CN101995208B - 一种电容式线性位移测量的装置和方法 - Google Patents

一种电容式线性位移测量的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电容式线性位移测量的装置和方法，其中，条状电极等间距并排排列在基底上，且每N个连续的条状电极构成一个空间周期，N条信号线构成第一组信号线，N为大于或等于2的整数；在绝对位移测量模式下，一个信号发生周期内所述第一组信号线中的N条信号线被依次加载激励信号；各条状电极与第一组信号线之间的连接使得绝对位移测量模式下读取单元在各位移处探测到的激励信号组合均不相同；读取单元沿着条状电极移动，输出在其覆盖的条状电极上探测到的信号组合，并提供给位移确定单元确定该信号组合对应的绝对位移量。本发明能够更加简单地实现绝对位移测量，且成本低，抗干扰能力强。

Description

一种电容式线性位移测量的装置和方法
技术领域
本发明涉及位移测量技术，特别涉及一种电容式线性位移测量的装置和方法。 
背景技术
现有电容式线性位移测量的方法可以主要分为增量位移测量和绝对位移测量。增量位移测量因其成本较低、工艺简单且测量精度较高得到了广泛的应用，但增量位移测量仅能够获得相对位移，在需要获取绝对位移时，需要在加电启动时刻获取绝对参考点，获取绝对参考点的过程往往需要移动读取单元，使其经过参考点位置并记录该位置信息，这个过程比较耗时且在某些情况下移动读取单元是不允许的。绝对位移测量无需获取参考点，直接获得绝对位移量，但工艺较复杂，测量精度较低。 
首先对增量位移测量和绝对位移测量的原理进行简单介绍。两种方式的位移测量装置都包含位移标尺单元和读取单元。 
增量位移测量中的位移标尺单元包含均匀排列的条状电极，条状电极的形状相同、尺寸相同、导电性能也相同，即必须具备同一性；条状电极的宽度相同，间隙相同，用于标识位移的刻度。按照固定的数目N为一个空间周期，将每连续的N个条状电极划分为一个空间周期，对于空间周期内的各条状电极按照固定相位差加载信号。读取单元与其覆盖到的条状电极均形成电容，能够感应到条状电极加载的信号；读取单元相对于参考点的位移会对读取单元覆盖到的条状电极的信号产生调制，从而引起感应到信号的相位发生变化。利用相对位移与读取到信号的相位对应关系，通过获取输出信号的相位值，便可以获取到相对位移信息。 
绝对位移测量则需要读取单元在每个位移处读取到的信号都不同，即要求每个刻度都具备可区分性。 
目前，增量位移测量的方法已经较为成熟和普遍，而绝对位移测量技术尚处于发展阶段，现有技术中绝对位移测量的方式主要有以下两种： 
第一种方式：利用空间复用的方式在均匀分布的电极上实现增量位移测量和绝对位移测量。在该种方式中，位移标尺单元中的一串均匀分布的电极都被切割成上下两部分，奇数电极条的切割位置满足周期正弦曲线，偶数电极条的切割位置满足周期余弦曲线。在增量位移测量时，每根电极的上下两部分加载相同信号，在切割间隙足够小的情况下，每根电极可以看作增量测量的刻度。在绝对位移测量时，每根电极的上下两个部分加载相位相反的信号，处于某位移下的读取单元感应的信号取决于读取单元覆盖到的电极的上下两部分面积之差，导致每个位移处读取单元输出的信号的相位值不同，利用绝对位移与读取单元输出信号的相位之间的对应关系，通过获取输出信号的相位值，便可以获取到绝对位移信息。 
第二种方式：位移标尺单元中包含并行的多道均匀分布的电极，读取单元在每个位置均能够覆盖多道的电极。在绝对位移测量时，每一道电极均由接正极性信号和负极性信号的电极组成，在每一个位移处保证读取单元覆盖的电极所记载的信号的极性组合是不同的，根据位移与极性组合的对应关系，通过获取读取信号输出的极性组合，便可以获取到绝对位移信息。 
