绝对位置测量容栅位移测量方法、传感器及其运行方法

专利名称：绝对位置测量容栅位移测量方法、传感器及其运行方法
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。
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/S@150KHz)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. Olmm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，外围需要复杂的模/数转换、正弦波形电极等技术支持，常规的单片机应 用系统确实可满足上述软、硬件要求，但要将该系统集成(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系统的测量结 果进行二次处理，成本、体积、功耗均是一般增量式容栅系统的数倍，虽然对增量式容栅系 统的功能有所扩展，但并未能解决增量式测量的固有弱点。

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彡N彡16，一般取8，电极按间距Pt/N周期排 列，N个一组的发射栅节距为Pt，Pt为细波长Wf的Nt倍，Nt为3 7的奇数，兼顾信号合成 和波长转换要求，一般优选Nt = 3，即Pt = 3fff0反射板上的反射栅电极分为2组按间距已交错周期排列，Pr = Wf ；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Pm周期排列，中波长转换栅节距Pm小于反射栅节距Pp通过电 极排列和激励方法，可得中波长Wm = PtPffl/ (Pr-Pffl)，设Wm = NfflWf, Pt = NtWf，Nffl为整数，Nt为 3 7的奇数，则Pm = NmWf/ (Nm+Nt)，当Nm = 16，Nt = 3，则Pm = 16Wf/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NtPm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。= NcWf, Pt = NtWf，Nc为整数，Nt为3 7的奇数，则粗波长转换栅电极间距 Pc = Ncfff/(NC+Nt)，当Nc = 256，Nt = 3，则Pc。= 256Wf/259，粗波长接收栅电极也分为完全相同的两组按间距NtP。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勻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
XtE(x,t) = Em sm{2n—~2π—)(a)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) = \ 、，7(b)将表达式(b)的信号对空间χ和时间t分别以周期Pt/N、T/N采样，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为整数，且0彡m彡N_1，0彡η彡Ν-1。根据采样定理，当N彡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(xm，tn)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Pt上的驱动信号按表达式(a)变化，Pt = 3Pr,被测位 置(即发射板基准线)距反射板基准线的距离为X χ = RX3Pc+y0 = SX3Pr-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
、+ /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为比例系数，并已假定Pt = 3Pr0U” U2、U3的相位彼此相差2 π /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。对变量X采样后的结果
变化。 压
X
h
U(x,t) = Um s\n{2π~ + -- + 2π^-2π—) m T 6 3Pr ZPc
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) 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 C1 =Kt C2 = Kt
Λ+3 尽/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
故信号处理时对两路接收信号差分(C1-C2)，将(d)式代入
CfC2= 2Cm sin[(2^ U7L--妾
)]
10
= 2Cffl sin{2n- +(k)
Wc式中凡=3^(1)
K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C1 -C2 = ICn sin[(2^·γ +j-~ Jf^= 2Cm sin{2n^ +(k)式中凡=3^(1)Wc为粗波长，且已假定Pt-3Pp C1X2是粗波长的两路接收信号，Cm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 -ν类似，中波长(m)IV、确定细波长内的位移；发射栅节距Pt与反射栅节距已不同，欲使细波长Wf = Pr,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&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已的发射栅，感生的信号波长也等于反射栅节距已。C、D分别 是对B空间移位Pr/8 ( π /4空间角)、Pr/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3^ = Pt,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Pt = 3&可以感生波长等于反射栅节距&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
Ee{x,t) = Emsin{2n j-2nj)(η)
此时在细波长两组接收电极上的感生电压
-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
-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)综合(ο)、(ρ)，可得细波长差分信号巧-巧=2^sin(2;z“〒+ 士2冗^)(q)
12
式中Wf = Pr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、Pt = 3已时由粗/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+(q)
ΓWf式中Wf为细波长，Wf = Pr5F1^F2是细波长的两路接收信号，Fm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；νπ、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。、Xm、Xf， 粗、中、细波长分别为W。、Wm、Wf，各波长的细分数均为2M，则被测长度χ可表示为X Xc ^ KmWm + Xm 势 KmWm + KfWf +Xf^r( r )式中Km、Kf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
W’X^KmWm+KfWf+Xfi(S)代入0. 01謹分辨率时的优选参数W。_256Wf，Wm = 16fff, Wf = 2. 56謹，2M = 256 χ ^ [(16Km+Kf) X256+xf] Χ0· 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，易于系统集成制作 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。


