CN101949682B - 绝对位置测量容栅位移测量方法、传感器及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明为绝对位置测量容栅位移测量方法、传感器及其运行方法，本测量方法采用具有波动性质的驱动信号激励发射栅，将被测位置在各波长内的位移转化为时间基波的初相位，通过加法计数器得到被测位置在各波长内的位移。本传感器的驱动信号发生器输出具有波动性质的信号与发射栅相连，振荡器的主时钟接入各电路，接收栅的输出经信号选择开关、模拟处理电路接同步捕捉电路；后者接控制器、加法计数器和RAM。控制器连接各部件。本传感器的运行方法为接口单元启动测量单元，控制器协调各电路工作，依次完成粗、中、细波长内位移的测量后，接口单元关闭测量单元、处理并显示测量结果。本发明电路简单、控制方便、易于实现、精度高。

Description

绝对位置测量容栅位移测量方法、传感器及其运行方法

(一)技术领域

本发明涉及电容式位移测量技术，具体是一种绝对位置测量容栅位移测量方法、传感器及其运行方法。

(二)背景技术

容栅位移传感器以其低成本、小体积、微功耗等特点在线性/角度位移测量领域获得了广泛的应用。从实现原理上分，目前的容栅位移传感器可分为相对位置测量(增量式)和绝对位置测量(绝对式)两大类。增量式容栅位移传感器的应用已约三十年，该类传感器需快速累加位移量，故存在测量速度限制(小于1.5m/s150KHz)和连续不间断测量(从而限制了工作电流的进一步降低)两个缺点，正被逐步淘汰。绝对式容栅位移传感器由日本三丰公司首创，其实现方法详见专利CN89106051、US5053715、CN92101246、CN93117701。该类传感器采用两个或两个以上的码道(波长)进行绝对定位，消除了对位移量的快速累加要求，工作在间歇测量状态(约8次/秒)，从而克服了增量式测量的主要缺陷。但现有的绝对式容栅位移传感器存在以下不足：

1、传感器驱动信号为静态的(与时间无关)空间分布波形，解调后的接收信号与时间无关(直流信号)，不能通过信号处理技术削弱谐波影响；

2、为减小谐波分量需采用制作难度大的正弦波形电极；

3、各波长内的位移量确定需要对两个正交的信号进行模/数转换；

4、各波长内的位移量确定需进行反正切(arctg)运算，超出一般微控制器(MCU)的实时处理能力。为减轻MCU的处理负荷，只得使用线性近似；

5、为减小线性近似误差需反复试探传感器驱动信号，以使接收信号处于零点附近；

6、为减小线性近似误差和弥补谐波分量影响需采用较小的细波长(0.01mm分辨率时1.024mm)；

7、各波长内的位移量确定彼此牵制，相互影响，快速移动时算法不收敛；

总之现有的绝对式容栅位移传感器需要以微控制器(MCU)为核心，软件依赖于低效率的试探方法，***需要复杂的模/数转换、正弦波形电极等技术支持，常规的单片机应用***确实可满足上述软、硬件要求，但要将该***集成(做成单片ASIC)安装在手持式的测量工具上，得到同时满足低成本、小体积、微功耗且能规模化生产的产品，并非易事。

专利ZL200710050658介绍了一种用于绝对位置测量的圆容栅传感器，该专利方案可用于布局空间较大的角度测量；但利用单片机对两套独立的增量式容栅***的测量结果进行二次处理，成本、体积、功耗均是一般增量式容栅***的数倍，虽然对增量式容栅***的功能有所扩展，但并未能解决增量式测量的固有弱点。

(三)发明内容

本发明的目的是公开一种绝对位置测量容栅位移测量方法，具有波动性质的传感器驱动信号经过发射栅与反射栅的电容耦合、反射栅和转换栅的节距转换、转换栅和接收栅的电容耦合后被变换成随时间周期变化的接收信号，并且被测位置在各波长内的位移被转化为接收信号时间基波的初相位，该基波信号从负到正的过零点与预设的相位零点之间的时间差即为被测位置在所测波长内的位移，用加法计数器计数得到该时间差，由此得到被测位置在所测波长内的位移。

本发明的另一目的是设计一种采用本发明绝对位置测量容栅位移测量方法的绝对位置测量容栅位移传感器及其运行方法，本容栅位移传感器有实现多波长定位的转换栅和接收栅，在具有波动性质的驱动信号激励下，将被测位置变换成正弦波的初相位，然后通过加法计数器得到被测位置在各波长内的位移。电路简单，易于集成，可实现低成本的规模化生产。

本发明设计的绝对位置测量容栅位移测量方法，是采用具有波动性质的驱动信号激励发射栅各电极，经过发射栅与反射栅的电容耦合、反射栅和转换栅的节距转换、转换栅和接收栅的电容耦合后，变换成随时间周期变化的接收信号，并且被测位置在各波长内的位移被转化为接收信号时间基波的初相位，由该基波信号从负到正的过零点与预设的相位零点之间的时间差即得到被测位置在所测波长内的位移，用加法计数器计数得到该时间差，从而得到被测位置在所测波长内的位移。

采用本发明的绝对位置测量容栅位移测量方法设计的绝对位置测量容栅位移传感器包括可相对移动的发射板和反射板以及测量电路，发射板和反射板中至少有一个能沿测量轴线移动。在发射板沿测量轴线方向布有一列周期排列的电极，为发射栅；在反射板上沿测量轴线方向布有一列周期排列的电极，为反射栅。发射板和反射板之间的相对位置变化使发射栅与反射栅之间的电容耦合随之变化。

反射板上还布有与反射栅有序连接的两列周期排列的电极，为转换栅，用于产生所需的测量波长；发射板上也布有与转换栅进行电容耦合的两列周期排列的电极，为接收栅，用于产生反映被测位置在各波长内位移的接收信号。

发射栅电极每N个一组，N为整数，3≤N≤16，一般取8，电极按间距P_t/N周期排列，N个一组的发射栅节距为P_t，P_t为细波长W_f的N_t倍，N_t为3～7的奇数，兼顾信号合成和波长转换要求，一般优选N_t＝3，即P_t＝3W_f。

反射板上的反射栅电极分为2组按间距P_r交错周期排列，P_r＝W_f；反射板上的转换栅电极沿测量轴线按各自间距周期排列，2组反射栅电极通过导线分别与2列转换栅电极依次相连。

所述发射栅、接收栅、反射栅、转换栅电极的形状为矩形、三角形、正弦波等形状，一般选择易于制作的矩形。各列电极布局均参照共同的基准线，为方便连线，基准线宜选在中部区域。

将发射栅、接收栅、反射栅、转换栅的电极布局沿同心园周展开，电极节距按角度计算，发射板和反射板之间的相对位移是二者以同心圆圆心为基点的相对转动，本发明即可应用于角位移测量。

本发明设计的绝对位置测量容栅位移传感器的测量电路分为接口单元和测量单元两部分。测量单元包括驱动信号发生器和信号处理电路。接口单元包括定时器、按键接口电路、测量接口电路、显示驱动电路及算术逻辑部件(ALU)。

所述测量单元还包括振荡器、分频器和控制器，所述驱动信号发生器是产生具有波动性质的传感器驱动信号的驱动信号发生器；所述测量单元的振荡器输出的主时钟经分频器接入该驱动信号发生器，该驱动信号发生器产生的具有波动性质的N路输出信号，分别与发射栅各组的N个电极相连；

本发明测量单元的信号处理电路包括模拟处理电路、过零检测电路、同步延时电路、加法计数器、同步捕捉电路和随机访问存储器。模拟处理电路包括信号选择开关组、差分放大器、同步解调电路和低通滤波器。所测波长接收栅的两路输出经信号选择开关组接入差分放大器，差分放大后依次连接同步解调电路、低通滤波器、过零检测电路，之后输入同步捕捉电路；

振荡器输出的主时钟还接入控制器、同步解调电路、同步捕捉电路、加法计数器；来自驱动信号发生器的相位同步信号接入同步延时电路；

同步延时电路的输出与同步捕捉电路和加法计数器相连，过零检测电路的输出接入同步捕捉电路，同步捕捉电路的输出连接控制器和随机访问存储器，加法计数器的输出作为随机访问存储器的数据输入；

接口单元的测量接口电路连接测量单元的控制器和随机访问存储器；

所述控制器产生各种控制信号，包括初始化、位移测量、存储器地址及请求处理信号，各输出分别连接随机访问存储器、驱动信号发生器、信号选择开关组以及接口单元的测量接口电路。控制器的输入端连接同步捕捉电路的输出端，其输入时钟连接振荡器输出的主时钟。

本发明测量单元的驱动信号发生器可以采用扭环计数器方案，主要组成为扭环计数器、驱动顺序选择开关和异或调制器。振荡器的输出经分频器后接入驱动信号发生器，作为扭环计数器和异或调制器的输入时钟，扭环计数器产生具有波动性质的N路输出信号，通过驱动顺序选择开关输入异或调制器，以形成粗/中波长测量和细波长测量所需的两种驱动信号施加顺序，异或调制器的N路输出连接发射栅各组的N个电极。