但是，在上述第一种方式中，是通过获取模拟量来进行绝对位移测量的，容易受到读取单元的倾斜程度影响，读取单元的实际安装和运动不可能与位移标尺单元完全平行，绝对位移的测量值会因读取单元的倾斜程度而不同，抗干扰能力差；并且，每根电极都需要在特定位置切割，制作工艺比较复杂，成本高。在第二种方式中，由于需要包含多道的电极，电极数量较多，成本较高，将各电极连结至指定极性的信号线上的实现较复杂。 
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电容式线性位移测量的装置和方法，以便于更加简单地实现绝对位移测量，且成本低，抗干扰能力强。 
一种电容式线性位移测量的装置，该装置包括：位移标尺单元、读取单元和位移确定单元； 
所述位移标尺单元包括基底、M个相同的条状电极和第一组信号线，M为大于或等于4的整数；所述M个条状电极等间距并排排列在所述基底上，且每N个连续的条状电极构成一个空间周期，所述第一组信号线由N条信 号线构成，N为大于或等于2的整数；在绝对位移测量模式下，一个信号发生周期内所述第一组信号线中的N条信号线被依次加载激励信号；所述各条状电极与所述第一组信号线之间的连接使得绝对位移测量模式下读取单元在各位移处探测到的激励信号组合均不相同； 
所述读取单元，用于沿着所述M个条状电极移动，并在绝对位移测量模式下覆盖R个条状电极，探测其覆盖的条状电极上加载的激励信号，输出探测到的信号组合；其中，R为大于或等于N的整数； 
所述位移确定单元，用于在绝对位移测量模式下，利用预设的信号组合与位移量之间的对应关系，确定所述读取单元输出的信号组合对应的位移量。 
另外，所述位移标尺单元还包括第二组信号线，所述第二组信号线由另外N条信号线构成；在增量位移测量模式下，所述第一组信号线和第二组信号线上被加载相同波形的载波信号，且每一组信号线中各信号线加载的载波信号依次间隔相位差 
Figure G2009101623403D00031
；所述各条状电极与所述第一组和第二组信号线之间的连接使得增量位移测量模式下，在各空间周期中相同排次的条状电极上加载的激励信号相位相同； 
所述读取单元，还用于在增量位移测量模式下覆盖KN个条状电极，并输出探测到的信号，其中K为大于或等于1的整数； 
所述位移确定单元，还用于在增量位移测量模式下，利用信号相位与位移量之间的对应关系，确定所述读取单元输出的信号相位对应的位移量。 
更进一步地，该装置还包括：信号发生器，用于在绝对位移测量模式下接收到测量指令后，在一个信号发生周期内对所述第一组信号线中的N条信号线依次加载激励信号；在增量位移测量模式下接收到测量指令后，同时在所述第一组信号线和第二组信号线中加载相同波形的载波信号，且每一组信号线中各信号线加载的载波信号依次间隔相位差 
Figure G2009101623403D00032
该装置还包括：模式切换单元，用于使所述读取单元和所述位移确定单元同时切换至增量位移测量模式或者绝对位移测量模式。 
其中，所述读取单元包括：绝对测量拾取区和增量测量拾取区； 
所述绝对测量拾取区，由至少一个矩形感应区域构成，共覆盖R个条状电极，用于在绝对位移测量模式下输出探测到的信号组合；所述矩形感应区域之间存在非导电的隔离区； 
所述增量测量拾取区，包含K个具有特定形状的感应区域，每个感应区域覆盖N个条状电极，用于在增量位移测量模式下输出探测到的信号；所述特定形状在条状电极长度方向上的幅度不恒定。 
其中，所述位移确定单元包括：译码器和查表器； 
所述译码器，用于在绝对位移测量模式下将所述读取单元输出的信号组合译码为二进制的绝对码，并提供给所述查表器；在增量位移测量模式下，确定所述读取单元输出的信号的相位，并提供给所述查表器； 
所述查表器，用于根据预设设置的绝对码与位移量之间的对应关系，确定接收到的绝对码对应的位移量；根据预设的信号相位与位移量之间的对应关系，确定接收到的信号相位对应的位移量。 