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χ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，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，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。
具体实施例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Pt/8周期排列，8个一组的发射栅节距为Pt，Pt为细波长Wf的 Nt 倍，本例 Nt = 3，即 Pt = 3fff0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 ； 反射栅电极按间距已周期排列，细波长Wf =已。中波长转换栅电极2. 2按间距Pm周期排 列，中波长 Wm = PtPm/ (Pr-Pm)，设 Wm = NmW1，Pt = NtWf，Nm 为整数，Nt 为 3 7 的奇数，则 Pm =Nmfff/(Nm+Nt)，当 Nm = 16,Nt = 3，则 Pm = 16fff/19 = 16Pr/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。周期排列， 粗波长Wc = PtPc/ (Pr-Pc)，设粗波长Wc = NcWf，Pt = NtWf，Nc为整数，Nt为3 7的奇数，则 粗波长转换栅电极 2. 3 间距 Pc = Ncfff/(NC+Nt)，当 Nc = 256，Nt = 3，则 Pc = 256fff/259 = 256Pr/2590反射栅电极2. 1分为完全相同的2组2. IA和2. IB按间距Pr交错周期排列， 一组的反射栅电极2. IA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. IB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3Pm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。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
15同的位于中部的基准线。粗波长W。限定本容栅传感器的最大测量范围，细波长Wf决定容栅传感器的最高测 量精度。当要求的粗波长W。与细波长Wf之比W。/Wf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Wm减小相邻波 长的比值，即W。/Wm、Wm/Wf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。= 16Wm、Wm = 16Wf。如测量分辨率为0. Olmm, 细波长Wf = 2. 56mm，则最大测量范围为W。= 16ffm = 256fff = 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16X2X8 = 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Qe ( 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或第8输出端Q8 (仏)。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 Q1 么)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Qh (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8输出端Q8 ( Q4 )，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. 2 ；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. 2。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. 2相连。细波长辅助转换栅电 极2. 2以节距& = Wf周期排列，细波长辅助接收栅电极1.2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。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Qa Q。与控制信号FINE —起构成只读存储器ROM的4位地址Atl 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
权利要求
绝对位置测量容栅位移测量方法，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。
2.根据权利要求1所述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彡N^ 16,电极 按间距Pt/N周期排列，N个一组的发射栅(1. 1)的电极节距为Pt, Pt为细波长Wf的Nt倍， Nt为3 7的奇数；反射栅(2. 1)的电极分为2组按间距己交错周期排列，已=Wf ；反射板 ⑵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。
3.根据权利要求2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)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)；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。
4.根据权利要求2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)主要组成为地址加法计数器、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。
5.根据权利要求2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园周展开，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。
6.根据权利要求2至5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Pm 周期排列，中波长Wm = PtPm/ (Pr-Pm)，设Wm = NmWf，Pt = NtWf，Nm为整数、Nt为3 7的奇数， 则？111 = 11乂(1+队)，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NtPm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。周期排列，粗波长W。= PtPc/ (Pr-Pc)，设粗波长W。= NcWf^ Pt = NtWf, N。为整数、Nt为3 7的奇数，则粗波长转换栅 (2.3)的电极间距P。= N。Wf/(N。+Nt)，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NtP。交错周期排列，同属一组的接收栅电极通 过导线相连。
7.根据权利要求6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(1.3AU.3B)的输出端。
8.根据权利要求2至5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. 2)，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(1.2)；反射板(2)上的细波长辅助转换栅(2.2)电极沿 测量轴按间距已=Wf周期排列，与之对应的发射板(1)上的细波长辅助接收栅(1.2)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。周期排列，粗 波长Wc = PtPc/ (Pr-Pc)，设粗波长Wc = NcWf，Pt = NtWf，Nc为整数、Nt为3 7的奇数，则粗波长转换栅(2.3)电极间距P。= N。Wf/(N。+Nt)，与之对应的发射板⑴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NtP。交错周期排列，同属一组的接 收栅电极通过导线相连。
9.根据权利要求2至5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，其特征在于主要 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；
11.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-ν、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-ν、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；ΥΠ、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。
全文摘要
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。
文档编号G01B7/02GK101949682SQ201010254159
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月14日 优先权日2010年8月14日
发明者陆取辉 申请人:桂林广陆数字测控股份有限公司