本发明测量单元的驱动信号发生器也可以采用只读存储器(ROM)方案，主要组成为地址加法计数器、只读存储器(ROM)和异或调制器。振荡器输出的主时钟经分频器后接入地址加法计数器作为其计数时钟，地址加法计数器的输出和细波长测量信号一起构成只读存储器的读出地址，只读存储器输出的N位数据输入异或调制器，异或调制后的N路输出连接发射栅各组的N个电极。

根据期望的最大测量范围，可选择两波长或三波长测量。采用三波长测量时，转换栅和接收栅各设两列，反射板的两列转换栅分别称为中波长转换栅和粗波长转换栅。与之对应的发射板的两列接收栅分别称为中波长接收栅和粗波长接收栅。反射板上的中波长转换栅电极沿测量轴按间距P_m周期排列，中波长转换栅节距P_m小于反射栅节距P_r，通过电极排列和激励方法，可得中波长W_m＝P_tP_m/(P_r-P_m)，设W_m＝N_mW_f，P_t＝N_tW_f，N_m为整数，N_t为3～7的奇数，则P_m＝N_m W_f/(N_m+N_t)，当N_m＝16，N_t＝3，则P_m＝16W_f/19。与之对应的发射板上的中波长接收栅电极分为完全相同的2组沿测量轴按间距N_tP_m交错周期排列，同属一组的接收栅电极通过导线相连。粗波长转换栅和粗波长接收栅的电极布局与中波长情况类似，设粗波长W_c＝N_cW_f，P_t＝N_tW_f，N_c为整数，N_t为3～7的奇数，则粗波长转换栅电极间距P_c＝N_cW_f/(N_c+N_t)，当N_c＝256，N_t＝3，则P_c＝256W_f/259，粗波长接收栅电极也分为完全相同的两组按间距N_tP_c交错周期排列，同属一组的接收栅电极通过导线相连。

采用两波长测量时，转换栅和接收栅也设2对。电极布局与三波长测量类似，只是将原来的中波长转换栅和中波长接收栅改作细波长辅助转换栅和细波长辅助接收栅。

本发明绝对位置测量容栅位移传感器的运行方法如下：

接口单元按预定的测量频率启动测量单元，具有波动性质的驱动信号经过发射栅与反射栅的电容耦合、反射栅和转换栅的节距转换、转换栅和接收栅的电容耦合后被变换成随时间周期变化的接收信号(同步解调后)，并且被测位置在各波长内的位移被转化为接收信号(同步解调后)时间基波的初相位。

各波长接收栅电极输出的两路接收信号经信号选择开关组输入差分放大器，差分放大后的信号依次经过同步解调电路、低通滤波器、过零检测电路处理后被转换成方波信号，同步捕捉电路根据该方波信号和同步延时电路的输出产生同步捕捉信号，在主时钟的非计数沿捕捉加法计数器的计数结果并将其写入随机访问存储器的指定单元，控制器利用同步捕捉信号产生测量下一个波长内位移所需的控制信号或请求接口单元进行后续处理。

同步延时电路控制加法计数器的计数，仅当施加有效驱动信号预定时间之后且在驱动信号的预定相位，即预设的相位零点，才允许加法计数器开始计数，加法计数器对振荡器输出的主时钟计数。

控制器(状态机)产生各种控制信号，包括初始化、细波长位移测量、中波长位移测量、粗波长位移测量、存储器地址及请求处理信号，用来协调测量电路的工作或请求接口单元进行后续处理。

测量单元依次完成被测位置在粗波长、中波长、细波长内位移的测量后，控制器请求接口单元进行后续处理。接口单元从测量单元的随机访问存储器读出各波长内的位移值后随即关闭测量单元，然后根据各波长内的位移值计算绝对位置、按照用户要求(通过按键输入)进行其它常规处理(如：测量单位转换、设置测量原点等)、驱动液晶显示器(LCD)显示测量结果。

本发明绝对位置测量容栅位移传感器的运行方法主要步骤如下：

本步骤针对的绝对位置测量容栅位移传感器的反射板设有粗波长转换栅和中波长转换栅，与之对应的发射板设有粗波长接收栅和中波长接收栅，采用粗、中、细三种波长进行绝对测量。

I、接口单元的定时器按预定测量频率启动测量单元；

II、确定被测位置在粗波长内的位移；

随时间t以周期T匀速扫过一个发射栅节距的传感器驱动信号(异或调制前)可表示为：

$E(x,t)=E_m\sin (2\mathrm{\π}\frac{x}{P_t}-2\mathrm{\π}\frac{t}{T})---\left(a\right)$

由傅里叶级数理论可知，表达式(a)是下列函数的基波分量：

$B(x,t)=\left\{\begin{array}{cc}1& E(x,t)>0\\ 0& E(x,t)\≤0\end{array}\right.---\left(b\right)$

将表达式(b)的信号对空间x和时间t分别以周期P_t/N、T/N采样，可得序列B(x_m，t_n)：

$B(x_m,t_n)=\left\{\begin{array}{cc}1& \sin (2\mathrm{\π}\frac{m}{N}-2\mathrm{\π}\frac{n}{N})>0\\ 0& \sin (2\mathrm{\π}\frac{m}{N}-2\mathrm{\π}\frac{n}{N})\≤0\end{array}\right.---\left(c\right)$

式中：m、n为整数，且0≤m≤N-1，0≤n≤N-1。

根据采样定理，当N≥3时，表达式(a)可由离散后的信号序列(c)再生还原，因此，将离散信号序列B(x_m，t_n)用作传感器驱动信号，经再生滤波后的响应信号完全等同于用表达式(a)驱动。

参见图9，设发射栅一个节距P_t上的驱动信号按表达式(a)变化，P_t＝3P_r，被测位置(即发射板基准线)距反射板基准线的距离为x：

x＝R×3P_c+y₀＝S×3P_r+x₀    (d)

式中R、S为整数，x₀为发射板基准线与每3个节距一组的反射栅电极组前沿的距离，y₀为发射板基准线与每3个节距一组的转换栅电极组前沿的距离。

由电容分压公式可知粗波长转换栅三个转换电极上感生的电压为：

$U_1=K\underset{-x_0}{\overset{-x_0+P_r/2}{\∫}}E(x,t)\mathrm{dx}=U_m\sin (2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\frac{5\mathrm{\π}}{6}+2\mathrm{\π}\frac{x_0}{3P_r})---\left(e\right)$

$U_2=K\underset{-x_0+P_r}{\overset{-x_0+3P_r/2}{\∫}}E(x,t)\mathrm{dx}=U_m\sin (2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\frac{5\mathrm{\π}}{6}+2\mathrm{\π}\frac{x_0}{3P_r}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})---\left(f\right)$

$U_3=K\underset{-x_0+{2P}_r}{\overset{-x_0+5P_r/2}{\∫}}E(x,t)\mathrm{dx}=U_m\sin (2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\frac{5\mathrm{\π}}{6}+2\mathrm{\π}\frac{x_0}{3P_r}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})---\left(g\right)$

式中K为比例系数，并已假定P_t＝3P_r。

U₁、U₂、U₃的相位彼此相差2π/3，与其电极的空间位置一致，故可认为是下列函数以周期P_c对变量x采样后的结果：

$U(x,t)=U_m\sin (2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\frac{5\mathrm{\π}}{6}+2\mathrm{\π}\frac{x_0}{3P_r}-2\mathrm{\π}\frac{x}{3P_c})---\left(h\right)$

因此，推导接收信号基波分量时可认为粗波长转换栅上的电压分布按表达式(h)变化。粗波长接收栅与粗波长转换栅进行电容耦合，同理可得两组接收电极上的感生电压：

$C_1=K_t\underset{y_0}{\overset{y_0+3P_c/2}{\∫}}U(x,t)\mathrm{dx}=C_m\sin \left[(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\frac{\mathrm{\π}}{3}-2\mathrm{\π}(\frac{y_0}{3P_c}-\frac{x_0}{3P_r})\right]---\left(i\right)$

$C_2=K_t\underset{y_0+3P_c/2}{\overset{y_0+3P_c}{\∫}}U(x,t)\mathrm{dx}=-C_m\sin \left[(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\frac{\mathrm{\π}}{3}-2\mathrm{\π}(\frac{y_0}{3P_c}-\frac{x_0}{3P_r})\right]---\left(j\right)$

式中K_t为比例系数。粗波长接收栅两组接收电极上的基波信号大小相等、相位相反，

故信号处理时对两路接收信号差分(C₁-C₂)，将(d)式代入：

$C_1-C_2=2C_m\sin \left[(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\frac{\mathrm{\π}}{3}-2\mathrm{\π}(\frac{x}{3P_c}-\frac{x}{3P_r})\right]$

$=2C_m\sin (2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\frac{\mathrm{\π}}{3}-2\mathrm{\π}\frac{x}{W_c})---\left(k\right)$

式中： $W_c=3\frac{P_r{P}_c}{P_r-P_c}---\left(l\right)$

为粗波长。

确定粗波长内位移的具体步骤如下：

II-i、测量单元的控制器输出粗波长测量信号，将信号选择开关组切至测量粗波长内位移所需的位置；

II-ii、控制器输出初始化信号，将测量单元的驱动信号发生器、同步延时电路、同步捕捉电路的时序逻辑均置为预定的初始状态，同时指定粗波长位移在随机访问存储器中的存储单元的地址；