具体地，所述N为4，每个空间周期内相同排次的条状电极连接到第一组信号线或第二组信号线中与该排次对应的信号线上； 
所述信号发生器在绝对位移测量模式下，在一个信号发生周期内采用分时复用的方式，对第一组信号线中的4条信号线依次加载激励信号；在增量位移测量模式下在第一组信号线和第二组信号线中同时加载载波信号，且每一组信号线中各信号线加载的载波信号依次间隔90°相位差。 
更优地，所述激励信号为脉冲信号； 
所述载波信号为：三角函数信号或方波信号。 
更优地，所述基底为柔性印刷线路板，所述条状电极和信号线利用卷到卷技术打印在所述基底上。 
一种电容式线性位移测量的方法，该方法应用于包含位移标尺单元、读取单元和位移确定单元的装置，其中，所述位移标尺单元包括：基底、M个相同的条状电极和第一组信号线，M为大于或等于4的整数；所述M个条状电极等间距并排排列在所述基底上，且每N个连续的条状电极构成一个空间周期，所述第一组信号线由N条信号线构成，N为大于或等于2的整数；在绝对位移测量模式下，一个信号发生周期内所述第一组信号线中的N条信号线被依次加载激励信号；所述各条状电极与所述第一组信号线之间的连接使得绝对位移测量模式下读取单元在各位移处探测到的激励信号组合均不相同；该方法包括： 
所述读取单元沿着所述M个条状电极移动，并输出绝对位移测量模式下在覆盖的R个条状电极上探测到的信号组合，R为大于或等于N的整数； 
所述位移确定单元在绝对位移测量模式下，利用预设的信号组合与位移量之间的对应关系，确定所述读取单元探测到的信号组合对应的位移量。 
更进一步地，所述位移标尺单元还包括第二组信号线，所述第二组信号线由另外N条信号线构成，在增量模式下所述第一组信号线和第二组信号线中同时被加载相同波形的载波信号，且每一组信号线中各信号线被加载的载波信号依次间隔相位差 
Figure G2009101623403D00051
所述各条状电极与所述第一组和第二组信号线之间的连接还使得增量位移测量模式下，在各空间周期中相同排次的条状电极上加载的信号相位相同；该方法还包括： 
所述读取单元输出增量位移测量模式下在覆盖的KN个条状电极上探测到的信号，其中K为大于或等于1的整数； 
所述位移测量单元在增量位移测量模式下，利用信号相位与位移量之间的对应关系，确定所述读取单元输出的信号相位对应的位移量。 
更优地，该方法还包括：结合所述位移确定单元在绝对位移测量模式下确定的位移量和在增量位移测量模式下确定的位移量，得到最终的位移测量值。 
由以上描述可以看出，本发明通过在一个信号周期内对各空间周期内的条状电极依次加载激励信号的方式，使得读取单元在一个信号周期内依次输出绝对位移测量模式下覆盖的R个条状电极的信号组合，通过该信号组合唯一标识读取单元的绝对位移，从而仅通过单道条状电极实现绝对位移测量，与现有技术第二种方式中的多道条状电极相比，降低了连线的复杂度以及空间占用程度，大大简化了装置结构；并且，与现有技术第一种方式相比，无需复杂的切割工艺，实现更加简单。另外，本发明在绝对位移测量方式中获取的是一个信号周期中的信号组合，事实上是一种数字式的绝对码获取方式，不敏感于读取单元的倾斜程度，相比较现有技术第一种方式，具备更强的抗干扰能力。 
附图说明
图1为本发明实施例提供的装置结构图。 
图2为本发明实施例提供的装置实例图。 
图3a为本发明实施例提供的信号发生装置产生的激励信号示意图。 
图3b为本发明实施例提供的拾取区位移示意图。 
图3c为本发明实施例提供的图3a和图3b基础上，读取单元输出到的信号波形图。 
图4为本发明实施例提供的位移标尺单元的印刷线路板示意图。 
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对发明进行详细描述。 
