相位差A(yù) O 1;該相位差與所測距離成比例，因而可得距離。該測 距范圍受主頻信號波長限制，雖增大波長可擴(kuò)大測距范圍，但測距精度會降低。為了保證精 度并擴(kuò)大測距范圍，信號源再產(chǎn)生輔頻測距信號測距，得到相位差A(yù) 02,再據(jù)A 〇1和A O 2求出所測距離。這種方法需把信號進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，增加了電路的復(fù)雜性，容易產(chǎn)生各種 干擾。再者，該方法需要在被測點(diǎn)處放置微波無源反射器，不便于測量的方便性。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型為了解決上述問題而提供的一種電流測距裝置，所述電流測距裝置包 括：電流信號產(chǎn)生部分、信號測量裝置、混頻與鑒相電路部分以及處理電路部分，所述電流 信號產(chǎn)生部分包括產(chǎn)生主振信號的晶振電路和產(chǎn)生本振信號的鎖相環(huán)電路，所述信號測量 裝置包括信號發(fā)送端和信號接收端、兩條相互平行的金屬條以及一個(gè)在所述金屬條上用于 耦合信號的可滑動讀頭，其中一條所述金屬條與所述信號發(fā)送端連接，另一條所述金屬條 與所述信號接收端連接，所述混頻與鑒相部分包括混頻電路和鑒相電路，所述電流信號產(chǎn) 生部分的晶振電路、鎖相環(huán)電路以及所述信號測量裝置的信號接收端連接到所述混頻電 路，所述鑒相電路連接到處理電路部分。
[0006] 優(yōu)選地，所述滑動讀頭上具有由金屬層與金屬條帶形成電容器。
[0007] 優(yōu)選地，所述電流測距裝置外加溫度補(bǔ)償電路或使用溫補(bǔ)晶振(TCX0)。
[0008] 本實(shí)用新型的有益效果在于:在導(dǎo)電率良好的導(dǎo)線中，電流的傳播速度可以接近 于電磁波。而其衰減程度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波。采用電流傳播法測量，克服了電磁波信號不能 在金屬導(dǎo)線上傳輸來測量距離的問題。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本實(shí)用新型電流測距裝置測量距離的原理圖；
[0010] 圖2為本實(shí)用新型信號產(chǎn)生部分的數(shù)學(xué)模型；
[0011] 圖3為本實(shí)用新型壓控振蕩器鎖相環(huán)工作原理的壓控特性；
[0012] 圖4為本實(shí)用新型信號測量裝置的示意圖；
[0013] 圖5為本實(shí)用新型電流測距裝置的工作流程圖；
[0014]圖6為本實(shí)用新型鑒相電路的不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步闡述：
[0016] 本實(shí)用新型的電流測距裝置采用電流信號沿金屬媒介傳播測距的技術(shù)。如圖1所 示，要測量的距離
，其中V為電流傳播的速度，t2L為電流在金屬媒介上傳播的時(shí)間。 由=
，其中，f為電流信號的頻率，N為電流信號周期的個(gè)數(shù)，:供 為相位差。因此
，其中A為電流信號的波長。本論述方案采用單一頻率源，這 時(shí)測量距離具有多值性，即這里N是無法確定的，故測量距離限制在的范圍內(nèi)，即當(dāng)N = 0
時(shí)，測量的距離
&也就是說，在電流信號的波長已知的情況下，只需要測量出電流 信號在金屬媒介傳播的過程中產(chǎn)生的相位差就可以得出該距離。在原理論述部分，電流信 號采用單一頻率源。由相位法知測尺長度為