II-iii、驱动信号发生器开始输出有效的传感器驱动信号；

驱动信号发生器输出的传感器驱动信号是对表达式(c)进行异或调制后的结果。

II-iv、同步延时电路在施加驱动信号预定时间后，在驱动信号的预定相位，即预设的相位零点，允许加法计数器开始计数。同步延时电路的作用一是设定测量的相位参考点，二是等待信号稳定后才开始计数。

II-v、同步捕捉电路在过零检测信号的有效沿同步捕捉加法计数器的计数结果并将其写入随机访问存储器的指定单元，此即被测位置在粗波长内的位移(带有固定偏移量)；

波动性质的驱动信号通过本发明的电极布局传递，在两组粗波长接收栅感生两路反相的接收信号，对其差分、解调、滤波后得下式(k)的基波分量：

$C_1-C_2=2C_m\sin \left[(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\frac{\mathrm{\π}}{3}-2\mathrm{\π}(\frac{x}{3P_c}-\frac{x}{3P_r})\right]$

$=2C_m\sin (2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\frac{\mathrm{\π}}{3}-2\mathrm{\π}\frac{x}{W_c})---\left(k\right)$

式中： $W_c=3\frac{P_r{P}_c}{P_r-P_c}---\left(l\right)$

W_c为粗波长，且已假定P_t＝3P_r，C₁、C₂是粗波长的两路接收信号，C_m是粗波长接收信号基波分量幅值

该信号从负到正的过零点与预设的相位零点(加法计数器开始计数的时刻)之间的时间差即为被测位置在粗波长内的位移(带有固定的偏移量)，因此在过零检测信号的有效沿同步捕捉加法计数器的计数结果即为被测位置在粗波长内的位移。

III、确定中波长内的位移；

III-i、控制器输出中波长测量信号，将信号选择开关组切至测量中波长内位移所需的位置；

III-ii、控制器输出初始化信号，将测量单元的驱动信号发生器、同步延时电路、同步捕捉电路的时序逻辑置为预设的初始状态，同时指定中波长位移在随机访问存储器中的存储单元的地址；

III-iii、驱动信号发生器开始输出有效的传感器驱动信号；

III-iv、同步延时电路允许加法计数器开始计数；

III-v、同步捕捉电路捕捉加法计数器的计数结果并将其写入随机访问存储器的指定单元，此即被测位置在中波长内的位移(带有固定偏移量)；

与步骤II-v类似，中波长：

$W_m=3\frac{P_r{P}_m}{P_r-P_m}---\left(m\right)$

IV、确定细波长内的位移；

发射栅节距P_t与反射栅节距P_r不同，欲使细波长W_f＝P_r，需要调整传感器驱动信号的施加顺序。参见图10的电极分解图，A所示为常规的三组发射栅电极，当顺序施加传感器驱动信号时，反射栅电极上将感生波长等于反射栅节距P_r的电压信号。从A所示的三组发射栅电极中每三个电极抽出一个得到电极布局如B所示，B中电极的驱动信号与A相同，数量刚好构成一组，因此，如将对应的三个反射栅电极上的信号叠加，B中的电极布局等效于一组节距等于反射栅节距P_r的发射栅，感生的信号波长也等于反射栅节距P_r。C、D分别是对B空间移位P_r/8(π/4空间角)、P_r/4(π/2空间角)的结果，因而其感生的信号波长与B相同，相位依次移位π/4。将B、C、D空间合成得E，E的发射栅电极节距已展宽为3P_r＝P_t，驱动信号与A相同，但施加顺序已变成1-4-7-2-5-8-3-6或1-6-3-8-5-2-7-4(反序)。

综上所述，由发射栅节距P_t＝3P_r可以感生波长等于反射栅节距P_r的信号。前提是：①驱动信号的施加顺序调整为1-4-7-2-5-8-3-6或1-6-3-8-5-2-7-4；②将反射栅电极上的感生信号叠加。因此，当确定被测位置在细波长内的位移时，除需调整驱动信号的施加顺序外，还需将粗波长接收栅的两组电极电气连接(合并成完整的矩形)构成细波长接收电极的一组、将中波长接收栅的两组电极电气连接构成细波长接收电极的另一组(可选)，以确保反射栅电极上的感生信号能够通过粗、中波长转换栅在接收栅上叠加。

经过以上处理后，表达式(a)按施加顺序1-4-7-2-5-8-3-6驱动传感器时的等效信号：

$E_e(x,t)=E_m\sin (2\mathrm{\π}\frac{x}{P_r}-2\mathrm{\π}\frac{t}{T})---\left(n\right)$

此时在细波长两组接收电极上的感生电压：

$F_1=-F_2=K[\underset{-x_0}{\overset{-x_0+P_r/2}{\∫}}{E}_e(x,t)\mathrm{dx}+\underset{-x_0-P_r/8}{\overset{-x_0-P_r/8+P_r/2}{\∫}}{E}_e(x,t)\mathrm{dx}+\underset{-x_0-P_r/4}{\overset{-x_0-P_r/4+P_r/2}{\∫}}{E}_e(x,t)\mathrm{dx}]$

$=F_m\sin (2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\frac{3\mathrm{\π}}{4}+2\mathrm{\π}\frac{x}{P_r})---\left(o\right)$

同理可得按施加顺序1-6-3-8-5-2-7-4驱动传感器时在细波长两组接收电极上的感生电压：

$F_1=-F_2=K[\underset{-x_0-P_r/8}{\overset{-x_0-P_r/8+P_r/2}{\∫}}{E}_e(-x,t)\mathrm{dx}+\underset{-x_0-P_r/4}{\overset{-x_0-P_r/4+P_r/2}{\∫}}{E}_e(-x,t)\mathrm{dx}+\underset{-x_0-3P_r/8}{\overset{-x_0-3P_r/8+P_r/2}{\∫}}{E}_e(-x,t)\mathrm{dx}]$

$=F_m\sin (2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\mathrm{\π}-2\mathrm{\π}\frac{x}{P_r})---\left(p\right)$

综合(o)、(p)，可得细波长差分信号：

$F_1-F_2=2F_m\sin (2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\mathrm{\α}\±2\mathrm{\π}\frac{x}{W_f})---\left(q\right)$

式中：W_f＝P_r为细波长，α为常数。

确定细波长内位移的具体步骤如下：

IV-i、控制器输出细波长测量信号，将信号选择开关组切至测量细波长内位移所需的位置；

IV-ii、控制器输出初始化信号，将测量单元的驱动信号发生器、同步延时电路、同步捕捉电路的时序逻辑置为预设的初始状态，同时指定细波长位移在随机访问存储器中的存储单元的地址；

IV-iii、驱动信号发生器开始输出有效的传感器驱动信号；为合成所需的接收信号，其施加顺序在N＝8、P_t＝3P_r时由粗/中波长测量时的1-2-3-4-5-6-7-8调整为1-6-3-8-5-2-7-4(反序)或1-4-7-2-5-8-3-6。

IV-iv、同步延时电路允许加法计数器开始计数；

IV-v、同步捕捉电路捕捉加法计数器的计数结果并将其写入随机访问存储器的指定单元，此即被测位置在细波长内的位移(带有固定偏移量)；

将粗波长的两组接收电极用开关短接作为细波长的一组接收电极，将中波长的两组接收电极用开关短接作为细波长的另一组接收电极，则调整施加顺序后的驱动信号在这两组接收电极上感生两路反相的接收信号，对其差分、解调、滤波后可得下式(q)的基波分量：

$F_1-F_2=2F_m\sin (2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\mathrm{\α}\±2\mathrm{\π}\frac{x}{W_f})---\left(q\right)$

式中：W_f为细波长，W_f＝P_r，F₁、F₂是细波长的两路接收信号，F_m是细波长接收信号基波分量幅值。

该信号从负到正的过零点与预设的相位零点(加法计数器开始计数的时刻)之间的时间差即为被测位置在细波长内的位移(带有固定偏移量)。

V、控制器请求接口单元进行后续处理；

VI、接口单元读出保存在测量单元随机访问存储器中的位移数据后关闭测量电路；

VII、接口单元处理、显示测量结果；

当被测位置在粗、中、细波长内的位移确定以后，被测位置与测量原点在粗、中、细波长内的距离随之确定。设被测位置与测量原点在粗、中、细波长内的距离分别为x_c、x_m、x_f，粗、中、细波长分别为W_c、W_m、W_f，各波长的细分数均为2^M，则被测长度x可表示为：

$x\≈x_c\frac{W_C}{2^M}\≈K_m{W}_m+x_m\frac{W_m}{2^M}\≈K_m{W}_m+K_f{W}_f+x_f\frac{W_f}{2^M}---\left(r\right)$