为了方便理解，首先对本发明所提供的装置进行描述。图1为本发明实施例提供的装置结构图，如图1所示，该装置可以包括：位移标尺单元100、读取单元110和位移确定单元120。 
其中，位移标尺单元100包括：基底101、M个相同的条状电极102、信号线103和信号发生器104，M为大于或等于4的整数。 
M个条状电极102等间距并排排列在基底101上，基底101为介电材料。各条状电极的形状、尺寸和导电性能均相同。 
将M个条状电极102中每N个连续的条状电极划分为一个空间周期，信号线103中的N条信号线构成第一组信号线。例如图中条状电极102上侧的信号线，N为大于或等于2的整数。 
信号发生器104在绝对位移测量模式下接收到测量指令后，在一个信号发生周期内对第一组信号线中的N条信号线依次加载激励信号，以用于在与第一组信号线相连的各条状电极上加载激励信号。 
读取单元110沿着并排排列的条状电极102移动，并在绝对位移测量模式下覆盖R个条状电极，能够探测到其覆盖的条状电极上加载的激励信号，输出探测到的信号组合；其中，R为大于或等于N的整数；R的值可以根据绝对位移测量量程确定。 
读取单元110中的信号组合可以编码为二进制码来表示，具体在后续描述中说明。 
在位移标尺单元100中，各条状电极与信号线的连接方式保证绝对位移测量模式下读取单元110在各位移处探测到的信号组合是不同的。 
位移确定单元120在绝对位移测量模式下，利用预设的信号组合与位移量之间的对应关系，确定读取单元110输出的信号组合对应的位移量。 
另外，本发明提供的装置除了实现上述绝对位移测量之外，还可以实现增量位移测量，此时，信号线103可以由2N条信号线构成，另外N条属于第二组信号线，例如图中条状电极102下侧的信号线。 
信号发生器104在增量位移测量模式下接收到测量指令后，同时在两组信号线中加载相同波形的载波信号，每一组中各信号线加载的载波信号依次间隔相位差 
Figure G2009101623403D00071
其中，增量位移测量模式下加载的载波信号可以是正弦信号或方波信号等。 
读取单元110同样沿着并排排列的条状电极移动，探测其覆盖的条状电极上加载的信号，且在增量位移测量模式下覆盖KN个条状电极，并输出探测到的信号，其中K为大于或等于1的整数，当K大于1时可以增强读取单元110探测到的信号强度，从而提高读取单元110的探测性能。 
为了使得该装置同时可以实现增量位移测量，各条状电极102与信号线103的连接关系，使得在增量位移测量模式下各空间周期中相同排次的条状电极上加载的信号相位相同。 
位移确定单元120在增量位移测量模式下，利用信号相位与位移量之间的对应关系，确定读取单元110输出的信号相位对应的位移量。 
另外，该装置还可以包括：模式切换单元130，用于切换读取单元110、信号发生器104和位移确定单元120的测量模式，即切换为绝对位移测量模式或增量位移测量模式。 
该模式切换单元130可以为一个单独设置的单元，也可以是设置在位移标尺单元100中以开关形式出现，在图2中以设置在位移标尺单元100中为例。 
需要说明的是，上述装置中的信号发生器104可以如图1所示设置在电容式线性位移测量装置中，也可以在该装置之外额外设置，即采用现有的信号发生器为电容式线性位移测量装置提供相应的激励或载波信号。 
为了使上述装置更加清楚，下面以N是4为例，即以4个条状电极为一个空间周期为例，在该并排排列的条状电极的个数M远远大于4以保证测量量程。图2为该实施例的装置实例图，如图2所示，在该装置中，读取单元110可以包含两个拾取区：绝对测量拾取区111和增量测量拾取区112。 
首先对绝对位移测量进行描述： 