，如下表所示。當(dāng)測距信號頻率越高，測 尺長度越短，精度越高。測距信號頻率減小時(shí)，測尺長度增加，精度相應(yīng)減小。所以當(dāng)測量的 距離大于決定精度的基本測尺長度時(shí)，可再選用一個(gè)或多個(gè)輔助測尺(粗測尺）。最后再把 各個(gè)測尺的測量值組合起來即可。如要測量的距離為1254.45m時(shí)，可選用3把測尺，其中= 1500m，= 15m，= 1.5m，用它們分別進(jìn)行測量，可測得1254m，可測得4.4m，可測得0.45m。將三 者組合起來便得到準(zhǔn)確的測量值1254.45m。
[0019]本實(shí)用新型的電流測距裝置包括：電流信號產(chǎn)生部分、信號測量裝置、混頻與鑒相 電路部分以及處理電路部分。其中電流信號產(chǎn)生部分包括產(chǎn)生主振信號的晶振電路和產(chǎn)生 本振信號的鎖相環(huán)電路。信號測量裝置包括信號發(fā)送端和信號接收端、兩條相互平行的金 屬條以及一個(gè)在上述金屬條上用于耦合信號的可滑動讀頭，讀頭的位置未知，其中一條金 屬條與信號發(fā)送端連接，另一條金屬條與信號接收端連接，金屬媒介用于傳導(dǎo)和回饋信號。 混頻與鑒相電路部分包括混頻電路和鑒相電路，信號產(chǎn)生部分的主振信號和鎖相環(huán)電路的 本振信號連接到混頻電路。1，鎖相環(huán)電路的本振信號和測量裝置中金屬條回饋的信號連接 到混頻電路。2,在濾除兩個(gè)混頻電路輸出端的高頻成分后，把低頻信號分別連接到鑒相電 路的兩個(gè)輸入端。經(jīng)鑒相電路后，信號輸入到后續(xù)信號處理電路。電信號在測距裝置金屬條 中傳輸過程中會產(chǎn)生相位差，傳輸?shù)木嚯x越長產(chǎn)生的相位差越大，即該相位差與所測距離 呈正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)相位差和距離的關(guān)系，處理電路把測量到的相位差轉(zhuǎn)換成讀頭的距離， 并把該距離在顯示屏中顯示出來。
[0020]更具體的，如圖2所示，電流信號產(chǎn)生部分包括晶振電路，電壓比較電路和鎖相環(huán) 電路，電壓比較電路分別與晶振電路和鎖相環(huán)電路連接。電流信號產(chǎn)生部分產(chǎn)生兩路信號： 主振信號和本振信號。主振信號由高穩(wěn)定的晶振電路產(chǎn)生，它為整個(gè)電路系統(tǒng)提供時(shí)鐘信 號。晶振電路輸出主振信號至電壓比較電路，電壓比較電路將主振信號變化成標(biāo)準(zhǔn)方波后 分為三路:一路直接輸入到測距裝置的發(fā)送端，作為測量信號;一路輸入混頻與鑒相部分的 混頻電路；另一路輸入到鎖相環(huán)電路，作為鎖相環(huán)電路基準(zhǔn)信號輸入，并產(chǎn)生本振信號輸 出。本實(shí)用新型信號源的產(chǎn)生采用高穩(wěn)定度晶振，可直接作為測距信號，省去了信號的調(diào)制 和解調(diào)等過程，克服了調(diào)制信號比較微弱而且容易受外界噪聲干擾的問題。
[0021 ] 鎖相環(huán)電路由分頻器，鑒相器ro，環(huán)路低通濾波器LPF和壓控振蕩器VC0組成。利用 鎖相環(huán)電路，能夠鎖定和主振信號有一個(gè)差頻的本振信號，這樣本振信號和主振信號就具 有相同的穩(wěn)定度和頻率的溫度漂移特性，使得差頻具有很好的穩(wěn)定性，提高了測量的精度。 [0022]鎖相環(huán)用作頻率綜合器時(shí)需要使用到分頻器，這里為了敘述方便，下面將忽略分 頻器的作用。鎖相環(huán)中的鑒相器PD是相位比較器，用來比較輸入信號和壓控振蕩器的輸出 信號的相位，并把兩者的相位差信號轉(zhuǎn)化為電壓信號U d輸入到后級。鑒相器通常用模擬乘 法器來完成，外界的輸入信號的電壓為1^(0=^ sintoMt+edt)]，壓控振蕩器的輸出信 號的電壓為uQ(t)=UQSin[c0()t+0()(t)]，鑒相器(模擬乘法器)輸出的信號電壓如下：