式中：K_m、K_f为整数，分别表示中波长和细波长的个数。

因此具有最高测量精度的被测长度：

$x\≈K_m{W}_m+K_f{W}_f+x_f\frac{W_f}{2^M}---\left(s\right)$

代入0.01mm分辨率时的优选参数：W_c＝256W_f，W_m＝16W_f，W_f＝2.56mm，2^M＝256：

x≈[(16K_m+K_f)×256+x_f]×0.01mm。

所述确定粗、中、细波长内位移的步骤II、III、IV的顺序先后是任意的。

本发明绝对位置测量容栅位移测量方法的优点为：

1、在具有波动性质的传感器驱动信号的激励下，位移信息被变换为时间基波的初相位，可通过简单的过零检测和加法计数器确定被测位置在各波长内的位移，从而不再需要模/数转换和线性近似，同时也完全摆脱了低效率的反复试探方法；控制方便、易于实现；

2、在具有波动性质的传感器驱动信号的激励下，接收信号被转换成时间的周期波形，可通过低通滤波器(二阶或二阶以上)消除谐波分量，因而无需复杂的正弦波形的接收电极，同时还可适当增大细波长长度以提高信噪比(如：0.01mm分辨率时采用2.56mm节距)。

本发明的绝对位置测量容栅位移传感器及其运行方法的优点为：

1、在扭环计数器或只读存储器产生的具有波动性质的传感器驱动信号的激励下，将位移信息变换为接收信号时间基波的初相位，通过简单的过零检测和加法计数器确定被测位置在各波长内的位移，电路简单、控制方便、易于实现；

2、通过低通滤波器(二阶或二阶以上)消除接收信号中的谐波分量，接收电极可选择易于制作的矩形，大大降低制作难度，同时也减小了测量误差，因此还可适当增大细波长长度以提高信噪比(如：0.01mm分辨率时采用2.56mm节距)；

3、由于采用间歇工作的多波长定位，克服了增量式测量的不足，功耗低且无测量速度限制；

4、各波长内的位移量确定均由硬件完成，彼此独立，既简化了处理，也消除了软件算法不收敛问题；

5、确定被测位置在粗、中、细波长内的位移共用相同的测量电路和方法，所有处理均顺序执行，无需循环反复，控制简便；

6、无需依赖复杂的微控制器(MCU)，测量电路由硬连逻辑实现，易于***集成制作专用IC(ASIC)，可规模化生产，得到低成本、小体积、微功耗的手持测量工具产品。

(四)附图说明

图1为本绝对位置测量容栅位移传感器实施例1电极布局图；

图2为本绝对位置测量容栅位移传感器实施例1测量电路示意图；

图3为图2中驱动信号发生器扭环计数器方案的电路示意图；

图4为本绝对位置测量容栅位移传感器实施例2电极布局图；

图5为本绝对位置测量容栅位移传感器实施例2测量电路示意图；

图6为图5中驱动信号发生器只读存储器方案的电路示意图；

图7为本绝对位置测量容栅位移传感器实施例3电极布局图；

图8为本绝对位置测量容栅位移传感器运行方法实施例1流程图；

图9为本绝对位置测量容栅位移传感器运行方法中被测位置x与一组发射栅电极及相应的反射栅电极、转换栅电极、接收栅电极的相对位置示意图；

图10为本绝对位置测量容栅位移传感器运行方法中细波长测量的发射栅电极分解图；

图11为本绝对位置测量容栅位移传感器运行方法各步骤的信号波形图；

图12为本绝对位置测量容栅位移传感器运行方法实施例2流程图。

图中标号为：

1、发射板，1.1、发射栅，1.2、中波长接收栅，1.3、粗波长接收栅，1.4、细波长辅助接收栅，2、反射板，2.1、反射栅，2.2中波长转换栅，2.3、粗波长转换栅，2.4、细波长辅助转换栅，3、第一分频器，4、第二分频器，5，驱动信号发生器，5.1、扭环计数器，5.2、驱动顺序选择开关，5.3、异或调制器，6、信号选择开关组，7、差分放大器。

(五)具体实施方式

绝对位置测量容栅位移测量方法实施例

具有波动性质的传感器驱动信号激励发射栅各电极，经过发射栅与反射栅的电容耦合、反射栅和转换栅的节距转换、转换栅和接收栅的电容耦合后，变换成随时间周期变化的接收信号，并且被测位置在各波长内的位移被转化为接收信号时间基波的初相位，由该基波信号从负到正的过零点与预设的相位零点之间的时间差即得到被测位置在所测波长内的位移，用加法计数器计数得到该时间差，由此得到被测位置在所测波长内的位移。

绝对位置测量容栅位移传感器实施例1

本绝对位置测量容栅位移传感器实施例1是用于线性位移测量的传感器，提供粗、中、细三种波长的测量。其电极布局如图1所示，包括两个可相对移动的部件发射板1和反射板2，发射板1和反射板2中至少有一个能沿测量轴线移动，本例发射板1可沿测量轴线移动，反射板2固定。

在发射板1沿测量轴线方向布有一列周期排列的发射栅电极1.1，还布有两列周期排列的接收栅电极，分别为中波长接收栅1.2和粗波长接收栅1.3。发射栅电极每N个一组，本例N＝8，电极按间距P_t/8周期排列，8个一组的发射栅节距为P_t，P_t为细波长W_f的N_t倍，本例N_t＝3，即P_t＝3W_f。

在反射板2上沿测量轴线方向布有一列周期排列的反射栅电极2.1，还布有两列沿测量轴周期排列的转换栅电极，分别为中波长转换栅电极2.2和粗波长转换栅电极2.3；反射栅电极按间距P_r周期排列，细波长W_f＝P_r。中波长转换栅电极2.2按间距P_m周期排列，中波长W_m＝P_tP_m/(P_r-P_m)，设W_m＝N_mW_f，P_t＝N_tW_f，N_m为整数，N_t为3～7的奇数，则P_m＝N_m W_f/(N_m+N_t)，当N_m＝16，N_t＝3，则P_m＝16W_f/19＝16P_r/19。粗波长转换栅电极2.3布局与中波长情况类似，反射板2上的粗波长转换栅2.3电极沿测量轴按间距P_c周期排列，粗波长W_c＝P_tP_c/(P_r-P_c)，设粗波长W_c＝N_cW_f，P_t＝N_tW_f，N_c为整数，N_t为3～7的奇数，则粗波长转换栅电极2.3间距P_c＝N_cW_f/(N_c+N_t)，当N_c＝256，N_t＝3，则P_c＝256W_f/259＝256P_r/259。反射栅电极2.1分为完全相同的2组2.1A和2.1B按间距P_r交错周期排列，一组的反射栅电极2.1A通过导线与中波长转换栅电极2.2依次相连，另一组的反射栅电极2.1B通过导线与粗波长转换栅电极2.3依次相连。

在发射板1的中波长接收栅电极1.2分为完全相同的2组1.2A和1.2B、沿测量轴按间距3P_m交错周期排列，同属一组的电极通过导线相连。粗波长接收栅电极1.3也分为完全相同的两组1.3A和1.3B、按间距3P_c交错周期排列，同属一组的接收栅电极通过导线相连。

所述发射栅、接收栅、发射栅、转换栅的电极的形状均为矩形，各列电极布局有共同的位于中部的基准线。

粗波长W_c限定本容栅传感器的最大测量范围，细波长W_f决定容栅传感器的最高测量精度。当要求的粗波长W_c与细波长W_f之比W_c/W_f过大，如大于32时，则由粗波长位移直接确定被测位置所包含的整数细波长时容易出错。本例的传感器借助中波长W_m减小相邻波长的比值，即W_c/W_m、W_m/W_f均小于32，可实现较大范围的绝对位置测量。本绝对位置测量容栅位移传感器相邻的波长比一般宜取16，即：W_c＝16W_m、W_m＝16W_f。如测量分辨率为0.01mm，细波长W_f＝2.56mm，则最大测量范围为W_c＝16W_m＝256W_f＝655.36mm。

驱动信号发生器5的8路输出信号分别与发射栅各组的8个电极相连，接收栅的两路输出接入信号处理电路。

本例的绝对位置测量容栅位移传感器的测量电路如图2所示，分为接口单元和测量单元两部分。测量单元包括振荡器、分频器、控制器、驱动信号发生器5和信号处理电路。接口单元包括定时器、按键接口电路、测量接口电路、液晶显示驱动电路及算术逻辑部件(ALU)。测量接口电路连接测量单元的控制器和随机访问存储器。

本例控制器为有限状态机，产生以下控制信号：初始化信号INI、细波长测量信号FINE、中波长测量信号MED、粗波长测量信号COARSE、存储器地址ADDR、请求处理信号REQ。控制器的输入端连接同步捕捉电路的输出端、接收同步捕捉电路输出的信号WRITE，其输入时钟为振荡器输出的主时钟。FINE、MED、COARSE信号接入信号选择开关组6的控制端，用于使其切换到相应波长测量所需的位置；INI连接测量单元的驱动信号发生器5、同步延时电路和同步捕捉电路，用于使其处于预设的初始状态；ADDR连接随机访问存储器RAM，用于指定各波长内位移在随机访问存储器的存放地址(ADDR也可由FINE、MED、COARSE信号兼任)；REQ连接接口单元，用于通知接口单元测量任务已经完成，请求进行后续处理。

