專利名稱：絕對位置測量容柵位移測量方法、傳感器及其運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電容式位移測量技術(shù)，具體是一種絕對位置測量容柵位移測量方法、 傳感器及其運(yùn)行方法。
背景技術(shù)：
容柵位移傳感器以其低成本、小體積、微功耗等特點(diǎn)在線性/角度位移測量領(lǐng)域 獲得了廣泛的應(yīng)用。從實(shí)現(xiàn)原理上分，目前的容柵位移傳感器可分為相對位置測量(增 量式)和絕對位置測量(絕對式)兩大類。增量式容柵位移傳感器的應(yīng)用已約三十年，該 類傳感器需快速累加位移量，故存在測量速度限制(小于1. 5m/S@150KHz)和連續(xù)不間斷 測量(從而限制了工作電流的進(jìn)一步降低)兩個(gè)缺點(diǎn)，正被逐步淘汰。絕對式容柵位移 傳感器由日本三豐公司首創(chuàng)，其實(shí)現(xiàn)方法詳見專利CN89106051、US5053715、CN92101246、 CN93117701。該類傳感器采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的碼道(波長)進(jìn)行絕對定位，消除了對位 移量的快速累加要求，工作在間歇測量狀態(tài)(約8次/秒)，從而克服了增量式測量的主要 缺陷。但現(xiàn)有的絕對式容柵位移傳感器存在以下不足1、傳感器驅(qū)動(dòng)信號為靜態(tài)的(與時(shí)間無關(guān))空間分布波形，解調(diào)后的接收信號與 時(shí)間無關(guān)(直流信號)，不能通過信號處理技術(shù)削弱諧波影響；2、為減小諧波分量需采用制作難度大的正弦波形電極；3、各波長內(nèi)的位移量確定需要對兩個(gè)正交的信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；4、各波長內(nèi)的位移量確定需進(jìn)行反正切(arctg)運(yùn)算，超出一般微控制器(MCU) 的實(shí)時(shí)處理能力。為減輕MCU的處理負(fù)荷，只得使用線性近似；5、為減小線性近似誤差需反復(fù)試探傳感器驅(qū)動(dòng)信號，以使接收信號處于零點(diǎn)附 近；6、為減小線性近似誤差和彌補(bǔ)諧波分量影響需采用較小的細(xì)波長(0. Olmm分辨 率時(shí) 1. 024mm)；7、各波長內(nèi)的位移量確定彼此牽制，相互影響，快速移動(dòng)時(shí)算法不收斂；總之現(xiàn)有的絕對式容柵位移傳感器需要以微控制器(MCU)為核心，軟件依賴于低 效率的試探方法，外圍需要復(fù)雜的模/數(shù)轉(zhuǎn)換、正弦波形電極等技術(shù)支持，常規(guī)的單片機(jī)應(yīng) 用系統(tǒng)確實(shí)可滿足上述軟、硬件要求，但要將該系統(tǒng)集成(做成單片ASIC)安裝在手持式的 測量工具上，得到同時(shí)滿足低成本、小體積、微功耗且能規(guī)?；a(chǎn)的產(chǎn)品，并非易事。專利ZL200710050658介紹了一種用于絕對位置測量的圓容柵傳感器，該專利方 案可用于布局空間較大的角度測量；但利用單片機(jī)對兩套獨(dú)立的增量式容柵系統(tǒng)的測量結(jié) 果進(jìn)行二次處理，成本、體積、功耗均是一般增量式容柵系統(tǒng)的數(shù)倍，雖然對增量式容柵系 統(tǒng)的功能有所擴(kuò)展，但并未能解決增量式測量的固有弱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種絕對位置測量容柵位移測量方法，具有波動(dòng)性質(zhì)的傳感器驅(qū)動(dòng)信號經(jīng)過發(fā)射柵與反射柵的電容耦合、反射柵和轉(zhuǎn)換柵的節(jié)距轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換柵和接收 柵的電容耦合后被變換成隨時(shí)間周期變化的接收信號，并且被測位置在各波長內(nèi)的位移被 轉(zhuǎn)化為接收信號時(shí)間基波的初相位，該基波信號從負(fù)到正的過零點(diǎn)與預(yù)設(shè)的相位零點(diǎn)之間 的時(shí)間差即為被測位置在所測波長內(nèi)的位移，用加法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到該時(shí)間差，由此得到 被測位置在所測波長內(nèi)的位移。本發(fā)明的另一目的是設(shè)計(jì)一種采用本發(fā)明絕對位置測量容柵位移測量方法的絕 對位置測量容柵位移傳感器及其運(yùn)行方法，本容柵位移傳感器有實(shí)現(xiàn)多波長定位的轉(zhuǎn)換柵 和接收柵，在具有波動(dòng)性質(zhì)的驅(qū)動(dòng)信號激勵(lì)下，將被測位置變換成正弦波的初相位，然后通 過加法計(jì)數(shù)器得到被測位置在各波長內(nèi)的位移。電路簡單，易于集成，可實(shí)現(xiàn)低成本的規(guī)模
化生產(chǎn)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的絕對位置測量容柵位移測量方法，是采用具有波動(dòng)性質(zhì)的驅(qū)動(dòng)信號 激勵(lì)發(fā)射柵各電極，經(jīng)過發(fā)射柵與反射柵的電容耦合、反射柵和轉(zhuǎn)換柵的節(jié)距轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換柵 和接收柵的電容耦合后，變換成隨時(shí)間周期變化的接收信號，并且被測位置在各波長內(nèi)的 位移被轉(zhuǎn)化為接收信號時(shí)間基波的初相位，由該基波信號從負(fù)到正的過零點(diǎn)與預(yù)設(shè)的相位 零點(diǎn)之間的時(shí)間差即得到被測位置在所測波長內(nèi)的位移，用加法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到該時(shí)間 差，從而得到被測位置在所測波長內(nèi)的位移。采用本發(fā)明的絕對位置測量容柵位移測量方法設(shè)計(jì)的絕對位置測量容柵位移傳 感器包括可相對移動(dòng)的發(fā)射板和反射板以及測量電路，發(fā)射板和反射板中至少有一個(gè)能沿 測量軸線移動(dòng)。在發(fā)射板沿測量軸線方向布有一列周期排列的電極，為發(fā)射柵；在反射板上 沿測量軸線方向布有一列周期排列的電極，為反射柵。發(fā)射板和反射板之間的相對位置變 化使發(fā)射柵與反射柵之間的電容耦合隨之變化。反射板上還布有與反射柵有序連接的兩列周期排列的電極，為轉(zhuǎn)換柵，用于產(chǎn)生 所需的測量波長；發(fā)射板上也布有與轉(zhuǎn)換柵進(jìn)行電容耦合的兩列周期排列的電極，為接收 柵，用于產(chǎn)生反映被測位置在各波長內(nèi)位移的接收信號。發(fā)射柵電極每N個(gè)一組，N為整數(shù)，3彡N彡16，一般取8，電極按間距Pt/N周期排 列，N個(gè)一組的發(fā)射柵節(jié)距為Pt，Pt為細(xì)波長Wf的Nt倍，Nt為3 7的奇數(shù)，兼顧信號合成 和波長轉(zhuǎn)換要求，一般優(yōu)選Nt = 3，即Pt = 3fff0反射板上的反射柵電極分為2組按間距已交錯(cuò)周期排列，Pr = Wf ；反射板上的轉(zhuǎn) 換柵電極沿測量軸線按各自間距周期排列，2組反射柵電極通過導(dǎo)線分別與2列轉(zhuǎn)換柵電 極依次相連。所述發(fā)射柵、接收柵、反射柵、轉(zhuǎn)換柵電極的形狀為矩形、三角形、正弦波等形狀， 一般選擇易于制作的矩形。各列電極布局均參照共同的基準(zhǔn)線，為方便連線，基準(zhǔn)線宜選在 中部區(qū)域。將發(fā)射柵、接收柵、反射柵、轉(zhuǎn)換柵的電極布局沿同心園周展開，電極節(jié)距按角度 計(jì)算，發(fā)射板和反射板之間的相對位移是二者以同心圓圓心為基點(diǎn)的相對轉(zhuǎn)動(dòng)，本發(fā)明即 可應(yīng)用于角位移測量。本發(fā)明設(shè)計(jì)的絕對位置測量容柵位移傳感器的測量電路分為接口單元和測量單 元兩部分。測量單元包括驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器和信號處理電路。接口單元包括定時(shí)器、按鍵接 口電路、測量接口電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路及算術(shù)邏輯部件(ALU)。