[0024]低通濾波器LPF把鑒相器出來的高頻信號過濾掉（即把上面的和頻信號過濾掉）， 剩下的差頻分量作為壓控振蕩器VC0的輸入控制電壓U。，輸入控制電壓U。的表達(dá)式如下：
[0026]上述表達(dá)式中，《i和分別為輸入信號和輸出信號的瞬時(shí)振蕩角頻率，0i(t)和 9〇(t)分別為輸入信號和輸出信號的瞬時(shí)相位。根據(jù)相量的關(guān)系可得瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位 的關(guān)系為
，即 9(t) = Jw (t )dt+9d〇，故瞬時(shí)相位差為9<j = ( 〇 i_ 〇 〇) t+9i( t )-9〇 (t)，對兩邊求微分，可得頻差的關(guān)系式為
當(dāng)上述關(guān)系式 等于零時(shí)，說明鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定的狀態(tài)，此時(shí)輸出和輸入信號的頻率和相位保持恒定 不變的狀態(tài)，輸入信號電壓Uc(t)為恒定值。如圖3所示，壓控振蕩器的壓控特性的表達(dá)式為 w u(t) = 〇 Q+KQUc(t)，即壓控振蕩器的振蕩頻率〇 U以輸出信號的瞬時(shí)振蕩角頻率〇 Q為中 心，隨輸入信號電壓Uc(t)的變化而變化。鎖相環(huán)進(jìn)入"頻率牽引"，自動跟蹤捕捉輸入信號 的頻率，使鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定的狀態(tài)，并保持《 〇= ? i的狀態(tài)不變。
[0027]信號測距裝置的測距信號來自于信號產(chǎn)生部分的主振信號。具體地，信號測量部 分包括兩條相互平行的金屬條以及一個(gè)用于耦合信號的讀頭，該讀頭位置未知，可相對滑 動，是編碼器的滑動讀頭，所述滑動讀頭上的金屬層與金屬條帶形成電容器，耦合發(fā)射信號 回主電路，通過測量與長度相關(guān)的相位差得出讀頭距離參考點(diǎn)的位置。通過電容器的耦合 作用把兩條金屬條"相連"起來。一條金屬條接信號產(chǎn)生部分的主振信號，另一條金屬條把 測距信號反饋給測距裝置的接收端。兩條金屬條為增量式線性編碼器上的導(dǎo)電條，其既作 為電流信號的傳輸介質(zhì)，亦作為電流信號的測尺，利用電容耦合產(chǎn)生回波信號。
[0028] 在編碼器上直接測量兩點(diǎn)的距離并不方便，而且當(dāng)編碼器高速運(yùn)動時(shí)，容易出現(xiàn) 誤差。常用的電磁波信號不易在固體金屬中傳輸，而金屬是電流的良好導(dǎo)體。金屬條作為電 流測量的傳播介質(zhì)和測尺，可以巧妙地把距離的測量轉(zhuǎn)為電流信號的相位差測量。
[0029] 電流信號在金屬媒介傳輸過程中相位會產(chǎn)生變化，并且相位差的大小和測距長短 成正相關(guān)關(guān)系，設(shè)信號產(chǎn)生部分的主振信號為+ ,設(shè)經(jīng)過2L距離后返回到接 收電路部分的信號為心^^^^誠+外-歷心八如前所述^則距裝置的發(fā)送端和接收端的信 號相位差為碼￡ =2#2i，通過求得該相位差便可計(jì)算出滑動讀頭相對于起始位置的 距離。
[0030] 混頻部分包括前置放大電路，濾波電路，混頻電路以及帶通濾波器。前置放大電路把 接收到的信號放大后，經(jīng)過濾波電路取出所需要的信號。如圖5所示，濾波電路選頻后所得到 的信號為《,=心〇8(?/ +例|-?/2/)，同時(shí)設(shè)經(jīng)鎖相環(huán)鎖相后的本振信號為1=<7〇)8(￡^ +奶）， 把本振信號U。和濾波電路選頻后所得到的信號Ur進(jìn)行混頻，得到的信號如下：
[0032]用的帶通濾波器把上式的第一項(xiàng)高頻信號濾除，即可得到低頻測距信號：
[0033]另外將主振信號和本振信號進(jìn)行混頻，得到的信號如下：