所述测量单元的信号处理电路包括模拟处理电路、过零检测电路、同步延时电路、加法计数器、同步捕捉电路和随机访问存储器；模拟处理电路含有信号选择开关组6、差分放大器7、同步解调电路和低通滤波器；所测波长接收栅的两路输出经信号选择开关组6接入差分放大器7，差分放大后依次连接同步解调电路、低通滤波器、过零检测电路，之后输入同步捕捉电路。

如图2所示，信号选择开关组6包括第1开关S₁、第2开关S₂、第3开关S₃、第4开关S₄。粗波长接收栅1.3的一组电极1.3A的输出端和中波长接收栅1.2的一组电极1.2A的输出端分别连接第3开关S₃的两个输入端，粗波长接收栅1.3的另一组电极1.3B的输出端和中波长接收栅1.2的另一组电极1.2B的输出端分别连接第4开关S₄的两个输入端，第3开关S₃的公共端连接差分放大器7的一个输入端，第4开关S₄的公共端连接差分放大器7的另一个输入端。第1开关S₁连接中波长接收栅1.2的两组电极1.2A和1.2B的输出端，第2开关S₂连接粗波长接收栅1.3的两组电极1.3A和1.3B的输出端。

振荡器产生测量单元的主时钟，经第一分频器3将主时钟16分频后接入传感器驱动信号发生器、作为调制脉冲MOD，再经第二分频器4对调制脉冲MOD 2分频后接入驱动信号发生器5的四位扭环计数器、作为其计数时钟DCLK，因此一个波长被细分为16×2×8＝256＝2⁸份，可用8位加法计数器确定被测位置在各波长内的位移，细分数可根据需要选择，一般宜取2的幂次以方便处理。振荡器输出的主时钟还接入控制器、同步解调电路、同步捕捉电路、加法计数器；驱动信号发生器5的相位同步信号接入同步延时电路。

同步延时电路的输出与同步捕捉电路和加法计数器相连，过零检测电路的输出COUT接入同步捕捉电路，同步捕捉电路的输出同时输入控制器和随机访问存储器RAM，加法计数器的输出作为随机访问存储器RAM的数据输入。

接口单元的测量接口电路连接测量单元的控制器和随机访问存储器RAM。

本例测量单元的驱动信号发生器5如图3所示，主要组成为扭环计数器5.1、驱动顺序选择开关5.2和异或调制器5.3。本例的扭环计数器5.1为4位扭环计数器，8路异或调制器5.3包括4个异或门和4个非门。驱动信号发生器5的8路输出顺序连接发射栅1.1各组的8个电极。2个驱动顺序选择开关5.2其一连接异或调制器5.3的第2异或门和扭环计数器5.1的第2输出端Q₂或第6输出端Q₆

另一连接异或调制器5.3的第4异或门和扭环计数器5.1的第4输出端Q₄或第8输出端Q₈

进行粗波长或中波长内位移测量时，2个驱动顺序选择开关5.2其一连接异或调制器5.3的第2异或门和扭环计数器5.1的第2输出端Q₂，另一连接异或调制器5.3的第4异或门和扭环计数器5.1的第4输出端Q₄，四位扭环计数器5.1的输出Q₁～Q₄对应(c)式的m＝0～3，Q₅～Q₈(即对应(c)式的m＝4～7。驱动信号发生器5输出施加顺序为1-2-3-4-5-6-7-8的驱动信号；在确定细波长内的位移时，控制器输出的FINE＝1切换2个驱动顺序选择开关5.2的导通触点，其一连接异或调制器5.3的第2异或门和扭环计数器的第6输出端Q₆

另一连接异或调制器5.3的第4异或门和扭环计数器5.1的第8输出端Q₈

驱动信号发生器输出施加顺序为1-6-3-8-5-2-7-4的驱动信号。本例测量单元的驱动信号发生器5产生具有波动性质的8路输出信号，并形成粗/中波长测量和细波长测量所需的两种驱动信号施加顺序，驱动发射栅各组的8个电极。

绝对位置测量容栅位移传感器实施例2

本绝对位置测量容栅位移传感器实施例2也是用于线性位移测量的传感器，其电极布局如图4所示，用于两波长测量。反射板2上设一列反射栅电极2.1、一列粗波长转换栅电极2.3及一列细波长辅助转换栅电极2.4；发射板1上设一列发射栅电极1.1、一列粗波长接收栅电极1.3及一列细波长辅助接收栅电极1.4。2组反射栅2.1中的1组与粗波长转换栅电极2.3相连，另1组与细波长辅助转换栅电极2.4相连。细波长辅助转换栅电极2.4以节距P_r＝W_f周期排列，细波长辅助接收栅1.4电极为一完整矩形。粗波长接收栅电极1.3分为完全相同的两组1.3A和1.3B、按间距3P_c交错周期排列，同属一组的接收栅电极通过导线相连。其它与实施例1相同。

本例的绝对位置测量容栅位移传感器的测量电路如图5所示，分为接口单元和测量单元两部分。其接口电路与实施例1相同，本例的测量单元与实施例1相似，包括振荡器、分频器、控制器、驱动信号发生器5和信号处理电路。

其驱动信号发生器5如图6所示，该电路采用地址加法计数器和只读存储器ROM替代实施例1的扭环计数器和驱动顺序选择开关，由3位地址加法计数器、16单元的8位只读存储器ROM和异或调制器组成，只读存储器中预存的数据详见下表1。地址加法计数器的输出Q_A～Q_C与控制信号FINE一起构成只读存储器ROM的4位地址A₀～A₃的输入信号，只读存储器ROM的8位输出经异或调制后驱动发射栅各组的8个电极。该电路的输入信号DCLK、INI、FINE、MOD及其实现的功能均与实施例1的驱动信号发生器完全相同，因此，两者可以互换。

表1只读存储器ROM预存数据表

地址	D0	D1	D2	D3	D4	D5	D6	D7
									0	1	1	1	1	0	0	0	0
1	0	1	1	1	1	0	0	0
									2	0	0	1	1	1	1	0	0
3	0	0	0	1	1	1	1	0
									4	0	0	0	0	1	1	1	1
5	1	0	0	0	0	1	1	1
									6	1	1	0	0	0	0	1	1
7	1	1	1	0	0	0	0	1
									8	1	0	1	0	0	1	0	1
9	0	0	1	0	1	1	0	1
									A	0	1	1	0	1	0	0	1
B	0	1	0	0	1	0	1	1
									C	0	1	0	1	1	0	1	0
D	1	1	0	1	0	0	1	0
									E	1	0	0	1	0	1	1	0
F	1	0	1	1	0	1	0	0

本例信号处理电路如图5所示，与实施例1相似，包括模拟处理电路、过零检测电路、同步延时电路、加法计数器、同步捕捉电路和随机访问存储器。模拟处理电路包括信号选择开关组6、差分放大器7、同步解调电路和低通滤波器。本例的信号选择开关组6包括第1开关S₁和第2开关S₂，细波长辅助接收栅电极1.4的输出端和粗波长接收栅的一组电极1.3A的输出端分别连接第2开关S₂的两个输入端，第2开关S₂的公共端连接差分放大器的一个输入端，粗波长接收栅1.3的另一组电极1.3B的输出端连接差分放大器的另一个输入端。第1开关S₁连接粗波长接收栅1.3的两组电极1.3A和1.3B的输出端。

在粗波长测量时，控制器对信号选择开关组6发送控制信号COARSE＝1、FINE＝0，第1开关S₁断开，第2开关S₂与1.3A的输出端连接，即信号选择开关组6将粗波长接收栅1.3的两组电极1.3A和1.3B的输出端与差分放大器7的输入端连接；在细波长测量时，控制器对信号选择开关组6发送控制信号FINE＝1、COARSE＝0，第1开关S₁接通，第2开关S₂与1.4的输出端连接，第1开关S₁将粗波长接收栅1.3的两组电极1.3A、1.3B合并成完整的矩形，即信号选择开关组6将粗波长接收栅的两组电极1.3A、1.3B合并的输出端和细波长辅助接收栅1.4的电极的输出端接入差分放大器7的输入端，为细波长测量提供两路反相的接收信号。

绝对位置测量容栅位移传感器实施例3

本绝对位置测量容栅位移传感器实施例3是用于角度位移测量的传感器，其电极布局如图7所示，发射栅、接收栅、反射栅、转换栅的电极布局沿同心圆周展开，电极节距按其弧所对的同心圆的圆心角角度计算。其它电极布局与实施例1相同。

本例的测量电路与实施例1相同。

绝对位置测量容栅位移传感器运行方法实施例1

本例绝对位置测量容栅位移传感器的运行方法针对上述绝对位置测量容栅位移传感器实施例1，本方法流程图如图8所示，各步骤中信号的波形图如图11所示，主要步骤如下：

I、接口单元的定时器按预定测量频率启动测量单元；

II、确定粗波长内的位移

II-i、测量单元的控制器输出粗波长测量信号COARSE＝I、MED＝0、FINE＝0，将信号选择开关组6切至测量粗波长内位移所需的位置：第1、2开关S₁、S₂断开，第3开关S₃与1.3A的输出端连接，第4开关S₄与1.3B的输出端连接，即信号选择开关组将粗波长接收栅1.3的两组电极1.3A和1.3B的输出端与差分放大器的输入端连接；

