本發明屬于電容編碼器技術領域，尤其是涉及一種提高電容編碼器測量密度的方法及電容編碼器。

背景技術：

在運動檢測領域，大眾所熟知的傳感器為編碼器，分為線性編碼器和旋轉編碼器，其中使用廣泛的為旋轉編碼器，因為旋轉運動通?？梢酝ㄟ^電機旋轉加傳送帶的方式轉變為線性運動。旋轉編碼器包括3種類型：光電編碼器，磁電編碼器，電容編碼器。相比光電式編碼器，電容式編碼器更耐用，且造價低，能夠忍受惡劣的環境，比如沖擊，振動，粉塵等；相比磁電式編碼器，電容編碼器可以提供更高的精度，更低的造價，且非常適合需要中空軸而不是實心軸的應用。線性編碼器多為電容編碼器，很少使用光電編碼器和磁電編碼器。

電容式編碼器是通過檢測運動部分相對固定部分運動過程中引發的電容的容值變化，從而得到兩者的相對位置信息。應用時，將運動部分固定在待測物體的運動部件上，即可隨時測量待測物體的運動參數。為了測量容值隨運動變化的可變電容在各個時刻點的電容值，必須使用一個交流信號作為激勵，這個交流信號就是載波，載波通過變化的電容后，會被電容所調制，從而得到調制波，調制波中同時含有載波信息和電容值信息。為了得到電容容值信息，必須對調制波進行解調。所以，電容編碼器至少需要包含3部分，載波發生電路，容值隨運動變化的可變電容，解調電路。現有的電容編碼器的測量密度存在不穩定的問題，有時測量密度可能會降到非常低，以至于在規定的時間段內，提供不了足夠的測量信息。

技術實現要素：

本發明的原理：對于使用相位調制原理的電容編碼器，其測量密度會受到多普勒效應的影響；其載波可以使用表達式sinωt來表示，其中ω表示角頻率，t表示時間，對于多個不同相位的載波，可以將其中一路信號的相位視為載波的相位，也可以使用表達式sinωt來表示，電容編碼器的動子的位置用θ表示，經過相位調制后，調制波可以用表達式sin(ωt+θ)來表示，解調電路恢復出θ，即可得到動子的位置。

當動子在持續運動時，θ是一個和時間t相關的函數，為了簡單起見，假設動子為勻速運動，速度為v，那么動子的位置θ可以表示為θ＝vt，將其代入調制公式可以得到調制波的表達式為sin((ω+v)t)，由此可見，當v>0時，調制波的頻率要高于載波的頻率，而當v<0時，調制波的頻率要低于載波的頻率，動子的運動方向決定了調制波的頻率是提高還是降低，這個效應便是多普勒效應在電容編碼器上面的體現。

解調電路對比調制波和載波便可以得到動子的位置信息θ，解調電路可以在調制波的任意相位處進行對比，通常選擇0相位處或180度相位處，如果調制波的頻率越高，解調電路得到的動子位置信息θ就會越多，電容編碼器的測量密度也就提高了，而反過來，如果調制波的頻率越低，解調電路得到的動子位置信息θ就會越少，電容編碼器的測量密度也就降低了。多普勒效應會導致電容編碼器在測量不同方向的運動時，測量密度存在差別，而且更糟糕的是，當動子朝某個方向運動的速度非?？鞎r，測量密度可能會降到非常低，以至于在規定的時間段內，提供不了足夠的測量信息。

由于載波在電極上的排列是按照一定的順序的，電極的排列順序是固定的，因此總是會出現動子朝一個方向運動時導致調制波藍移，而朝另一個方向運動時導致調制波紅移。當調制波藍移時，多普勒效應會使得電容編碼器測量密度提高，當調制波紅移時，多普勒效應會使得電容編碼器測量密度降低。

本發明創造的核心思想是：使用相位順序可變的多相載波產生電路來產生多相載波，同時使用一個運動方向檢測電路對電容編碼器的動子運動方向進行檢測，當檢測到動子的運動方向會使得調制波發生紅移時，改變載波產生電路輸出載波的相位順序，使動子的的運動方向會使得調制波發生藍移，提高了調制波的頻率，從而提升了電容編碼器的測量密度。

有鑒于此，本發明旨在提出一種提高電容編碼器測量密度的方法，消除了多普勒效應導致電容編碼器動子朝某一個方向運動時調制波紅移而導致測量密度降低的問題，同時提高電容編碼器測量密度。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種提高電容編碼器測量密度的方法，包括如下內容：通過檢測電容編碼器動子的運動方向，產生一個與運動方向相關的控制信號；

