[实用新型]绝对位置测量容栅位移传感器

说明书

(一)技术领域

本实用新型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传感器。 

(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)实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种绝对位置测量容栅位移传感器，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，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。