II-ii、控制器输出初始化信号INI，将测量单元的驱动信号发生器、同步延时电路、同步捕捉电路的时序逻辑均置为预设的初始状态；控制器的初始化信号INI将同步延时电路的输出SDLY清零，低电平的SDLY使加法计数器一直处于清零状态，初始化信号INI还将同步捕捉电路的输出WRITE清零；同时控制器还输出ADDR信号，指定粗波长位移在随机访问存储器中的存储单元的地址；

II-iii、驱动信号发生器开始输出有效的传感器驱动信号；

本例驱动信号发生器的主要组成为扭环计数器、驱动顺序选择开关和异或调制器。

扭环计数器产生的信号如式(c)

$B(x_m,t_n)=\left\{\begin{array}{cc}1& \sin (2\mathrm{\π}\frac{m}{8}-2\mathrm{\π}\frac{n}{8})>0\\ 0& \sin (2\mathrm{\π}\frac{m}{8}-2\mathrm{\π}\frac{n}{8})\≤0\end{array}\right.---\left(c\right)$

2个驱动顺序选择开关其一连接第2异或门和扭环计数器的第2输出端Q₂，另一连接第4异或门和扭环计数器的第4输出端Q₄，对B(x_m，t_n)进行异或调制后的驱动信号发生器的输出信号的施加顺序为1-2-3-4-5-6-7-8；驱动信号发生器的输出信号G₁～G₈是本传感器的驱动信号。

波动性质的驱动信号经过发射栅与反射栅的电容耦合、反射栅和转换栅的节距转换、转换栅和接收栅的电容耦合后粗波长的接收栅电极输出的两路接收信号经过模拟处理电路的差分放大器、同步解调电路和低通滤波器的处理后被再生还原成表达式(k)(请见发明内容部分)所述的随时间周期变化的基波信号，该基波信号已将被测位置在粗波长内的位移转化成它的初相位。

II-iv、同步延时电路在施加驱动信号预定时间后，在驱动信号的预定相位，即预设的相位零点，允许加法计数器开始计数；

驱动信号发生器中扭环计数器的第4输出端Q₄(也可选其它输出端，以下用Q_n表示)用作同步延时电路的输入时钟，经过预定的驱动周期N_DT(N_D≥3，优选N_D＝4，T＝2^M/f_M，2^M为细分数，f_M为主时钟频率)后使输出SDLY有效(高电平)，从而允许加法计数器开始对主时钟计数。所选Q_n的上升沿即为预设的相位零点，延时时间N_DT用于等待信号稳定。

II-v、同步捕捉电路在过零检测信号的有效沿同步捕捉加法计数器的计数结果并将其写入随机访问存储器的指定单元，此即被测位置在粗波长内的位移(带有固定偏移量)；

过零检测电路将经过模拟处理电路处理后所得的基波信号转化为方波信号COUT，以便数字化处理。方波信号的有效沿对应基波信号从负到正的过零点，因此方波信号的有效沿与预设的相位零点之间的时间差表示被测位置在粗波长内的位移(带有固定的偏移量)，该时间差可用加法计数器测量。

具有波动性质的驱动信号通过本发明的电极布局传递，在两组粗波长接收栅感生两路反相的接收信号C₁、C₂，对其差分、解调、滤波后得式(k)的基波分量：

$C_1-C_2=2C_m\sin \left[(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\frac{\mathrm{\π}}{3}-2\mathrm{\π}(\frac{x}{3P_c}-\frac{x}{3P_r})\right]$

$=2C_m\sin (2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\frac{\mathrm{\π}}{3}-2\mathrm{\π}\frac{x}{W_c})---\left(k\right)$

式中： $W_c=3\frac{P_r{P}_c}{P_r-P_c}---\left(l\right)$

W_c为粗波长，且P_t＝3P_r。

由该信号从负到正的过零点与预设的相位零点(加法计数器开始计数的时刻)之间的时间差即得到被测位置在粗波长内的位移(带有固定的偏移量)，因此在过零检测信号的有效沿同步捕捉加法计数器的计数结果即为被测位置在粗波长内的位移(图11中的x₁、x₂，二者模2^M后相等)。

初始化信号INI将同步捕捉电路的输出WRITE清零，仅当同步延时电路的输出SDLY有效(高电平)后，过零检测电路的输出COUT的有效沿(上升沿)才能在主时钟的非计数沿(下降沿)触发有效的WRITE信号，WRITE信号的有效沿(上升沿)将加法计数器的计数结果写入随机访问存储器的指定单元，此即被测位置在粗波长内的位移(带有固定偏移量)。

当WRITE信号出现有效沿(上升沿)跳变，表示当前波长的测量已经完成，控制器据此按设定的顺序进行状态转移：本例设定的顺序为COARSE→MED→FINE→REQ，粗、中、细波长内位移测量的顺序可任意选择。

III、确定中波长内的位移

III-i、控制器输出中波长测量信号COARSE＝0、MED＝1、FINE＝0，将信号选择开关组6切至测量中波长内位移所需的位置，第1、2开关S₁、S₂断开，第3开关S₃与1.2A的输出端连接，第4开关S₄与1.2B的输出端连接，即信号选择开关组6将中波长接收栅1.2的两组电极1.2A和1.2B的输出端与差分放大器的输入端连接；

III-ii、控制器输出初始化信号INI，将测量单元的时序逻辑电路置为预设的初始状态，同时指定中波长位移在随机访问存储器中的存储单元的地址；

III-iii、驱动信号发生器开始输出有效的传感器驱动信号G₁～G₈；

III-iv、同步延时电路允许加法计数器开始计数；

III-v、同步捕捉电路捕捉加法计数器的计数结果并将其写入随机访问存储器的指定单元，此即被测位置在中波长内的位移(带有固定偏移量)；

与步骤II中第v步类似，中波长：

$W_m=3\frac{P_r{P}_m}{P_r-P_m}---\left(m\right)$

IV、确定细波长内的位移

IV-i、控制器输出细波长测量信号COARSE＝0、MED＝0、FINE＝1，将信号选择开关组6切至测量细波长内位移所需的位置，第1、2开关S₁、S₂接通，第3开关S₃与1.2A的输出端连接，第4开关S₄与1.3B的输出端连接；第1、2开关S₁、S₂分别将粗、中波长接收栅1.2、1.3的两组电极1.2A、1.2B及1.3A、1.3B合并成完整的矩形，即信号选择开关组6将粗波长接收栅1.3的两组电极1.3A、1.3B合并的输出端以及将中波长接收栅1.2的两组电极1.2A、1.2B合并的输出端接入差分放大器的输入端，为细波长测量提供两路反相的接收信号；

IV-ii、控制器输出初始化信号，将测量单元的时序逻辑电路置为预设的初始状态，同时指定细波长位移在随机访问存储器中的存储单元的地址；

IV-iii、驱动信号发生器开始输出有效的传感器驱动信号；

控制信号FINE＝1切换驱动信号发生器中的两个驱动顺序选择开关的导通触点，其一连接第2异或门和扭环计数器的第6输出端Q₆

另一连接第4异或门和扭环计数器的第8输出端Q₈

得到细波长的驱动信号施加顺序为1-6-3-8-5-2-7-4，异或调制后的8路输出G₁～G₈驱动传感器发射栅各组的8个电极。

IV-iv、同步延时电路允许加法计数器开始计数；

IV-v、同步捕捉电路捕捉加法计数器的计数结果并将其写入随机访问存储器的指定单元，此即被测位置在细波长内的位移(带有固定偏移量)；

将粗波长的两组接收电极用开关短接作为细波长的一组接收电极，将中波长的两组接收电极用开关短接作为细波长的另一组接收电极，则调整施加顺序后的驱动信号在这两组接收电极上感生两路反相的接收信号，对其差分、解调、滤波后可得下式的基波分量：

$F_1-F_2=2F_m\sin (2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+\mathrm{\α}\±2\mathrm{\π}\frac{x}{W_f})---\left(q\right)$

式中：W_f为细波长，W_f＝P_r，α为常数。

该信号从负到正的过零点与预设的相位零点(加法计数器开始计数的时刻)之间的时间差即为被测位置在细波长内的位移(带有固定偏移量)。

V、控制器请求接口单元进行后续处理；

VI、接口单元读出保存在测量单元随机访问存储器中的各波长位移数据后关闭测量电路；

VII、接口单元处理、显示测量结果；

当被测位置在粗、中、细波长内的位移确定以后，被测位置与测量原点在粗、中、细波长内的距离随之确定。设被测位置与测量原点在粗、中、细波长内的距离分别为x_c、x_m、x_f，粗、中、细波长分别为W_c、W_m、W_f，各波长的细分数均为2^M，则被测长度x可表示为：

$x\≈x_c\frac{W_C}{2^M}\≈K_m{W}_m+x_m\frac{W_m}{2^M}\≈K_m{W}_m+K_f{W}_f+x_f\frac{W_f}{2^M}---\left(r\right)$