[0035]同理，用帶通濾波器把上式的第一項(xiàng)高頻信號濾除，即可得到低頻參考信號：
。低頻測距信號^'：和低頻參考信號u'2的相位差為 = 2#2i = Ap，也就是說，把高頻信號濾除后，相位差不變，但測量的頻率降低了
倍，亦即周期增大了 N倍，這為后面的鑒相降低了難度，從另外一個(gè)角度說測量精 度相應(yīng)地提高了 N倍。
[0036] 鑒相電路中包括雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，時(shí)標(biāo)脈沖發(fā)射器，與門和計(jì)數(shù)器。與門分別與雙穩(wěn) 態(tài)觸發(fā)器，時(shí)標(biāo)脈沖發(fā)射器和計(jì)數(shù)器連接。鑒相電路接收混頻電路出來的兩路信號，采用數(shù) 字鑒相方法，將這兩路信號加入到雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行鑒相。如圖6所示，參考信號e r和測距 信號em分別接到觸發(fā)器的S端和R端。參考信號er下降沿使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器置位，Q輸出高電平， 相當(dāng)于e r方波的下降作為與門的"開門"信號。經(jīng)過相對于相位差A(yù)於的時(shí)間段后，測距信號 ^開始進(jìn)入R端，它的下降沿使觸發(fā)器復(fù)位，亦即Q端輸出低電平。相當(dāng)于^方波的下降作為 與門的"關(guān)門"信號。因此由與門輸出端所得到的脈沖寬度（即觸發(fā)器的置位時(shí)間)對應(yīng)著兩 電流信號的相位差。_在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器置位期間，與門打開，時(shí)標(biāo)脈沖發(fā)射器的時(shí)標(biāo)脈沖 Cp可以通過與門進(jìn)入計(jì)數(shù)器，當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器復(fù)位時(shí)，與門關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。所以計(jì)數(shù)器所 累積的脈沖個(gè)數(shù)就是參考信號和測距信號的相位差。
[0037]處理電路部分包括計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換器和顯示器，計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換器把計(jì)數(shù)器得到的脈沖數(shù)值轉(zhuǎn) 化為測量距離，并通過顯示器顯示出來。
[0038] 若令計(jì)數(shù)器單次鑒相所得的脈沖個(gè)數(shù)為n，則有
，其中，fcP為時(shí)標(biāo) 脈沖Cp的頻率，fr為參考信號er的頻率，ts為觸發(fā)器置位的時(shí)間。為提高鑒相精度，可采用多 周期同步鑒相法，再取平均值。
[0039] 在導(dǎo)電率良好的導(dǎo)線中，電流的傳播速度可以接近于電磁波。而其衰減程度卻遠(yuǎn) 遠(yuǎn)小于電磁波。所以用電流注入到傳輸導(dǎo)線中，是可以接收到其反饋信號的，亦即是可以通 過測量信號的相位差來間接測量讀頭的絕對位移。采用電流傳播法測量，克服了電磁波信 號不能在金屬導(dǎo)線上傳輸來測量距離的問題。
[0040] 結(jié)合上述過程可得，本實(shí)用新型的電流測距裝置采用的電流測距方法包括：
[0041] 步驟一、利用信號產(chǎn)生部分產(chǎn)生本主振信號和本振信號；
[0042] 步驟二、把主振信號分別傳輸至混頻與鑒相部分的混頻器以及信號測距裝置部分 的發(fā)送端;把測距裝置上滑動讀頭回饋給接收端的信號接到另一混頻器；
