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/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 (0.01mm 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， 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。
( 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 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 ＝ 3Wf。
反射板上的反射栅电极分为 2 组按间距 Pr 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 Pr， 通过电 极排列和激励方法， 可得中波长 Wm ＝ PtPm/(Pr-Pm)， 设 Wm ＝ NmWf， Pt ＝ NtWf， Nm 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 Wc ＝ 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 ＝ NcWf/(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 NtPc 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 ：
由傅里叶级数理论可知， 表达式 (a) 是下列函数的基波分量 ：将表达式 (b) 的信号对空间 x 和时间 t 分别以周期 Pt/N、 T/N 采样， 可得序列 B(xm，tn) ：
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(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 ：
x ＝ R×3Pc+y0 ＝ S×3Pr-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 ：
式中 K 为比例系数， 并已假定 Pt ＝ 3Pr。
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 Pc 对变量 x 采样后的结果 ：
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：
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 ：反，
式中 ：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 ：
式中 ：WC 为粗波长， 且已假定 Pt-3Pr， C1、 C2 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 -v 类似， 中波长 ：
Ⅳ、 确定细波长内的位移 ；
发射栅节距 Pt 与反射栅节距 Pr 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 Pr 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 Pr 的发射栅， 感生的信号波长也等于反射栅节距 Pr。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 3Pr ＝ 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 ＝ 3Pr 可以感生波长等于反射栅节距 Pr 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 ：
此时在细波长两组接收电极上的感生电压 ：
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 ：
12综合 (o)、 (p)， 可得细波长差分信号 ：101949682 A CN 101949685
说明书8/19 页式中 ： 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 ＝ 3Pr 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：
式中 ： Wf 为细波长， Wf ＝ Pr， F1、 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；
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 xc、 xm、 xf， M 粗、 中、 细波长分别为 Wc、 Wm、 Wf， 各波长的细分数均为 2 ， 则被测长度 x 可表示为 ：
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 ：代入 0.01mm 分辨率时的优选参数 ： Wc-256Wf， Wm ＝ 16Wf， Wf ＝ 2.56mm， 2M ＝ 256 ： x ≈ [(16Km+Kf)×256+xf]×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。 ( 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， 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。( 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 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 ＝ 3Wf。
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 Pr 周期排列， 细波长 Wf ＝ Pr。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 ＝ NmWf/(Nm+Nt)， 当 Nm ＝ 16， Nt ＝ 3， 则 Pm ＝ 16Wf/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 Pc 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 ＝ NcWf/(Nc+Nt)， 当 NC ＝ 256， Nt ＝ 3， 则 Pc ＝ 256Wf/259 ＝ 256Pr/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 Pr 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 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 3Pc 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 Wc 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 Wc 与细波长 Wf 之比 Wc/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 Wc/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： Wc ＝ 16Wm、 Wm ＝ 16Wf。如测量分辨率为 0.01mm， 细波长 Wf ＝ 2.56mm， 则最大测量范围为 Wc ＝ 16Wm ＝ 256Wf ＝ 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 ＝ 8 256 ＝ 2 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 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 另一连接异或调制器 5.3 的第 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 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 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 Pr ＝ 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 3Pc 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 ～ QC 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 0 1 2 3 4 5 D0 1 0 0 0 0 1 D1 1 1 0 0 0 0 D2 1 1 1 0 0 0 D3 1 1 1 1 0 0 D4 0 1 1 1 1 0 D5 0 0 1 1 1 1 D6 0 0 0 1 1 1 D7 0 0 0 0 1 16 7 8 9 A B C D E F
1 1 1 0 0 0 0 1 1 11 1 0 0 1 1 1 1 0 00 1 1 1 1 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 1 1 1 10 0 0 1 1 1 1 0 0 00 0 1 1 0 0 0 0 1 11 0 0 0 0 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 0 0 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 1.2 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 1.2 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 1.2 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 ＝ 1、 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)
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(xm， tn) 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 Qn 表 示 ) 用作同步延时电路的输入时钟， 经过预定的驱动周期 NDT(ND ≥ 3， 优选 ND ＝ 4， T ＝ 2M/ fM， 2M 为细分数， fM 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 Qn 的上升沿即为预设的相位零点， 延时时间 NDT 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 ：
式中 ：WC 为粗波长， 且 Pt ＝ 3Pr。
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 2M 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 ：
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 数器的第 8 输出端另一连接第 4 异或门和扭环计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 ：式中 ： Wf 为细波长， Wf ＝ Pr， 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 xc、 xm、 xf， M 粗、 中、 细波长分别为 Wc、 Wm、 Wf， 各波长的细分数均为 2 ， 则被测长度 x 可表示为 ：
式中 ： Km、 Kf 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 Km、 Kf， 因此具有最高测量精度的被测长度 ：
代入 0.01mm 分辨率时的优选参数 ： Wc ＝ 256Wf， Wm ＝ 16Wf， Wf ＝ 2.56mm， 28 ＝ 256 ：
x ≈ [(16Km+Kf)×256+xf]×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 xc、 xf， 粗、 细波长分 M 别为 Wc、 Wf， 各波长的细分数均为 2 ， 则被测长度 x 可表示为 ：
式中 ： Kf 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 ：代入 0.01mm 分辨率时的优选参数 ： Wc ＝ 16Wf， Wf ＝ 2.56mm， 28 ＝ 256 ：
x ≈ (Kf×256+xf)×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。