式中：K_m、K_f为整数，分别表示中波长和细波长的个数。(r)为两个联立方程组，可唯一确定二个未知数K_m、K_f，因此具有最高测量精度的被测长度：

$x\≈K_m{W}_m+K_f{W}_f+x_f\frac{W_f}{2^M}---\left(s\right)$

代入0.01mm分辨率时的优选参数：W_c＝256W_f，W_m＝16W_f，W_f＝2.56mm，2⁸＝256：

x≈[(16K_m+K_f)×256+x_f]×0.01mm。

最后，接口单元按照用户要求通过液晶显示器(LCD)显示测量结果。

综上所述，接收栅电极输出的各波长的两路接收信号经信号选择开关组输入差分放大器，差分放大后的信号依次经过同步解调电路、低通滤波器、过零检测电路处理后被转换成方波信号，同步捕捉电路根据该方波信号和同步延时电路的输出产生同步捕捉信号，在主时钟的非计数沿捕捉加法计数器的计数结果并将其写入随机访问存储器的指定单元，控制器利用同步捕捉信号产生测量下一个波长内位移所需的控制信号或请求接口单元进行后续处理。

测量单元依次完成被测位置在粗波长、中波长、细波长内位移的测量后，控制器请求接口单元进行后续处理。接口单元从测量单元的随机访问存储器读出各波长内的位移值后随即关闭测量单元，然后根据各波长内的位移值计算绝对位置、按照用户要求(通过按键输入)进行其它常规处理(如：测量单位转换、设置测量原点等)、驱动液晶显示器(LCD)显示测量结果。

绝对位置测量容栅位移传感器运行方法实施例2

本例绝对位置测量容栅位移传感器的运行方法针对上述绝对位置测量容栅位移传感器实施例2，本方法流程图如图12所示，主要步骤如下：

I、与实施例1的步骤I相同；

II、确定粗波长内的位移

II-i、测量单元的控制器输出粗波长测量信号COARSE＝1、FINE＝0，将信号选择开关组6切至测量粗波长内位移所需的位置，开关S₁断开，开关S₂与1.3A的输出端连接；

II-ii、与实施例1的步骤II-ii相同；

II-iii、驱动信号发生器开始输出有效的传感器驱动信号；

本例驱动信号发生器的主要组成为只读存储器、3位地址加法计数器和异或调制器。

3位地址加法计数器的输出信号和控制信号FINE＝0一起作为只读存储器(ROM)的4位读出地址，只读存储器(ROM)顺序、循环地输出存储在前8个单元内的数据，只读存储器(ROM)输出的8位数据D₀至D₇经异或调制后，驱动信号发生器输出施加顺序为1-2-3-4-5-6-7-8的传感器驱动信号G₁～G₈。

II-iv、与实施例1的步骤II-iv相同；

II-v、与实施例1的步骤II-v相同；

III、确定细波长内的位移

III-i、控制器输出细波长测量信号COARSE＝0、FINE＝1，将信号选择开关组6切至测量细波长内位移所需的位置，开关S₁接通，开关S₂与1.2的输出端连接；

III-ii、与实施例1的步骤IV-ii相同；

III-iii、驱动信号发生器开始输出有效的传感器驱动信号；

3位地址加法计数器的输出信号和控制信号FINE＝1一起作为只读存储器(ROM)的4位读出地址，只读存储器(ROM)顺序、循环地输出存储在后8个单元内的数据，只读存储器(ROM)输出的8位数据D₀至D₇经异或调制后，输出施加顺序为1-6-3-8-5-2-7-4的传感器驱动信号G₁～G₈。

III-iv、与实施例1的步骤IV-iv相同；

III-v、与实施例1的步骤IV-iv相同；

IV、控制器请求接口单元进行后续处理；

V、接口单元读出保存在测量单元随机访问存储器中的位移数据后关闭测量电路；

VI、接口单元处理、显示测量结果；

当被测位置在粗、细波长内的位移确定以后，被测位置与测量原点在粗、细波长内的距离随之确定。设被测位置与测量原点在粗、细波长内的距离分别为x_c、x_f，粗、细波长分别为W_c、W_f，各波长的细分数均为2^M，则被测长度x可表示为：

$x\≈x_c\frac{W_C}{2^M}\≈K_f{W}_f+x_f\frac{W_f}{2^M}---\left(r\right)$

式中：K_f为整数，表示细波长的个数。因此具有最高测量精度的被测长度：

$x\≈K_f{W}_f+x_f\frac{W_f}{2^M}---\left(s\right)$

代入0.01mm分辨率时的优选参数：W_c＝16W_f，W_f＝2.56mm，2⁸＝256：

x≈(K_f×256+x_f)×0.01mm。

最后，接口单元按照用户要求通过液晶显示器(LCD)显示测量结果。

绝对位置测量容栅位移传感器运行方法实施例3

本例绝对位置测量容栅位移传感器的运行方法针对上述绝对位置测量容栅位移传感器实施例3，本例的运行方法与运行方法实施例1相同，只是发射板1和反射板2之间的相对位移是二者以相同的同心圆圆心为基点转动产生的。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.绝对位置测量容栅位移传感器，包括两个可相对移动的发射板（1）和反射板（2）以及测量电路；在发射板（1）沿测量轴线方向布有一列周期排列的电极，为发射栅（1.1）；在反射板（2）上沿测量轴线方向布有一列周期排列的电极，为反射栅（2.1）；反射板（2）上还布有与反射栅（2.1）有序连接的两列周期排列的电极，为转换栅；发射板（1）上也布有与转换栅进行电容耦合的两列周期排列的电极，为接收栅；发射栅（1.1）的电极每N个一组，N为整数，3≤N≤16，电极按间距P_t/N周期排列，N个一组的发射栅（1.1）的电极节距为P_t，P_t为细波长W_f的N_t倍，N_t为3～7的奇数；反射栅（2.1）的电极分为2组按间距P_r交错周期排列，P_r=W_f；反射板（2）上的转换栅电极沿测量轴线按各自间距周期排列，2组反射栅（2.1）的电极通过导线分别与2列转换栅电极依次相连；所述测量电路分为接口单元和测量单元两部分；接口单元包括定时器、按键接口电路、测量接口电路、显示驱动电路及算术逻辑部件；所述测量单元包括驱动信号发生器和信号处理电路；其特征在于：

所述测量单元还包括振荡器、分频器和控制器，所述驱动信号发生器（5）为产生具有波动性质的传感器驱动信号的驱动信号发生器；所述测量单元的振荡器输出的主时钟经分频器接入所述驱动信号发生器（5），驱动信号发生器（5）的N路输出信号，分别与发射栅（1.1）各组的N个电极相连；

所述测量单元的信号处理电路包括模拟处理电路、过零检测电路、同步延时电路、加法计数器、同步捕捉电路和随机访问存储器；模拟处理电路含有信号选择开关组（6）、差分放大器（7）、同步解调电路和低通滤波器；所测波长接收栅的两路输出经信号选择开关组（6）接入差分放大器（7），差分放大后依次连接同步解调电路、低通滤波器、过零检测电路，之后输入同步捕捉电路；

振荡器输出的主时钟还接入控制器、同步解调电路、同步捕捉电路、加法计数器；驱动信号发生器（5）的相位同步信号接入同步延时电路；

同步延时电路的输出与同步捕捉电路和加法计数器相连，过零检测电路的输出接入同步捕捉电路，同步捕捉电路的输出同时输入控制器和随机访问存储器，加法计数器的输出作为随机访问存储器的数据输入；

接口单元的测量接口电路连接测量单元的控制器和随机访问存储器；

产生各种控制信号的所述控制器，其各路输出分别连接随机访问存储器、驱动信号发生器（5）、信号选择开关组（6）以及接口单元的测量接口电路，控制器的输入端连接同步捕捉电路的输出端,振荡器输出的主时钟连接控制器的时钟输入端。

2.根据权利要求1所述的绝对位置测量容栅位移传感器，其特征在于：

所述驱动信号发生器（5）包括扭环计数器（5.1）、驱动顺序选择开关（5.2）和异或调制器（5.3）；振荡器的输出经分频器后接入驱动信号发生器（5），作为扭环计数器（5.1）和异或调制器（5.3）的输入时钟，扭环计数器（5.1）产生具有波动性质的N路输出信号，通过驱动顺序选择开关（5.2）输入异或调制器（5.3），异或调制器（5.3）的N路输出连接发射栅（1.1）各组的N个电极。

3.根据权利要求1所述的绝对位置测量容栅位移传感器，其特征在于：

所述驱动信号发生器（5）包括地址加法计数器、只读存储器和异或调制器；振荡器输出的主时钟经分频器后接入地址加法计数器作为其计数时钟，地址加法计数器的输出和细波长测量信号一起构成只读存储器的读出地址，只读存储器输出的N位数据输入异或调制器，异或调制后的N路输出连接发射栅（1.1）各组的N个电极。

4.根据权利要求1所述的绝对位置测量容栅位移传感器，其特征在于：

所述发射栅、接收栅、反射栅、转换栅的电极布局沿同心圆周展开，电极节距按角度计算，发射板（1）和反射板（2）之间的相对位移是二者以同心圆圆心为基点的相对转动。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的绝对位置测量容栅位移传感器，其特征在于：