[0043]步驟三、把本振信號分別接到上述兩個(gè)混頻器的輸入端。
[0044] 步驟四、混頻電路部分將本振信號與主振信號進(jìn)行混頻得到參考信號，將本振信 號與金屬條上讀頭回饋的傳播的信號進(jìn)行混頻得到測量信號；
[0045] 步驟五、在混頻電路之后把參考信號和測量信號的高頻部分濾除。
[0046] 步驟六、利用鑒相電路算出參考信號和測量信號的相位差，根據(jù)相位差和距離的 關(guān)系把測量到的相位差轉(zhuǎn)換成要測量讀頭的距離。
[0047] 步驟七、當(dāng)要測量的距離比較大時(shí)，用多把測尺來測量。不同的頻率源組成測量不 同距離的測尺，每把測尺重復(fù)步驟一到步驟七的測量過程，最后把各個(gè)測尺測到的數(shù)據(jù)組 合起來，得到最終的距離值。
[0048] 作為一種優(yōu)選的方案，在步驟六中利用時(shí)標(biāo)脈沖把相位差轉(zhuǎn)化為計(jì)數(shù)脈沖，根據(jù) 計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)算出參考信號和測量信號的相位差。
[0049]本實(shí)用新型的電流測距裝置利用電流傳播法來測量距離是基于相位法測距來提 出的。電流在傳播過程中會產(chǎn)生相位的偏移，傳播的距離越長，相位的偏移也就越大。把測 距裝置的發(fā)送信號和接收信號進(jìn)行混頻，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻信號后，通過測量發(fā)送 信號和接收信號兩者之間的相位差就能夠知道要測量距離的長度。這樣便可以把測量距離 的長度轉(zhuǎn)換成測量電流信號的相位。而用電流傳播相位差的方法，能夠把兩路高頻信號的 相位差搬移到兩路低頻信號上來。差頻前后，得到的低頻信號的相位差和直接測量高頻信 號的相位差是一樣的。但是測量頻率大大降低了，也就是說測量周期變長了，相應(yīng)地測量精 度大大地提高了。
[0050]以上所述實(shí)施例，只是本實(shí)用新型的較佳實(shí)例，并非來限制本實(shí)用新型的實(shí)施范 圍，故凡依本實(shí)用新型申請專利范圍所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效變化或修飾，均應(yīng) 包括于本實(shí)用新型專利申請范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電流測距裝置，其特征在于，所述電流測距裝置包括：電流信號產(chǎn)生部分、信號 測量裝置、混頻與鑒相電路部分以及處理電路部分，所述電流信號產(chǎn)生部分包括產(chǎn)生主振 信號的晶振電路和產(chǎn)生本振信號的鎖相環(huán)電路，所述信號測量裝置包括信號發(fā)送端和信號 接收端、兩條相互平行的金屬條以及一個(gè)在所述金屬條上用于耦合信號的可滑動讀頭，其 中一條所述金屬條與所述信號發(fā)送端連接，另一條所述金屬條與所述信號接收端連接，所 述混頻與鑒相部分包括混頻電路和鑒相電路，所述電流信號產(chǎn)生部分的晶振電路、鎖相環(huán) 電路以及所述信號測量裝置的信號接收端連接到所述混頻電路，所述鑒相電路連接到處理 電路部分。2. 如權(quán)利要求1所述的電流測距裝置，其特征在于，所述滑動讀頭上具有由金屬層與金 屬條帶形成電容器。3. 如權(quán)利要求1所述的電流測距裝置，其特征在于，所述電流測距裝置外加溫度補(bǔ)償電 路或使用溫補(bǔ)晶振(TCXO)。
【文檔編號】G01B7/02GK205561748SQ201620308537
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】楊藝榕, 杜昭輝, 羅日輝, 戚木升
【申請人】廣東盈動高科自動化有限公司