所述測量單元還包括振蕩器、分頻器和控制器，所述驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器是產(chǎn)生具有 波動(dòng)性質(zhì)的傳感器驅(qū)動(dòng)信號的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器；所述測量單元的振蕩器輸出的主時(shí)鐘經(jīng)分 頻器接入該驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器，該驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器產(chǎn)生的具有波動(dòng)性質(zhì)的N路輸出信號，分 別與發(fā)射柵各組的N個(gè)電極相連；本發(fā)明測量單元的信號處理電路包括模擬處理電路、過零檢測電路、同步延時(shí)電 路、加法計(jì)數(shù)器、同步捕捉電路和隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器。模擬處理電路包括信號選擇開關(guān)組、差 分放大器、同步解調(diào)電路和低通濾波器。所測波長接收柵的兩路輸出經(jīng)信號選擇開關(guān)組接 入差分放大器，差分放大后依次連接同步解調(diào)電路、低通濾波器、過零檢測電路，之后輸入 同步捕捉電路；振蕩器輸出的主時(shí)鐘還接入控制器、同步解調(diào)電路、同步捕捉電路、加法計(jì)數(shù)器； 來自驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器的相位同步信號接入同步延時(shí)電路；同步延時(shí)電路的輸出與同步捕捉電路和加法計(jì)數(shù)器相連，過零檢測電路的輸出接 入同步捕捉電路，同步捕捉電路的輸出連接控制器和隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器，加法計(jì)數(shù)器的輸出 作為隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)輸入；接口單元的測量接口電路連接測量單元的控制器和隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器；所述控制器產(chǎn)生各種控制信號，包括初始化、位移測量、存儲(chǔ)器地址及請求處理信 號，各輸出分別連接隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器、驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器、信號選擇開關(guān)組以及接口單元的測 量接口電路?？刂破鞯妮斎攵诉B接同步捕捉電路的輸出端，其輸入時(shí)鐘連接振蕩器輸出的 主時(shí)鐘。本發(fā)明測量單元的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器可以采用扭環(huán)計(jì)數(shù)器方案，主要組成為扭環(huán)計(jì) 數(shù)器、驅(qū)動(dòng)順序選擇開關(guān)和異或調(diào)制器。振蕩器的輸出經(jīng)分頻器后接入驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器，作 為扭環(huán)計(jì)數(shù)器和異或調(diào)制器的輸入時(shí)鐘，扭環(huán)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生具有波動(dòng)性質(zhì)的N路輸出信號， 通過驅(qū)動(dòng)順序選擇開關(guān)輸入異或調(diào)制器，以形成粗/中波長測量和細(xì)波長測量所需的兩種 驅(qū)動(dòng)信號施加順序，異或調(diào)制器的N路輸出連接發(fā)射柵各組的N個(gè)電極。本發(fā)明測量單元的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器也可以采用只讀存儲(chǔ)器(ROM)方案，主要組成 為地址加法計(jì)數(shù)器、只讀存儲(chǔ)器(ROM)和異或調(diào)制器。振蕩器輸出的主時(shí)鐘經(jīng)分頻器后接 入地址加法計(jì)數(shù)器作為其計(jì)數(shù)時(shí)鐘，地址加法計(jì)數(shù)器的輸出和細(xì)波長測量信號一起構(gòu)成只 讀存儲(chǔ)器的讀出地址，只讀存儲(chǔ)器輸出的N位數(shù)據(jù)輸入異或調(diào)制器，異或調(diào)制后的N路輸出 連接發(fā)射柵各組的N個(gè)電極。根據(jù)期望的最大測量范圍，可選擇兩波長或三波長測量。采用三波長測量時(shí)，轉(zhuǎn)換 柵和接收柵各設(shè)兩列，反射板的兩列轉(zhuǎn)換柵分別稱為中波長轉(zhuǎn)換柵和粗波長轉(zhuǎn)換柵。與之 對應(yīng)的發(fā)射板的兩列接收柵分別稱為中波長接收柵和粗波長接收柵。反射板上的中波長 轉(zhuǎn)換柵電極沿測量軸按間距Pm周期排列，中波長轉(zhuǎn)換柵節(jié)距Pm小于反射柵節(jié)距Pp通過電 極排列和激勵(lì)方法，可得中波長Wm = PtPffl/ (Pr-Pffl)，設(shè)Wm = NfflWf, Pt = NtWf，Nffl為整數(shù)，Nt為 3 7的奇數(shù)，則Pm = NmWf/ (Nm+Nt)，當(dāng)Nm = 16，Nt = 3，則Pm = 16Wf/19。與之對應(yīng)的發(fā)射 板上的中波長接收柵電極分為完全相同的2組沿測量軸按間距NtPm交錯(cuò)周期排列，同屬一 組的接收柵電極通過導(dǎo)線相連。粗波長轉(zhuǎn)換柵和粗波長接收柵的電極布局與中波長情況類 似，設(shè)粗波長W。= NcWf, Pt = NtWf，Nc為整數(shù)，Nt為3 7的奇數(shù)，則粗波長轉(zhuǎn)換柵電極間距 Pc = Ncfff/(NC+Nt)，當(dāng)Nc = 256，Nt = 3，則Pc。= 256Wf/259，粗波長接收柵電極也分為完全相同的兩組按間距NtP。交錯(cuò)周期排列，同屬一組的接收柵電極通過導(dǎo)線相連。采用兩波長測量時(shí)，轉(zhuǎn)換柵和接收柵也設(shè)2對。電極布局與三波長測量類似，只是 將原來的中波長轉(zhuǎn)換柵和中波長接收柵改作細(xì)波長輔助轉(zhuǎn)換柵和細(xì)波長輔助接收柵。本發(fā)明絕對位置測量容柵位移傳感器的運(yùn)行方法如下接口單元按預(yù)定的測量頻率啟動(dòng)測量單元，具有波動(dòng)性質(zhì)的驅(qū)動(dòng)信號經(jīng)過發(fā)射柵 與反射柵的電容耦合、反射柵和轉(zhuǎn)換柵的節(jié)距轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換柵和接收柵的電容耦合后被變換 成隨時(shí)間周期變化的接收信號(同步解調(diào)后)，并且被測位置在各波長內(nèi)的位移被轉(zhuǎn)化為 接收信號(同步解調(diào)后)時(shí)間基波的初相位。各波長接收柵電極輸出的兩路接收信號經(jīng)信號選擇開關(guān)組輸入差分放大器，差分 放大后的信號依次經(jīng)過同步解調(diào)電路、低通濾波器、過零檢測電路處理后被轉(zhuǎn)換成方波信 號，同步捕捉電路根據(jù)該方波信號和同步延時(shí)電路的輸出產(chǎn)生同步捕捉信號，在主時(shí)鐘的 非計(jì)數(shù)沿捕捉加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果并將其寫入隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器的指定單元，控制器利用 同步捕捉信號產(chǎn)生測量下一個(gè)波長內(nèi)位移所需的控制信號或請求接口單元進(jìn)行后續(xù)處理。同步延時(shí)電路控制加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，僅當(dāng)施加有效驅(qū)動(dòng)信號預(yù)定時(shí)間之后且在 驅(qū)動(dòng)信號的預(yù)定相位，即預(yù)設(shè)的相位零點(diǎn)，才允許加法計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，加法計(jì)數(shù)器對振蕩 器輸出的主時(shí)鐘計(jì)數(shù)?？刂破?狀態(tài)機(jī))產(chǎn)生各種控制信號，包括初始化、細(xì)波長位移測量、中波長位移 測量、粗波長位移測量、存儲(chǔ)器地址及請求處理信號，用來協(xié)調(diào)測量電路的工作或請求接口 單元進(jìn)行后續(xù)處理。測量單元依次完成被測位置在粗波長、中波長、細(xì)波長內(nèi)位移的測量后，控制器請 求接口單元進(jìn)行后續(xù)處理。接口單元從測量單元的隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器讀出各波長內(nèi)的位移值 后隨即關(guān)閉測量單元，然后根據(jù)各波長內(nèi)的位移值計(jì)算絕對位置、按照用戶要求(通過按 鍵輸入)進(jìn)行其它常規(guī)處理(如測量單位轉(zhuǎn)換、設(shè)置測量原點(diǎn)等)、驅(qū)動(dòng)液晶顯示器(LCD) 顯示測量結(jié)果。本發(fā)明絕對位置測量容柵位移傳感器的運(yùn)行方法主要步驟如下本步驟針對的絕對位置測量容柵位移傳感器的反射板設(shè)有粗波長轉(zhuǎn)換柵和中波 長轉(zhuǎn)換柵，與之對應(yīng)的發(fā)射板設(shè)有粗波長接收柵和中波長接收柵，采用粗、中、細(xì)三種波長 進(jìn)行絕對測量。I、接口單元的定時(shí)器按預(yù)定測量頻率啟動(dòng)測量單元；II、確定被測位置在粗波長內(nèi)的位移；隨時(shí)間t以周期T勻速掃過一個(gè)發(fā)射柵節(jié)距的傳感器驅(qū)動(dòng)信號(異或調(diào)制前)可 表示為