所述转换栅和接收栅各设两列，反射板（2）的两列转换栅分别称为中波长转换栅（2.2）和粗波长转换栅（2.3），与之对应的发射板（1）的两列接收栅分别称为中波长接收栅（1.2）和粗波长接收栅（1.3）；反射板（2）上的中波长转换栅（2.2）电极沿测量轴按间距P_m周期排列，中波长W_m=P_tP_m/(P_r-P_m)，设W_m=N_mW_f，P_t=N_tW_f，N_m为整数、N_t为3～7的奇数，则P_m=N_mW_f/(N_m+N_t)，与之对应的发射板（1）上的中波长接收栅（1.2）电极分为完全相同的2组（1.2A、1.2B）沿测量轴按间距N_tP_m交错周期排列，同属一组的接收栅电极通过导线相连；反射板（2）上的粗波长转换栅（2.3）电极沿测量轴按间距P_c周期排列，粗波长W_c=P_tP_c/(P_r-P_c)，设粗波长W_c=N_cW_f，P_t=N_tW_f，N_c为整数、N_t为3～7的奇数，则粗波长转换栅(2.3)的电极间距P_c=N_cW_f/(N_c+N_t)，与之对应的发射板（1）上的粗波长接收栅（1.3）电极也分为完全相同的两组（1.3A、1.3B）按间距N_tP_c交错周期排列，同属一组的接收栅电极通过导线相连。

6.根据权利要求5所述的绝对位置测量容栅位移传感器，其特征在于：

所述信号选择开关组（6）包括第1开关（S₁）、第2开关（S₂）、第3开关（S₃）、第4开关（S₄）；粗波长接收栅（1.3）的一组电极（1.3A）的输出端和中波长接收栅（1.2）的一组电极（1.2A）的输出端分别连接第3开关（S₃）的两个输入端，粗波长接收栅（1.3）的另一组电极（1.3B）的输出端和中波长接收栅（1.2）的另一组电极（1.2B）的输出端分别连接第4开关（S₄）的两个输入端，第3开关（S₃）的公共端连接差分放大器（7）的一个输入端，第4开关（S₄）的公共端连接差分放大器（7）的另一个输入端；第1开关（S₁）连接中波长接收栅（1.2）的两组电极（1.2A、1.2B）的输出端，第2开关（S₂）连接粗波长接收栅（1.3）的两组电极（1.3A、1.3B）的输出端。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的绝对位置测量容栅位移传感器，其特征在于：

所述转换栅和接收栅各设两列，反射板（2）的两列转换栅分别称为粗波长转换栅（2.3）和细波长辅助转换栅（2.4），与之对应的发射板（1）的两列接收栅分别称为粗波长接收栅（1.3）和细波长辅助接收栅（1.4）；反射板（2）上的细波长辅助转换栅（2.4）电极沿测量轴按间距P_r=W_f周期排列，与之对应的发射板（1）上的细波长辅助接收栅（1.4）电极为一完整矩形；反射板（2）上的粗波长转换栅（2.3）电极沿测量轴按间距P_c周期排列，粗波长W_c=P_tP_c/(P_r-P_c)，设粗波长W_c=N_cW_f，P_t=N_tW_f，N_c为整数、N_t为3～7的奇数，则粗波长转换栅（2.3）电极间距P_c=N_cW_f/(N_c+N_t)，与之对应的发射板（1）上的粗波长接收栅（1.3）电极也分为完全相同的两组（1.3A、1.3B）按间距N_tP_c交错周期排列，同属一组的接收栅电极通过导线相连。

8.根据权利要求1所述的绝对位置测量容栅位移传感器的测量方法，其特征在于：

具有波动性质的传感器驱动信号激励发射栅各电极，经过发射栅与反射栅的电容耦合、反射栅和转换栅的节距转换、转换栅和接收栅的电容耦合后，变换成随时间周期变化的接收信号，并且被测位置在各波长内的位移被转化为接收信号时间基波的初相位，由该接收信号时间基波的信号从负到正的过零点与预设的相位零点之间的时间差即得到被测位置在所测波长内的位移，用加法计数器计数得到该时间差，由此得到被测位置在所测波长内的位移。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的绝对位置测量容栅位移传感器运行方法，其特征在于：

接口单元按预定的测量频率启动测量单元，测量单元的控制器陆续产生各种控制信号，包括初始化、位移测量、存储器地址及请求处理信号，其各路输出分别送入随机访问存储器、驱动信号发生器（5）、信号选择开关组（6）以及接口单元的测量接口电路；

驱动信号发生器（5）产生的具有波动性质的传感器驱动信号经过发射栅与反射栅的电容耦合、反射栅和转换栅的节距转换、转换栅和接收栅的电容耦合后被变换成随时间周期变化的接收信号，并且被测位置在所测波长内的位移被转化为接收信号时间基波的初相位；

所测波长的接收栅电极输出的两路接收信号经信号选择开关组（6）输入差分放大器（7），差分放大后的信号依次经过同步解调电路、低通滤波器、过零检测电路处理后被转换成方波信号，同步捕捉电路根据该方波信号和同步延时电路的输出产生同步捕捉信号，在主时钟的非计数沿捕捉加法计数器的计数结果并将其写入随机访问存储器的指定单元，控制器利用同步捕捉信号产生测量下一个波长内位移所需的控制信号或请求接口单元进行后续处理；

同步延时电路控制加法计数器的计数，仅当施加有效驱动信号预定时间之后且在驱动信号的预定相位，才允许加法计数器开始计数，加法计数器对振荡器输出的主时钟计数；

测量单元依次完成被测位置在各波长内的位移的测量后，控制器请求接口单元进行后续处理；接口单元从测量单元的随机访问存储器读出各波长内的位移值后随即关闭测量单元，然后根据各波长内的位移值计算绝对位置、显示测量结果。

10.根据权利要求9所述的绝对位置测量容栅位移传感器运行方法，其特征在于具体步骤如下：

该绝对位置测量容栅位移传感器反射板（2）设有粗波长转换栅（2.3）和中波长转换栅（2.2），与之对应的发射板（1）设有粗波长接收栅（1.3）和中波长接收栅（1.2）；采用粗、中、细三种波长进行绝对位置测量；

Ⅰ、接口单元的定时器按预定测量频率启动测量单元；

Ⅱ、确定被测位置在粗波长内的位移；

Ⅱ-ⅰ、测量单元的控制器输出粗波长测量信号，将信号选择开关组（6）切至测量粗波长内位移所需的位置；

Ⅱ-ⅱ、控制器输出初始化信号，将测量单元的驱动信号发生器（5）、同步延时电路、同步捕捉电路的时序逻辑均置为预设的初始状态，同时指定粗波长位移在随机访问存储器中的存储单元的地址；

Ⅱ-ⅲ、驱动信号发生器（5）开始输出有效的传感器驱动信号；

Ⅱ-ⅳ、同步延时电路在施加驱动信号预定时间后，在驱动信号的预定相位，即预设的相位零点，允许加法计数器开始计数；

Ⅱ-ⅴ、同步捕捉电路在过零检测信号的有效沿同步捕捉加法计数器的计数结果并将其写入随机访问存储器的指定单元，此即被测位置在粗波长内的位移；

Ⅲ、确定中波长内的位移；

Ⅲ-ⅰ、控制器输出中波长测量信号，将信号选择开关组（6）切至测量中波长内位移所需的位置；

Ⅲ-ⅱ、控制器输出初始化信号，将测量单元的驱动信号发生器（5）、同步延时电路、同步捕捉电路的时序逻辑置为预设的初始状态，同时指定中波长位移在随机访问存储器中的存储单元的地址；

Ⅲ-ⅲ、驱动信号发生器（5）开始输出有效的传感器驱动信号；

Ⅲ-ⅳ、同步延时电路允许加法计数器开始计数；

Ⅲ-ⅴ、同步捕捉电路捕捉加法计数器的计数结果并将其写入随机访问存储器的指定单元，此即被测位置在中波长内的位移；

Ⅳ、确定细波长内的位移；

Ⅳ-ⅰ、控制器输出细波长测量信号，将信号选择开关组（6）切至测量细波长内位移所需的位置；

Ⅳ-ⅱ、控制器输出初始化信号，将测量单元的驱动信号发生器（5）、同步延时电路、同步捕捉电路的时序逻辑置为预设的初始状态，同时指定细波长位移在随机访问存储器中的存储单元的地址；

Ⅳ-ⅲ、驱动信号发生器（5）开始输出有效的传感器驱动信号；

Ⅳ-ⅳ、同步延时电路允许加法计数器开始计数；

Ⅳ-ⅴ、同步捕捉电路捕捉加法计数器的计数结果并将其写入随机访问存储器的指定单元，此即被测位置在细波长内的位移；

Ⅴ、控制器请求接口单元进行后续处理；

Ⅵ、接口单元读出保存在测量单元随机访问存储器中的位移数据后关闭测量电路；

Ⅶ、接口单元处理、显示测量结果；

所述确定粗、中、细波长内位移的步骤Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的顺序先后是任意的。

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