通過所述控制信號控制電容編碼器輸入端連接的多個相位不同的載波信號的輸出相位排列順序，使動子的運動方向總是使電容編碼器的調制波發生藍移；

其中，所述電容編碼器為使用相位調制原理的電容編碼器，所述電容編碼器的容值會隨著動子的運動而變化，從而得到了相位隨動子位置變化而變化的調制波，當動子在持續運動時，調制波的頻率也會被調制。

進一步的，檢測電容編碼器動子的運動方向的方法為，比較前一個時刻輸出的動子位置信息和當前時刻輸出的動子位置信息，即可得到動子的運動方向。

進一步的，檢測電容編碼器動子的運動方向的方法為，檢測調制波的周期，比較調制波的周期和載波周期的大小，即可得到動子的運動方向。

相對于現有技術，本發明所述的方法具有以下優勢：

(1)通過控制輸入的多路載波的相位順序，使得電容編碼器的動子無論朝哪個方向運動，都會使得調制波發生藍移，從而提高調制波的頻率，提升了電容編碼器的測量密度；

(2)使用本發明的技術后，當電容編碼器的動子運動速度快時，電容編碼器的測量密度比動子運動慢時要高，等同于提高了電容編碼器的測量精度。

本發明的另一目的在于提出一種電容編碼器，消除多普勒效應導致電容編碼器動子朝某一個方向運動時調制波紅移而導致測量密度降低的問題，同時提高電容編碼器測量密度。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種電容編碼器，包括：

多相載波產生電路，包含至少一個輸入端口和多個輸出端口，所述多個輸出端口各自輸出相位不同的載波信號，當輸入端口接收到的信號發生改變時，多個輸出端口所輸出的載波信號的相位發生改變；

多個可變電容，每個可變電阻的輸入端分別連接多相載波產生電路輸出的一路載波信號；

解調電路，其輸入端連接多個可變電容產生的調制波輸出，其輸出端輸出；

運動方向檢測電路，根據解調電路的輸出信號，判斷電容編碼器動子的運動方向，產生一個與運動方向相關的控制信號輸出到多相載波產生電路的輸入端口，控制多相載波產生電路的多個輸出端口輸出的載波信號的相位排列順序，使動子的運動方向總是使電容編碼器的調制波發生藍移。

進一步的，所述多相載波產生電路同時輸出4個相位差為90度的正弦波，根據運動方向檢測電路輸出的控制信號的不同，4個正弦波相位可以呈現遞增或遞減的排列順序。

進一步的，所述多相載波產生電路同時輸出2個相位差為90度的正弦波，根據運動方向檢測電路輸出的控制信號的不同，2個正弦波相位可以呈現遞增或遞減的排列順序。

進一步的，所述多相載波產生電路內包含多個轉換開關，控制信號通過控制轉換開關改變多個輸出端口輸出的載波信號的相位排列順序。

進一步的，所述運動方向檢測電路的輸入為位置信息，輸出為動子運動的方向信息，所述運動方向檢測電路的內部包含位置信息比較電路。

相對于現有技術，本發明所述的電容編碼器具有以下優勢：

(1)通過調整多相載波產生電路輸出的載波的相位順序，使得電容編碼器的動子無論朝哪個方向運動，都會使得調制波發生藍移，從而提高調制波的頻率，提升了電容編碼器的測量密度；

(2)使用本發明的技術后，當電容編碼器的動子運動速度快時，電容編碼器的測量密度比動子運動慢時要高，等同于提高了電容編碼器的測量精度；

(3)本發明編碼器設計簡單，容易實現。

附圖說明

構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1為本發明實施例中電容編碼器的正面透視示意圖。

圖2為本發明實施例中電容編碼器的側面示意圖。

圖3為本發明實施例中發射極板的電學連接示意圖。

圖4為本發明實施例中接收極板的電學連接示意圖。

圖5為本發明實施例中動子的正面形狀示意圖。

圖6為本發明實施例中編碼器測量原理的電路示意圖。

圖7為本發明實施例中運動方向檢測電路的電路示意圖。

圖8為本發明實施例中多相載波產生電路的電路示意圖。

圖9為本發明實施例中多相載波在復平面坐標中的相位遞增時的示意圖。

圖10為本發明實施例中多相載波在復平面坐標中的相位遞減時的示意圖。

圖11為本發明實施例中各部分的連接的電路示意圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。

本發明一實施例，電容編碼器，包括多相載波產生電路20，4個可變電容，解調電路30，和運動方向檢測電路60；

所述可變電容包括定子和動子13，所述定子有2個，分別包含了電容的兩個極板，其中一個被定義為發射極板11，另一個被定義為接收極板12；所述動子13位于兩個極板之間，由介電常數不等于空氣的介電常數的材質構成，通常選用絕緣材料，介電常數遠大于空氣的介電常數；2個所述定子和1個動子13以同心的方式被組裝在一起，三者之間存在空氣縫隙，如圖1和圖2所示；所述接收電極板12為一個圓環，由導電材料制成，連接解調電路，如圖4所示。