XtE(x,t) = Em sm{2n—~2π—)(a)由傅里葉級數(shù)理論可知，表達(dá)式(a)是下列函數(shù)的基波分量B(x,t) = \ 、，7(b)將表達(dá)式(b)的信號對空間χ和時(shí)間t分別以周期Pt/N、T/N采樣，可得序列B(xm， tn)
B(XmJn) =
, .…m 、 η、 . 1 s\n(2n--2π —) > 0
N N
0 sin(2^·—-2^-—)<0
N N
C
κιν式中m、n為整數(shù)，且0彡m彡N_1，0彡η彡Ν-1。根據(jù)采樣定理，當(dāng)N彡3時(shí)，表達(dá)式(a)可由離散后的信號序列(c)再生還原，因 此，將離散信號序列B(xm，tn)用作傳感器驅(qū)動(dòng)信號，經(jīng)再生濾波后的響應(yīng)信號完全等同于 用表達(dá)式(a)驅(qū)動(dòng)。參見圖9，設(shè)發(fā)射柵一個(gè)節(jié)距Pt上的驅(qū)動(dòng)信號按表達(dá)式(a)變化，Pt = 3Pr,被測位 置(即發(fā)射板基準(zhǔn)線)距反射板基準(zhǔn)線的距離為X χ = RX3Pc+y0 = SX3Pr-x0(d)式中R、S為整數(shù)，X0為發(fā)射板基準(zhǔn)線與每3個(gè)節(jié)距一組的反射柵電極組前沿的距 離，Y0為發(fā)射板基準(zhǔn)線與每3個(gè)節(jié)距一組的轉(zhuǎn)換柵電極組前沿的距離。由電容分壓公式可知粗波長轉(zhuǎn)換柵三個(gè)轉(zhuǎn)換電極上感生的電壓為
、+ /2t 5π χ
U1-K f E(x,t)dx = Um sm{2n- + — + 2π^-)
-Xo
-X0P,/2
U2=K I E(x, t)dx = Um smiln 1 + ^ + -
-Xd+Pr -X0+5 巧/2
U3=K J E(xj)dx = Um η{2π
-JC0+2 巧
6
t 5π ^ xn Απ ^
—+ — + 2^·—^---)
T 6 3Pr 3
Xly . ？ S
θ f C
/Vx / V式中K為比例系數(shù)，并已假定Pt = 3Pr0U” U2、U3的相位彼此相差2 π /3，與其電極的空間位置一致，故可認(rèn)為是下列函數(shù) 以周期P。對變量X采樣后的結(jié)果
變化。 壓
X
h
U(x,t) = Um s\n{2π~ + -- + 2π^-2π—) m T 6 3Pr ZPc
因此，推導(dǎo)接收信號基波分量時(shí)可認(rèn)為粗波長轉(zhuǎn)換柵上的電壓分布按表達(dá)式(h) 粗波長接收柵與粗波長轉(zhuǎn)換柵進(jìn)行電容耦合，同理可得兩組接收電極上的感生電 C1 =Kt C2 = Kt
Λ+3 盡/2
J
y^c
J
Λ+3 巧/2
t
冗…y0 ^o Λ
U(x,0dx = CmSin^- +J
U(XJ)Ck = -Cm
) ^s 1 j /V /V
反，
式中Kt為比例系數(shù)。粗波長接收柵兩組接收電極上的基波信號大小相等、相位相
故信號處理時(shí)對兩路接收信號差分(C1-C2)，將(d)式代入
CfC2= 2Cm sin[(2^ U7L--妾
)]
10
= 2Cffl sin{2n- +(k)
Wc式中凡=3^(1)
K為粗波長。確定粗波長內(nèi)位移的具體步驟如下II _i、測量單元的控制器輸出粗波長測量信號，將信號選擇開關(guān)組切至測量粗波 長內(nèi)位移所需的位置；II -ii、控制器輸出初始化信號，將測量單元的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器、同步延時(shí)電路、同 步捕捉電路的時(shí)序邏輯均置為預(yù)定的初始狀態(tài)，同時(shí)指定粗波長位移在隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器中 的存儲(chǔ)單元的地址；II -iii、驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器開始輸出有效的傳感器驅(qū)動(dòng)信號；驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器輸出的傳感器驅(qū)動(dòng)信號是對表達(dá)式(C)進(jìn)行異或調(diào)制后的結(jié)果。II _iv、同步延時(shí)電路在施加驅(qū)動(dòng)信號預(yù)定時(shí)間后，在驅(qū)動(dòng)信號的預(yù)定相位，即預(yù) 設(shè)的相位零點(diǎn)，允許加法計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。同步延時(shí)電路的作用一是設(shè)定測量的相位參考 點(diǎn)，二是等待信號穩(wěn)定后才開始計(jì)數(shù)。II -V、同步捕捉電路在過零檢測信號的有效沿同步捕捉加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果 并將其寫入隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器的指定單元，此即被測位置在粗波長內(nèi)的位移(帶有固定偏移 量)；波動(dòng)性質(zhì)的驅(qū)動(dòng)信號通過本發(fā)明的電極布局傳遞，在兩組粗波長接收柵感生兩路 反相的接收信號，對其差分、解調(diào)、濾波后得下式(k)的基波分量C1 -C2 = ICn sin[(2^·γ +j-~ Jf^= 2Cm sin{2n^ +(k)式中凡=3^(1)Wc為粗波長，且已假定Pt-3Pp C1X2是粗波長的兩路接收信號，Cm是粗波長接收信 號基波分量幅值該信號從負(fù)到正的過零點(diǎn)與預(yù)設(shè)的相位零點(diǎn)(加法計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)的時(shí)刻)之間 的時(shí)間差即為被測位置在粗波長內(nèi)的位移(帶有固定的偏移量)，因此在過零檢測信號的 有效沿同步捕捉加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果即為被測位置在粗波長內(nèi)的位移。III、確定中波長內(nèi)的位移；III _i、控制器輸出中波長測量信號，將信號選擇開關(guān)組切至測量中波長內(nèi)位移所 需的位置；III _ii、控制器輸出初始化信號，將測量單元的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器、同步延時(shí)電路、同 步捕捉電路的時(shí)序邏輯置為預(yù)設(shè)的初始狀態(tài)，同時(shí)指定中波長位移在隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器中的 存儲(chǔ)單元的地址；III -iii、驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器開始輸出有效的傳感器驅(qū)動(dòng)信號；III -iv、同步延時(shí)電路允許加法計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；
III -V、同步捕捉電路捕捉加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果并將其寫入隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器的指 定單元，此即被測位置在中波長內(nèi)的位移(帶有固定偏移量)；與步驟II -ν類似，中波長(m)IV、確定細(xì)波長內(nèi)的位移；發(fā)射柵節(jié)距Pt與反射柵節(jié)距已不同，欲使細(xì)波長Wf = Pr,需要調(diào)整傳感器驅(qū)動(dòng)信 號的施加順序。參見圖10的電極分解圖，A所示為常規(guī)的三組發(fā)射柵電極，當(dāng)順序施加傳感 器驅(qū)動(dòng)信號時(shí)，反射柵電極上將感生波長等于反射柵節(jié)距&的電壓信號。從A所示的三組 發(fā)射柵電極中每三個(gè)電極抽出一個(gè)得到電極布局如B所示，B中電極的驅(qū)動(dòng)信號與A相同， 數(shù)量剛好構(gòu)成一組，因此，如將對應(yīng)的三個(gè)反射柵電極上的信號疊加，B中的電極布局等效 于一組節(jié)距等于反射柵節(jié)距已的發(fā)射柵，感生的信號波長也等于反射柵節(jié)距已。C、D分別 是對B空間移位Pr/8 ( π /4空間角)、Pr/4 ( π /2空間角)的結(jié)果，因而其感生的信號波長與 B相同，相位依次移位π/4。將B、C、D空間合成得E，E的發(fā)射柵電極節(jié)距已展寬為3^ = Pt,驅(qū)動(dòng)信號與A相同，但施加順序已變成1-4-7-2-5-8-3-6或1-6-3-8-5-2-7-4 (反序)。綜上所述，由發(fā)射柵節(jié)距Pt = 3&可以感生波長等于反射柵節(jié)距&的信號。前提 是①驅(qū)動(dòng)信號的施加順序調(diào)整為1-4-7-2-5-8-3-6或1-6-3-8-5-2-7-4 ；②將反射柵電極 上的感生信號疊加。因此，當(dāng)確定被測位置在細(xì)波長內(nèi)的位移時(shí)，除需調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號的施加 順序外，還需將粗波長接收柵的兩組電極電氣連接(合并成完整的矩形)構(gòu)成細(xì)波長接收 電極的一組、將中波長接收柵的兩組電極電氣連接構(gòu)成細(xì)波長接收電極的另一組(可選)， 以確保反射柵電極上的感生信號能夠通過粗、中波長轉(zhuǎn)換柵在接收柵上疊加。經(jīng)過以上處理后，表達(dá)式(a)按施加順序1-4-7-2-5-8-3-6驅(qū)動(dòng)傳感器時(shí)的等效 信號
Ee{x,t) = Emsin{2n j-2nj)(η)
此時(shí)在細(xì)波長兩組接收電極上的感生電壓
-Xa+Pr/2-x0-Pr/8+Pr/2-x0-Pr/4+Pr/2
F1 = -F2 = K[ J Ee(x,t)dx+ J Ee(x,t)dx+ | Ee(x,t)dx]
=F Sin(2^-- + —+ 2^·—)(o)
m T 4 Pr
同理可得按施加順序1-6-3-8-5-2-7-4驅(qū)動(dòng)傳感器時(shí)在細(xì)波長兩組接收電極上 的感生電壓
-X0-PrIhPrIl-x0-Pr/4+Pr/2-X0-^PrIi+Pr/2F1 = -F2 = K[ j Et.(-x, t)dx+ J Ee(-x,t)dx+ J Ee(-x,t)dx]
-X0-Pr-H-Pr I ‘‘-X0-TlPrIi+(P)綜合(ο)、(ρ)，可得細(xì)波長差分信號巧-巧=2^sin(2;z“〒+ 士2冗^)(q)
12
式中Wf = Pr為細(xì)波長，α為常數(shù)。確定細(xì)波長內(nèi)位移的具體步驟如下IV _i、控制器輸出細(xì)波長測量信號，將信號選擇開關(guān)組切至測量細(xì)波長內(nèi)位移所 需的位置；IV-ii、控制器輸出初始化信號，將測量單元的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器、同步延時(shí)電路、同 步捕捉電路的時(shí)序邏輯置為預(yù)設(shè)的初始狀態(tài)，同時(shí)指定細(xì)波長位移在隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器中的 存儲(chǔ)單元的地址；IV -iii、驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器開始輸出有效的傳感器驅(qū)動(dòng)信號；為合成所需的接收 信號，其施加順序在N = 8、Pt = 3已時(shí)由粗/中波長測量時(shí)的1-2-3-4-5-6-7-8調(diào)整為 1-6-3-8-5-2-7-4 (反序)或 1-4-7-2-5-8-3-6。IV _iv、同步延時(shí)電路允許加法計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；IV-V、同步捕捉電路捕捉加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果并將其寫入隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器的指 定單元，此即被測位置在細(xì)波長內(nèi)的位移(帶有固定偏移量)；將粗波長的兩組接收電極用開關(guān)短接作為細(xì)波長的一組接收電極，將中波長的兩 組接收電極用開關(guān)短接作為細(xì)波長的另一組接收電極，則調(diào)整施加順序后的驅(qū)動(dòng)信號在這 兩組接收電極上感生兩路反相的接收信號，對其差分、解調(diào)、濾波后可得下式(q)的基波分 量+(q)
ΓWf式中Wf為細(xì)波長，Wf = Pr5F1^F2是細(xì)波長的兩路接收信號，F(xiàn)m是細(xì)波長接收信號 基波分量幅值。該信號從負(fù)到正的過零點(diǎn)與預(yù)設(shè)的相位零點(diǎn)(加法計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)的時(shí)刻)之間 的時(shí)間差即為被測位置在細(xì)波長內(nèi)的位移(帶有固定偏移量)。V、控制器請求接口單元進(jìn)行后續(xù)處理；VI、接口單元讀出保存在測量單元隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器中的位移數(shù)據(jù)后關(guān)閉測量電 路；νπ、接口單元處理、顯示測量結(jié)果；當(dāng)被測位置在粗、中、細(xì)波長內(nèi)的位移確定以后，被測位置與測量原點(diǎn)在粗、中、細(xì) 波長內(nèi)的距離隨之確定。設(shè)被測位置與測量原點(diǎn)在粗、中、細(xì)波長內(nèi)的距離分別為X。、Xm、Xf， 粗、中、細(xì)波長分別為W。、Wm、Wf，各波長的細(xì)分?jǐn)?shù)均為2M，則被測長度χ可表示為X Xc ^ KmWm + Xm 勢 KmWm + KfWf +Xf^r( r )式中Km、Kf為整數(shù)，分別表示中波長和細(xì)波長的個(gè)數(shù)。因此具有最高測量精度的被測長度
W’X^KmWm+KfWf+Xfi(S)代入0. 01謹(jǐn)分辨率時(shí)的優(yōu)選參數(shù)W。_256Wf，Wm = 16fff, Wf = 2. 56謹(jǐn)，2M = 256 χ ^ [(16Km+Kf) X256+xf] Χ0· 01mm。所述確定粗、中、細(xì)波長內(nèi)位移的步驟II、III、IV的順序先后是任意的。
本發(fā)明絕對位置測量容柵位移測量方法的優(yōu)點(diǎn)為1、在具有波動(dòng)性質(zhì)的傳感器驅(qū)動(dòng)信號的激勵(lì)下，位移信息被變換為時(shí)間基波的初 相位，可通過簡單的過零檢測和加法計(jì)數(shù)器確定被測位置在各波長內(nèi)的位移，從而不再需 要模/數(shù)轉(zhuǎn)換和線性近似，同時(shí)也完全擺脫了低效率的反復(fù)試探方法；控制方便、易于實(shí) 現(xiàn)；2、在具有波動(dòng)性質(zhì)的傳感器驅(qū)動(dòng)信號的激勵(lì)下，接收信號被轉(zhuǎn)換成時(shí)間的周期波 形，可通過低通濾波器(二階或二階以上)消除諧波分量，因而無需復(fù)雜的正弦波形的接 收電極，同時(shí)還可適當(dāng)增大細(xì)波長長度以提高信噪比(如0.01mm分辨率時(shí)采用2. 56mm節(jié) 距)。本發(fā)明的絕對位置測量容柵位移傳感器及其運(yùn)行方法的優(yōu)點(diǎn)為1、在扭環(huán)計(jì)數(shù)器或只讀存儲(chǔ)器產(chǎn)生的具有波動(dòng)性質(zhì)的傳感器驅(qū)動(dòng)信號的激勵(lì)下， 將位移信息變換為接收信號時(shí)間基波的初相位，通過簡單的過零檢測和加法計(jì)數(shù)器確定被 測位置在各波長內(nèi)的位移，電路簡單、控制方便、易于實(shí)現(xiàn)；2、通過低通濾波器(二階或二階以上)消除接收信號中的諧波分量，接收電極可 選擇易于制作的矩形，大大降低制作難度，同時(shí)也減小了測量誤差，因此還可適當(dāng)增大細(xì)波 長長度以提高信噪比(如0.01mm分辨率時(shí)采用2. 56mm節(jié)距)；3、由于采用間歇工作的多波長定位，克服了增量式測量的不足，功耗低且無測量 速度限制；4、各波長內(nèi)的位移量確定均由硬件完成，彼此獨(dú)立，既簡化了處理，也消除了軟件 算法不收斂問題；5、確定被測位置在粗、中、細(xì)波長內(nèi)的位移共用相同的測量電路和方法，所有處理 均順序執(zhí)行，無需循環(huán)反復(fù)，控制簡便；6、無需依賴復(fù)雜的微控制器(MCU)，測量電路由硬連邏輯實(shí)現(xiàn)，易于系統(tǒng)集成制作 專用IC(ASIC)，可規(guī)?；a(chǎn)，得到低成本、小體積、微功耗的手持測量工具產(chǎn)品。


圖1為本絕對位置測量容柵位移傳感器實(shí)施例1電極布局圖；圖2為本絕對位置測量容柵位移傳感器實(shí)施例1測量電路示意圖；圖3為圖2中驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器扭環(huán)計(jì)數(shù)器方案的電路示意圖；圖4為本絕對位置測量容柵位移傳感器實(shí)施例2電極布局圖；圖5為本絕對位置測量容柵位移傳感器實(shí)施例2測量電路示意圖；圖6為圖5中驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器只讀存儲(chǔ)器方案的電路示意圖；圖7為本絕對位置測量容柵位移傳感器實(shí)施例3電極布局圖；圖8為本絕對位置測量容柵位移傳感器運(yùn)行方法實(shí)施例1流程圖；圖9為本絕對位置測量容柵位移傳感器運(yùn)行方法中被測位置χ與一組發(fā)射柵電極 及相應(yīng)的反射柵電極、轉(zhuǎn)換柵電極、接收柵電極的相對位置示意圖；圖10為本絕對位置測量容柵位移傳感器運(yùn)行方法中細(xì)波長測量的發(fā)射柵電極分 解圖；圖11為本絕對位置測量容柵位移傳感器運(yùn)行方法各步驟的信號波形圖12為本絕對位置測量容柵位移傳感器運(yùn)行方法實(shí)施例2流程圖。圖中標(biāo)號為1、發(fā)射板，1. 1、發(fā)射柵，1.2、中波長接收柵，1.3、粗波長接收柵，2、反射板，2. 1、反