所述發射極板11上包含了32個發射電極片，32個發射電極片圍繞發射極板11的圓周均勻分布，由導電材料制成；其中以4個發射電極片為一組，構成8組，各組之間相互連接在一起，最終形成4個電極，4個電極分別接收4路載波信號，4路載波信號來自于多相載波產生電路20，如圖3所示。

所述發射極板11和接收極板12上的電極共同構成了容值隨著編碼器機體運動而變化的可變電容，其電路表示為4個可變電容并聯，分別為第一可變電容41、第二可變電容42、第三可變電容43和第四可變電容44，當動子13轉動時，4個可變電容的極板中間的空氣和絕緣材料的比例會變化，相當于電容的介電常數變化，因此4個可變電容的容值都會變化，且可變電容的容值和轉子13所處的角度有一一映射的關系。

4個可變電容會對4路載波信號進行調制，且合成為1路調制波信號31；解調電路30對調制波信號31進行解調，得到位置信息51，如圖6所示。

本實施方式所述運動檢測電路60包含寄存器62，比較器63，比較器的其中一個輸入連接至到寄存器的輸出，此第一位置信號64為前一時刻的動子位置信息，另一個輸入連接至寄存器的輸入，此第二位置信號51為當前時刻的動子位置信息；通過比較前一個時刻輸出的動子位置信息和當前時刻輸出的動子位置信息，即可得到動子的運動方向，所述運動檢測電路的電路圖示意圖如圖7所示；對于旋轉運動編碼器，通常定義為順時鐘逆時鐘兩種方向，對于線性運動編碼器，通常定位為向前和向后兩種方向，根據得到的運動方向，運動檢測電路60輸出控制信號。

所述運動檢測電路60的另一種實施方式是檢測調制波的周期，比較調制波的周期和載波周期的大小，即可得到動子的運動方向。

所述運動檢測電路60檢測出動子13運動方向后，便可以知道當前的4路載波相位排列順序，檢測動子的運動方向會使得調制波31發生藍移還是紅移，如果是藍移，那么就使輸出信號61保持目前的電平，如果是紅移，則切換輸出信號61的電平，使動子的的運動方向會使得調制波發生藍移，從而提高調制波的頻率，提升了電容編碼器的測量密度。

所述多相載波產生電路20包含一個輸入端口25和4個輸出端口，分別為第一輸出端口26,第二輸出端口27,第三輸出端口28,第四輸出端口29；所述輸入端口25連接運動方向檢測電路60輸出端輸出的控制信號(電平信號)；多相載波產生電路的電路示意圖如圖8所示；

當輸入端口25接收到控制信號為高電平時，4個輸出端口依次輸出4路相位差為90度的4路正弦載波，分別為第一路正弦載波21,第二路正弦載波22,第三路正弦載波23,第四路正弦載波24，其載波的表達式依次為sinωt,sin(ωt+90),sin(ωt+180),sin(ωt+270)；4個輸出端口輸出的載波相位呈現遞增的排列順序，將其繪制在復平面坐標圖中，呈逆時鐘排列，如圖9所示；

當輸入端口25接收到的控制信號為低電平時，第二輸出端口27和第四輸出端口29的輸出的載波信號發生交換，分別輸出第四路正弦載波24和第二路正弦載波22，4個輸出端口輸出的載波的表達式依次為sinωt,sin(ωt+270),sin(ωt+180),sin(ωt+90)，4個輸出端口輸出的載波相位呈現遞減的排列順序，將其繪制在復平面坐標圖中，呈順時鐘排列，如圖10所示。

這些載波信號的相位順序可以根據輸入端口的信息進行調換，同時這些載波信號接到電容編碼器的可變電容上，可變電容的容值會隨著電容編碼器的動子的運動而變化，從而得到了相位隨動子位置變化而變化的調制波，當動子在持續運動時，調制波的頻率也會被調制。

本發明電容編碼器將運動檢測電路60的輸出信號61，連接到多相載波產生電路20的輸入端口25，如圖11所示，當方向檢測電路檢測到動子13的運動方向發生改變時，多相正弦波載波產生電路20改變多相載波的相位順序，使得電容編碼器動子13無論朝哪個方向運動，對調制波31的影響總是藍移，因為解調電路在每個調制波周期的檢測次數是一定的，當調制波31發生藍移后，調制波31的頻率提高了，解調電路30在相同的時間內有更多的檢測點，可以更頻繁的輸出位置信息，從而提高了電容編碼器的測量密度。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。