射柵，2. 2中波長轉(zhuǎn)換柵，2. 3、粗波長轉(zhuǎn)換柵，3、第一分頻器，4、第二分頻器，5，驅(qū)動(dòng)信號發(fā) 生器，5. 1、扭環(huán)計(jì)數(shù)器，5. 2、驅(qū)動(dòng)順序選擇開關(guān)，5. 3、異或調(diào)制器，6、信號選擇開關(guān)組，7、差 分放大器。
具體實(shí)施例方式絕對位置測量容柵位移測量方法實(shí)施例具有波動(dòng)性質(zhì)的傳感器驅(qū)動(dòng)信號激勵(lì)發(fā)射柵各電極，經(jīng)過發(fā)射柵與反射柵的電容 耦合、反射柵和轉(zhuǎn)換柵的節(jié)距轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換柵和接收柵的電容耦合后，變換成隨時(shí)間周期變化 的接收信號，并且被測位置在各波長內(nèi)的位移被轉(zhuǎn)化為接收信號時(shí)間基波的初相位，由該 基波信號從負(fù)到正的過零點(diǎn)與預(yù)設(shè)的相位零點(diǎn)之間的時(shí)間差即得到被測位置在所測波長 內(nèi)的位移，用加法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到該時(shí)間差，由此得到被測位置在所測波長內(nèi)的位移。 絕對位置測量容柵位移傳感器實(shí)施例1本絕對位置測量容柵位移傳感器實(shí)施例1是用于線性位移測量的傳感器，提供 粗、中、細(xì)三種波長的測量。其電極布局如圖1所示，包括兩個(gè)可相對移動(dòng)的部件發(fā)射板1 和反射板2，發(fā)射板1和反射板2中至少有一個(gè)能沿測量軸線移動(dòng)，本例發(fā)射板1可沿測量 軸線移動(dòng)，反射板2固定。在發(fā)射板1沿測量軸線方向布有一列周期排列的發(fā)射柵電極1. 1，還布有兩列周 期排列的接收柵電極，分別為中波長接收柵1. 2和粗波長接收柵1. 3。發(fā)射柵電極每N個(gè)一 組，本例N = 8，電極按間距Pt/8周期排列，8個(gè)一組的發(fā)射柵節(jié)距為Pt，Pt為細(xì)波長Wf的 Nt 倍，本例 Nt = 3，即 Pt = 3fff0在反射板2上沿測量軸線方向布有一列周期排列的反射柵電極2. 1，還布有兩列 沿測量軸周期排列的轉(zhuǎn)換柵電極，分別為中波長轉(zhuǎn)換柵電極2. 2和粗波長轉(zhuǎn)換柵電極2. 3 ； 反射柵電極按間距已周期排列，細(xì)波長Wf =已。中波長轉(zhuǎn)換柵電極2. 2按間距Pm周期排 列，中波長 Wm = PtPm/ (Pr-Pm)，設(shè) Wm = NmW1，Pt = NtWf，Nm 為整數(shù)，Nt 為 3 7 的奇數(shù)，則 Pm =Nmfff/(Nm+Nt)，當(dāng) Nm = 16,Nt = 3，則 Pm = 16fff/19 = 16Pr/19。粗波長轉(zhuǎn)換柵電極 2. 3 布 局與中波長情況類似，反射板2上的粗波長轉(zhuǎn)換柵2. 3電極沿測量軸按間距P。周期排列， 粗波長Wc = PtPc/ (Pr-Pc)，設(shè)粗波長Wc = NcWf，Pt = NtWf，Nc為整數(shù)，Nt為3 7的奇數(shù)，則 粗波長轉(zhuǎn)換柵電極 2. 3 間距 Pc = Ncfff/(NC+Nt)，當(dāng) Nc = 256，Nt = 3，則 Pc = 256fff/259 = 256Pr/2590反射柵電極2. 1分為完全相同的2組2. IA和2. IB按間距Pr交錯(cuò)周期排列， 一組的反射柵電極2. IA通過導(dǎo)線與中波長轉(zhuǎn)換柵電極2. 2依次相連，另一組的反射柵電極 2. IB通過導(dǎo)線與粗波長轉(zhuǎn)換柵電極2. 3依次相連。在發(fā)射板1的中波長接收柵電極1. 2分為完全相同的2組1. 2A和1. 2B、沿測量軸 按間距3Pm交錯(cuò)周期排列，同屬一組的電極通過導(dǎo)線相連。粗波長接收柵電極1. 3也分為 完全相同的兩組1. 3A和1. 3B、按間距3P。交錯(cuò)周期排列，同屬一組的接收柵電極通過導(dǎo)線 相連。所述發(fā)射柵、接收柵、發(fā)射柵、轉(zhuǎn)換柵的電極的形狀均為矩形，各列電極布局有共
15同的位于中部的基準(zhǔn)線。粗波長W。限定本容柵傳感器的最大測量范圍，細(xì)波長Wf決定容柵傳感器的最高測 量精度。當(dāng)要求的粗波長W。與細(xì)波長Wf之比W。/Wf過大，如大于32時(shí)，則由粗波長位移直 接確定被測位置所包含的整數(shù)細(xì)波長時(shí)容易出錯(cuò)。本例的傳感器借助中波長Wm減小相鄰波 長的比值，即W。/Wm、Wm/Wf均小于32，可實(shí)現(xiàn)較大范圍的絕對位置測量。本絕對位置測量容柵 位移傳感器相鄰的波長比一般宜取16，即W。= 16Wm、Wm = 16Wf。如測量分辨率為0. Olmm, 細(xì)波長Wf = 2. 56mm，則最大測量范圍為W。= 16ffm = 256fff = 655. 36mm。驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器5的8路輸出信號分別與發(fā)射柵各組的8個(gè)電極相連，接收柵的 兩路輸出接入信號處理電路。本例的絕對位置測量容柵位移傳感器的測量電路如圖2所示，分為接口單元和測 量單元兩部分。測量單元包括振蕩器、分頻器、控制器、驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器5和信號處理電路。 接口單元包括定時(shí)器、按鍵接口電路、測量接口電路、液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路及算術(shù)邏輯部件 (ALU)。測量接口電路連接測量單元的控制器和隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器。本例控制器為有限狀態(tài)機(jī)，產(chǎn)生以下控制信號初始化信號INI、細(xì)波長測量信號 FINE、中波長測量信號MED、粗波長測量信號COARSE、存儲(chǔ)器地址ADDR、請求處理信號REQ。 控制器的輸入端連接同步捕捉電路的輸出端、接收同步捕捉電路輸出的信號WRITE，其輸入 時(shí)鐘為振蕩器輸出的主時(shí)鐘。FINE、MED、COARSE信號接入信號選擇開關(guān)組6的控制端，用 于使其切換到相應(yīng)波長測量所需的位置；INI連接測量單元的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器5、同步延時(shí) 電路和同步捕捉電路，用于使其處于預(yù)設(shè)的初始狀態(tài)；ADDR連接隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器RAM，用于 指定各波長內(nèi)位移在隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器的存放地址(ADDR也可由FINE、MED、COARSE信號兼 任)；REQ連接接口單元，用于通知接口單元測量任務(wù)已經(jīng)完成，請求進(jìn)行后續(xù)處理。所述測量單元的信號處理電路包括模擬處理電路、過零檢測電路、同步延時(shí)電路、 加法計(jì)數(shù)器、同步捕捉電路和隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器；模擬處理電路含有信號選擇開關(guān)組6、差分 放大器7、同步解調(diào)電路和低通濾波器；所測波長接收柵的兩路輸出經(jīng)信號選擇開關(guān)組6接 入差分放大器7，差分放大后依次連接同步解調(diào)電路、低通濾波器、過零檢測電路，之后輸入 同步捕捉電路。如圖2所示，信號選擇開關(guān)組6包括第1開關(guān)S1、第2開關(guān)S2、第3開關(guān)S3、第4開 關(guān)s4。粗波長接收柵1. 3的一組電極1. 3A的輸出端和中波長接收柵1. 2的一組電極1. 2A 的輸出端分別連接第3開關(guān)S3的兩個(gè)輸入端，粗波長接收柵1. 3的另一組電極1. 3B的輸出 端和中波長接收柵1. 2的另一組電極1. 2B的輸出端分別連接第4開關(guān)S4的兩個(gè)輸入端， 第3開關(guān)S3的公共端連接差分放大器7的一個(gè)輸入端，第4開關(guān)S4的公共端連接差分放大 器7的另一個(gè)輸入端。第1開關(guān)S1連接中波長接收柵1. 2的兩組電極1. 2A和1. 2B的輸 出端，第2開關(guān)S2連接粗波長接收柵1. 3的兩組電極1. 3A和1. 3B的輸出端。振蕩器產(chǎn)生測量單元的主時(shí)鐘，經(jīng)第一分頻器3將主時(shí)鐘16分頻后接入傳感器驅(qū) 動(dòng)信號發(fā)生器、作為調(diào)制脈沖MOD，再經(jīng)第二分頻器4對調(diào)制脈沖MOD 2分頻后接入驅(qū)動(dòng)信 號發(fā)生器5的四位扭環(huán)計(jì)數(shù)器、作為其計(jì)數(shù)時(shí)鐘DCLK，因此一個(gè)波長被細(xì)分為16X2X8 = 256 = 28份，可用8位加法計(jì)數(shù)器確定被測位置在各波長內(nèi)的位移，細(xì)分?jǐn)?shù)可根據(jù)需要選 擇，一般宜取2的冪次以方便處理。振蕩器輸出的主時(shí)鐘還接入控制器、同步解調(diào)電路、同 步捕捉電路、加法計(jì)數(shù)器；驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器5的相位同步信號接入同步延時(shí)電路。
同步延時(shí)電路的輸出與同步捕捉電路和加法計(jì)數(shù)器相連，過零檢測電路的輸出 COUT接入同步捕捉電路，同步捕捉電路的輸出同時(shí)輸入控制器和隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器RAM，加 法計(jì)數(shù)器的輸出作為隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器RAM的數(shù)據(jù)輸入。接口單元的測量接口電路連接測量單元的控制器和隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器RAM。本例測量單元的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器5如圖3所示，主要組成為扭環(huán)計(jì)數(shù)器5. 1、驅(qū)動(dòng) 順序選擇開關(guān)5. 2和異或調(diào)制器5. 3。本例的扭環(huán)計(jì)數(shù)器5. 1為4位扭環(huán)計(jì)數(shù)器，8路異或 調(diào)制器5. 3包括4個(gè)異或門和4個(gè)非門。驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器5的8路輸出順序連接發(fā)射柵 1. 1各組的8個(gè)電極。2個(gè)驅(qū)動(dòng)順序選擇開關(guān)5. 2其一連接異或調(diào)制器5. 3的第2異或門 和扭環(huán)計(jì)數(shù)器5. 1的第2輸出端Q2或第6輸出端Qe ( Q2 )，另一連接異或調(diào)制器5. 3的第 4異或門和扭環(huán)計(jì)數(shù)器5. 1的第4輸出端Q4或第8輸出端Q8 (仏)。進(jìn)行粗波長或中波長 內(nèi)位移測量時(shí)，2個(gè)驅(qū)動(dòng)順序選擇開關(guān)5. 2其一連接異或調(diào)制器5. 3的第2異或門和扭環(huán) 計(jì)數(shù)器5. 1的第2輸出端Q2,另一連接異或調(diào)制器5. 3的第4異或門和扭環(huán)計(jì)數(shù)器5. 1的 第4輸出端Q4,四位扭環(huán)計(jì)數(shù)器5. 1的輸出Q1 Q4對應(yīng)(c)式的m = 0 3，Q5 Q8(即 Q1 么)對應(yīng)(c)式的m = 4 7。驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器5輸出施加順序?yàn)?-2-3-4-5-6-7-8 的驅(qū)動(dòng)信號；在確定細(xì)波長內(nèi)的位移時(shí)，控制器輸出的FINE = 1切換2個(gè)驅(qū)動(dòng)順序選擇開 關(guān)5. 2的導(dǎo)通觸點(diǎn)，其一連接異或調(diào)制器5. 3的第2異或門和扭環(huán)計(jì)數(shù)器的第6輸出端Qh (Q2 )，另一連接異或調(diào)制器5. 3的第4異或門和扭環(huán)計(jì)數(shù)器5. 1的第8輸出端Q8 ( Q4 )，驅(qū) 動(dòng)信號發(fā)生器輸出施加順序?yàn)?-6-3-8-5-2-7-4的驅(qū)動(dòng)信號。本例測量單元的驅(qū)動(dòng)信號發(fā) 生器5產(chǎn)生具有波動(dòng)性質(zhì)的8路輸出信號，并形成粗/中波長測量和細(xì)波長測量所需的兩 種驅(qū)動(dòng)信號施加順序，驅(qū)動(dòng)發(fā)射柵各組的8個(gè)電極。絕對位置測量容柵位移傳感器實(shí)施例2本絕對位置測量容柵位移傳感器實(shí)施例2也是用于線性位移測量的傳感器，其電 極布局如圖4所示，用于兩波長測量。反射板2上設(shè)一列反射柵電極2. 1、一列粗波長轉(zhuǎn)換 柵電極2. 3及一列細(xì)波長輔助轉(zhuǎn)換柵電極2. 2 ；發(fā)射板1上設(shè)一列發(fā)射柵電極1. 1、一列粗 波長接收柵電極1. 3及一列細(xì)波長輔助接收柵電極1. 2。2組反射柵2. 1中的1組與粗波 長轉(zhuǎn)換柵電極2. 3相連，另1組與細(xì)波長輔助轉(zhuǎn)換柵電極2. 2相連。細(xì)波長輔助轉(zhuǎn)換柵電 極2. 2以節(jié)距& = Wf周期排列，細(xì)波長輔助接收柵電極1.2為一完整矩形。粗波長接收柵 電極1. 3分為完全相同的兩組1. 3A和1. 3B、按間距3P。交錯(cuò)周期排列，同屬一組的接收柵 電極通過導(dǎo)線相連。其它與實(shí)施例1相同。本例的絕對位置測量容柵位移傳感器的測量電路如圖5所示，分為接口單元和測 量單元兩部分。其接口電路與實(shí)施例1相同，本例的測量單元與實(shí)施例1相似，包括振蕩器、 分頻器、控制器、驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器5和信號處理電路。其驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器5如圖6所示，該電路采用地址加法計(jì)數(shù)器和只讀存儲(chǔ)器ROM 替代實(shí)施例1的扭環(huán)計(jì)數(shù)器和驅(qū)動(dòng)順序選擇開關(guān)，由3位地址加法計(jì)數(shù)器、16單元的8位只 讀存儲(chǔ)器ROM和異或調(diào)制器組成，只讀存儲(chǔ)器中預(yù)存的數(shù)據(jù)詳見下表1。地址加法計(jì)數(shù)器 的輸出Qa Q。與控制信號FINE —起構(gòu)成只讀存儲(chǔ)器ROM的4位地址Atl A3的輸入信號， 只讀存儲(chǔ)器ROM的8位輸出經(jīng)異或調(diào)制后驅(qū)動(dòng)發(fā)射柵各組的8個(gè)電極。該電路的輸入信號 DCLK、INI、FINE、MOD及其實(shí)現(xiàn)的功能均與實(shí)施例1的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器完全相同，因此，兩者 可以互換。
表1只讀存儲(chǔ)器ROM預(yù)存數(shù)據(jù)表
權(quán)利要求
絕對位置測量容柵位移測量方法，其特征在于具有波動(dòng)性質(zhì)的傳感器驅(qū)動(dòng)信號激勵(lì)發(fā)射柵各電極，經(jīng)過發(fā)射柵與反射柵的電容耦合、反射柵和轉(zhuǎn)換柵的節(jié)距轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換柵和接收柵的電容耦合后，變換成隨時(shí)間周期變化的接收信號，并且被測位置在各波長內(nèi)的位移被轉(zhuǎn)化為接收信號時(shí)間基波的初相位，由該基波信號從負(fù)到正的過零點(diǎn)與預(yù)設(shè)的相位零點(diǎn)之間的時(shí)間差即得到被測位置在所測波長內(nèi)的位移，用加法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到該時(shí)間差，由此得到被測位置在所測波長內(nèi)的位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕對位置測量容柵位移測量方法設(shè)計(jì)的絕對位置測量容柵 位移傳感器，包括兩個(gè)可相對移動(dòng)的發(fā)射板(1)和反射板(2)以及測量電路；在發(fā)射板(1) 沿測量軸線方向布有一列周期排列的電極，為發(fā)射柵(1. 1)；在反射板(2)上沿測量軸線方 向布有一列周期排列的電極，為反射柵(2. 1)；反射板(2)上還布有與反射柵(2. 1)有序連 接的兩列周期排列的電極，為轉(zhuǎn)換柵；發(fā)射板(1)上也布有與轉(zhuǎn)換柵進(jìn)行電容耦合的兩列 周期排列的電極，為接收柵；發(fā)射柵(1. 1)的電極每N個(gè)一組，N為整數(shù)，3彡N^ 16,電極 按間距Pt/N周期排列，N個(gè)一組的發(fā)射柵(1. 1)的電極節(jié)距為Pt, Pt為細(xì)波長Wf的Nt倍， Nt為3 7的奇數(shù)；反射柵(2. 1)的電極分為2組按間距己交錯(cuò)周期排列，已=Wf ；反射板 ⑵上的轉(zhuǎn)換柵電極沿測量軸線按各自間距周期排列，2組反射柵(2. 1)的電極通過導(dǎo)線分 別與2列轉(zhuǎn)換柵電極依次相連；所述測量電路分為接口單元和測量單元兩部分；接口單元 包括定時(shí)器、按鍵接口電路、測量接口電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路及算術(shù)邏輯部件；所述測量單元 包括驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器和信號處理電路；其特征在于所述測量單元還包括振蕩器、分頻器和控制器，所述驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器(5)為產(chǎn)生具有 波動(dòng)性質(zhì)的傳感器驅(qū)動(dòng)信號的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器；所述測量單元的振蕩器輸出的主時(shí)鐘經(jīng)分 頻器接入所述驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器(5)，驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器(5)的N路輸出信號，分別與發(fā)射柵 (1.1)各組的N個(gè)電極相連；所述測量單元的信號處理電路包括模擬處理電路、過零檢測電路、同步延時(shí)電路、加法 計(jì)數(shù)器、同步捕捉電路和隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器；模擬處理電路含有信號選擇開關(guān)組(6)、差分放 大器(7)、同步解調(diào)電路和低通濾波器；所測波長接收柵的兩路輸出經(jīng)信號選擇開關(guān)組(6) 接入差分放大器(7)，差分放大后依次連接同步解調(diào)電路、低通濾波器、過零檢測電路，之后 輸入同步捕捉電路；振蕩器輸出的主時(shí)鐘還接入控制器、同步解調(diào)電路、同步捕捉電路、加法計(jì)數(shù)器；驅(qū)動(dòng) 信號發(fā)生器(5)的相位同步信號接入同步延時(shí)電路；同步延時(shí)電路的輸出與同步捕捉電路和加法計(jì)數(shù)器相連，過零檢測電路的輸出接入同 步捕捉電路，同步捕捉電路的輸出同時(shí)輸入控制器和隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器，加法計(jì)數(shù)器的輸出 作為隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)輸入；接口單元的測量接口電路連接測量單元的控制器和隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器；產(chǎn)生各種控制信號的所述控制器，其各路輸出分別連接隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器、驅(qū)動(dòng)信號發(fā) 生器(5)、信號選擇開關(guān)組(6)以及接口單元的測量接口電路，控制器的輸入端連接同步捕 捉電路的輸出端，振蕩器輸出的主時(shí)鐘連接控制器的時(shí)鐘輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的絕對位置測量容柵位移傳感器，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器(5)主要組成為扭環(huán)計(jì)數(shù)器(5. 1)、驅(qū)動(dòng)順序選擇開關(guān)(5. 2)和 異或調(diào)制器(5.3)；振蕩器的輸出經(jīng)分頻器后接入驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器(5)，作為扭環(huán)計(jì)數(shù)器(5. 1)和異或調(diào)制器(5. 3)的輸入時(shí)鐘，扭環(huán)計(jì)數(shù)器(5. 1)產(chǎn)生具有波動(dòng)性質(zhì)的N路輸出信 號，通過驅(qū)動(dòng)順序選擇開關(guān)(5. 2)輸入異或調(diào)制器(5. 3)，異或調(diào)制器(5. 3)的N路輸出連 接發(fā)射柵(1. 1)各組的N個(gè)電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的絕對位置測量容柵位移傳感器，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器(5)主要組成為地址加法計(jì)數(shù)器、只讀存儲(chǔ)器和異或調(diào)制器；振 蕩器輸出的主時(shí)鐘經(jīng)分頻器后接入地址加法計(jì)數(shù)器作為其計(jì)數(shù)時(shí)鐘，地址加法計(jì)數(shù)器的輸 出和細(xì)波長測量信號一起構(gòu)成只讀存儲(chǔ)器的讀出地址，只讀存儲(chǔ)器輸出的N位數(shù)據(jù)輸入異 或調(diào)制器，異或調(diào)制后的N路輸出連接發(fā)射柵(1. 1)各組的N個(gè)電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的絕對位置測量容柵位移傳感器，其特征在于所述發(fā)射柵、接收柵、反射柵、轉(zhuǎn)換柵的電極布局沿同心園周展開，電極節(jié)距按角度計(jì) 算，發(fā)射板(1)和反射板(2)之間的相對位移是二者以同心圓圓心為基點(diǎn)的相對轉(zhuǎn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的絕對位置測量容柵位移傳感器，其特征在于所述轉(zhuǎn)換柵和接收柵各設(shè)兩列，反射板(2)的兩列轉(zhuǎn)換柵分別稱為中波長轉(zhuǎn)換柵(2. 2)和粗波長轉(zhuǎn)換柵(2. 3)，與之對應(yīng)的發(fā)射板(1)的兩列接收柵分別稱為中波長接收柵 (1.2和粗波長接收柵(1.3)；反射板(2)上的中波長轉(zhuǎn)換柵(2.2)電極沿測量軸按間距Pm 周期排列，中波長Wm = PtPm/ (Pr-Pm)，設(shè)Wm = NmWf，Pt = NtWf，Nm為整數(shù)、Nt為3 7的奇數(shù)， 則？111 = 11乂(1+隊(duì))，與之對應(yīng)的發(fā)射板(1)上的中波長接收柵(1.2)電極分為完全相同 的2組(1. 2A、1. 2B)沿測量軸按間距NtPm交錯(cuò)周期排列，同屬一組的接收柵電極通過導(dǎo)線 相連；反射板(2)上的粗波長轉(zhuǎn)換柵(2.3)電極沿測量軸按間距P。周期排列，粗波長W。= PtPc/ (Pr-Pc)，設(shè)粗波長W。= NcWf^ Pt = NtWf, N。為整數(shù)、Nt為3 7的奇數(shù)，則粗波長轉(zhuǎn)換柵 (2.3)的電極間距P。= N。Wf/(N。+Nt)，與之對應(yīng)的發(fā)射板(1)上的粗波長接收柵(1.3)電極 也分為完全相同的兩組(1. 3A、1. 3B)按間距NtP。交錯(cuò)周期排列，同屬一組的接收柵電極通 過導(dǎo)線相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的絕對位置測量容柵位移傳感器，其特征在于所述信號選擇開關(guān)組(6)包括第1開關(guān)(S1)、第2開關(guān)(S2)、第3開關(guān)(S3)、第4開關(guān) (S4)；粗波長接收柵(1.3)的一組電極(1.3A)的輸出端和中波長接收柵(1.2)的一組電極 (1.2A)的輸出端分別連接第3開關(guān)(S3)的兩個(gè)輸入端，粗波長接收柵(1.3)的另一組電 極(1.3B)的輸出端和中波長接收柵(1.2)的另一組電極(1.2B)的輸出端分別連接第4開 關(guān)(S4)的兩個(gè)輸入端，第3開關(guān)(S3)的公共端連接差分放大器(7)的一個(gè)輸入端，第4開 關(guān)(S4)的公共端連接差分放大器(7)的另一個(gè)輸入端；第1開關(guān)(S1)連接中波長接收柵 (1. 2)的兩組電極(1. 2A、1. 2B)的輸出端，第2開關(guān)(S2)連接粗波長接收柵(1. 3)的兩組 電極(1.3AU.3B)的輸出端。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的絕對位置測量容柵位移傳感器，其特征在于所述轉(zhuǎn)換柵和接收柵各設(shè)兩列，反射板(2)的兩列轉(zhuǎn)換柵分別稱為粗波長轉(zhuǎn)換柵(2. 3)和細(xì)波長輔助轉(zhuǎn)換柵(2. 2)，與之對應(yīng)的發(fā)射板(1)的兩列接收柵分別稱為粗波長接 收柵(1.3)和細(xì)波長輔助接收柵(1.2)；反射板(2)上的細(xì)波長輔助轉(zhuǎn)換柵(2.2)電極沿 測量軸按間距已=Wf周期排列，與之對應(yīng)的發(fā)射板(1)上的細(xì)波長輔助接收柵(1.2)電極 為一完整矩形；反射板(2)上的粗波長轉(zhuǎn)換柵(2.3)電極沿測量軸按間距P。周期排列，粗 波長Wc = PtPc/ (Pr-Pc)，設(shè)粗波長Wc = NcWf，Pt = NtWf，Nc為整數(shù)、Nt為3 7的奇數(shù)，則粗波長轉(zhuǎn)換柵(2.3)電極間距P。= N。Wf/(N。+Nt)，與之對應(yīng)的發(fā)射板⑴上的粗波長接收柵 (1.3)電極也分為完全相同的兩組(1.3A、1.3B)按間距NtP。交錯(cuò)周期排列，同屬一組的接 收柵電極通過導(dǎo)線相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的絕對位置測量容柵位移傳感器運(yùn)行方法，其特 征在于接口單元按預(yù)定的測量頻率啟動(dòng)測量單元，測量單元的控制器陸續(xù)產(chǎn)生各種控制信 號，包括初始化、位移測量、存儲(chǔ)器地址及請求處理信號，其各路輸出分別送入隨機(jī)訪問存 儲(chǔ)器、驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器(5)、信號選擇開關(guān)組(6)以及接口單元的測量接口電路；驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器(5)產(chǎn)生的具有波動(dòng)性質(zhì)的傳感器驅(qū)動(dòng)信號經(jīng)過發(fā)射柵與反射柵的 電容耦合、反射柵和轉(zhuǎn)換柵的節(jié)距轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換柵和接收柵的電容耦合后被變換成隨時(shí)間周 期變化的接收信號，并且被測位置在所測波長內(nèi)的位移被轉(zhuǎn)化為接收信號時(shí)間基波的初相 位；所測波長接收柵電極輸出的兩路接收信號經(jīng)信號選擇開關(guān)組(6)輸入差分放大器 (7)，差分放大后的信號依次經(jīng)過同步解調(diào)電路、低通濾波器、過零檢測電路處理后被轉(zhuǎn)換 成方波信號，同步捕捉電路根據(jù)該方波信號和同步延時(shí)電路的輸出產(chǎn)生同步捕捉信號，在 主時(shí)鐘的非計(jì)數(shù)沿捕捉加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果并將其寫入隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器的指定單元，控 制器利用同步捕捉信號產(chǎn)生測量下一個(gè)波長內(nèi)位移所需的控制信號或請求接口單元進(jìn)行 后續(xù)處理；同步延時(shí)電路控制加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，僅當(dāng)施加有效驅(qū)動(dòng)信號預(yù)定時(shí)間之后且在驅(qū)動(dòng) 信號的預(yù)定相位，才允許加法計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，加法計(jì)數(shù)器對振蕩器輸出的主時(shí)鐘計(jì)數(shù)；測量單元依次完成被測位置在各波長內(nèi)的位移的測量后，控制器請求接口單元進(jìn)行后 續(xù)處理；接口單元從測量單元的隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器讀出各波長內(nèi)的位移值后隨即關(guān)閉測量單 元，然后根據(jù)各波長內(nèi)的位移值計(jì)算絕對位置、顯示測量結(jié)果。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的絕對位置測量容柵位移傳感器運(yùn)行方法，其特征在于主要 步驟如下該絕對位置測量容柵位移傳感器反射板(2)設(shè)有粗波長轉(zhuǎn)換柵(2. 3)和中波長轉(zhuǎn)換柵 (2. 2)，與之對應(yīng)的發(fā)射板1設(shè)有粗波長接收柵(1.3)和中波長接收柵(1.2)；采用粗、中、 細(xì)三種波長進(jìn)行絕對位置測量；I、接口單元的定時(shí)器按預(yù)定測量頻率啟動(dòng)測量單元；
11.確定被測位置在粗波長內(nèi)的位移；II -i、測量單元的控制器輸出粗波長測量信號，將信號選擇開關(guān)組(6)切至測量粗波 長內(nèi)位移所需的位置；II -ii、控制器輸出初始化信號，將測量單元的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器(5)、同步延時(shí)電路、同 步捕捉電路的時(shí)序邏輯均置為預(yù)設(shè)的初始狀態(tài)，同時(shí)指定粗波長位移在隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器中 的存儲(chǔ)單元的地址；II -iii、驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器(5)開始輸出有效的傳感器驅(qū)動(dòng)信號； II _iv、同步延時(shí)電路在施加驅(qū)動(dòng)信號預(yù)定時(shí)間后，在驅(qū)動(dòng)信號的預(yù)定相位，即預(yù)設(shè)的 相位零點(diǎn)，允許加法計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；II -V、同步捕捉電路在過零檢測信號的有效沿同步捕捉加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果并將其寫入隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器的指定單元，此即被測位置在粗波長內(nèi)的位移；III、確定中波長內(nèi)的位移；III-i、控制器輸出中波長測量信號，將信號選擇開關(guān)組(6)切至測量中波長內(nèi)位移所 需的位置；III-ii、控制器輸出初始化信號，將測量單元的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器(5)、同步延時(shí)電路、同 步捕捉電路的時(shí)序邏輯置為預(yù)設(shè)的初始狀態(tài)，同時(shí)指定中波長位移在隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器中的 存儲(chǔ)單元的地址；III-iii、驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器(5)開始輸出有效的傳感器驅(qū)動(dòng)信號；III -iv、同步延時(shí)電路允許加法計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；III-ν、同步捕捉電路捕捉加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果并將其寫入隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器的指定單 元，此即被測位置在中波長內(nèi)的位移；IV、確定細(xì)波長內(nèi)的位移；IV-i、控制器輸出細(xì)波長測量信號，將信號選擇開關(guān)組(6)切至測量細(xì)波長內(nèi)位移所 需的位置；IV-ii、控制器輸出初始化信號，將測量單元的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器(5)、同步延時(shí)電路、同 步捕捉電路的時(shí)序邏輯置為預(yù)設(shè)的初始狀態(tài)，同時(shí)指定細(xì)波長位移在隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器中的 存儲(chǔ)單元的地址；IV-iii、驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器(5)開始輸出有效的傳感器驅(qū)動(dòng)信號；IV_iv、同步延時(shí)電路允許加法計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；IV-ν、同步捕捉電路捕捉加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果并將其寫入隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器的指定單 元，此即被測位置在細(xì)波長內(nèi)的位移；V、控制器請求接口單元進(jìn)行后續(xù)處理；VI、接口單元讀出保存在測量單元隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器中的位移數(shù)據(jù)后關(guān)閉測量電路；ΥΠ、接口單元處理、顯示測量結(jié)果；所述確定粗、中、細(xì)波長內(nèi)位移的步驟II、III、IV的順序先后是任意的。
全文摘要
本發(fā)明為絕對位置測量容柵位移測量方法、傳感器及其運(yùn)行方法，本測量方法采用具有波動(dòng)性質(zhì)的驅(qū)動(dòng)信號激勵(lì)發(fā)射柵，將被測位置在各波長內(nèi)的位移轉(zhuǎn)化為時(shí)間基波的初相位，通過加法計(jì)數(shù)器得到被測位置在各波長內(nèi)的位移。本傳感器的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器輸出具有波動(dòng)性質(zhì)的信號與發(fā)射柵相連，振蕩器的主時(shí)鐘接入各電路，接收柵的輸出經(jīng)信號選擇開關(guān)、模擬處理電路接同步捕捉電路；后者接控制器、加法計(jì)數(shù)器和RAM?？刂破鬟B接各部件。本傳感器的運(yùn)行方法為接口單元啟動(dòng)測量單元，控制器協(xié)調(diào)各電路工作，依次完成粗、中、細(xì)波長內(nèi)位移的測量后，接口單元關(guān)閉測量單元、處理并顯示測量結(jié)果。本發(fā)明電路簡單、控制方便、易于實(shí)現(xiàn)、精度高。
文檔編號G01B7/02GK101949682SQ201010254159
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月14日
發(fā)明者陸取輝 申請人:桂林廣陸數(shù)字測控股份有限公司