绝对测量拾取区111，由至少一个矩形感应区域构成，共覆盖R个条状电极，用于在绝对位移测量模式下，在一个信号发生周期内依次输出探测到的信号组合。在图2中，绝对测量拾取区111中阴影部分的两个矩形为感应区域，每个拾取区可以覆盖4个条状电极，两个感应区域共可以覆盖8个条状电极，其在绝对位移测量模式下输出的信号组合为8个信号的组合，其可以测量的位移量程为(28-8)×L，L为一个条状电极的宽度与条状电极间的间距之和。具体拾取区的个数可以根据要求的位移量程进行设定。 
在绝对拾取区111中的感应区域之间存在一个隔离区，防止两个感应区域之间信号的干扰。每个感应区域可以均有一根输出线，分别将探测到的信号提供给位移确定单元120构成8位信号组合。 
读取单元110正对位移标尺单元100，且沿着并排的条状电极102移动。并排排列的条状电极102设置在基底101中央，电极宽度相等、间隙相等。更优地，电极宽度和间隙也保持相等，使每个宽度和间隙都能作为标尺刻度。8条信号线103分为两组，一组位于条状电极的上侧，另一组位于条状电极的下侧。每4根连续的条状电极构成一个空间周期，每个空间周期内相同排次的条状电极连接到上侧或者下侧与该排次对应的信号线上。以A、B、C和D分别标识一个空间周期内的条状电极，标识为A的条状电极可以连接上侧或者下侧距离条状电极最近的信号线，标识为B的条状电极可以连接上侧或者下侧距离条状电极第二近的信号线，标识为C的条状电极可以连接上侧或下侧距离条状电极第三近的信号线，标识为D的条状电极可以连接上侧或下侧距离条状电极最远的信号线。 
假设信号发生器104在绝对位移测量模式下，对上侧信号线中的信号线依次加载激励信号，本实施例中以加载脉冲信号为例，也可以是其它信号类型，则在各条状电极连接信号线时，必须保证条状电极与上侧信号线的连接方式使得读取单元110中绝对测量拾取区111在各位移处获取的8位信号组合是不同的。在具体实现时，可以首先确定8位信号组合，再按照8位信号组合连接各条状电极的信号线，然后记录信号组合与位移量的对应关系供位移确定单元120使用。 
信号发生器104在被模式切换单元130切换到绝对位移测量模式后，如果接收到测量指令，则在一个信号发生周期内采用分时复用的方式，对上 侧信号线中的4条信号线依次加载脉冲信号，如图3a所示，在一个信号发生周期内的4个时刻t1、t2、t3和t4分别产生一组脉冲信号，t1时刻的脉冲信号加载在距离条状电极最近的信号线上，t2时刻的脉冲信号加载在距离条状电极第二近的信号线上，t3时刻的脉冲信号加载在距离条状电极第三近的信号线上，t4时刻的脉冲信号加载在距离条状电极最远的信号线上，这样就会使得在t1时刻标识为A的条状电极上加载脉冲信号，t2时刻标识为B的条状电极上加载脉冲信号，t3时刻标识为C的条状电极上加载脉冲信号，t4时刻标识为D的条状电极上加载脉冲信号。 
如果读取单元110中绝对测量拾取区111的位置如图3b所示，读取单元110探测到的信号波形如图3c所示。读取单元110将探测到的信号输出给位移确定单元120中的译码器121，译码器121将接收到的信号进行译码，假设能检测到信号被译码为1，不能检测到信号被译码为0，则读取单元110在绝对位移测量模式下，一个信号发生周期内4个时刻依次探测到的信号组合被译码为8位的二进制绝对码10110101。也就是说，与上侧信号线连接的条状电极上加载脉冲信号，被译码为1，与下侧信号线连接的条状电极上加载脉冲信号(可能会有噪声)，被译码为0。 
译码器121将译码得到的绝对码发送给查表器122，查表器122按照预设的绝对码与位移量之间的对应关系表，确定该绝对码对应的位移量，该位移量即为读取单元当前的绝对位移量。 
上述绝对码是基于二进制的数字码，该数字码相比较模拟量更能抵抗外接的干扰，且编码方式更加简单和可靠，同时并没有破坏条状电极的同一性，且采用一条道的条状电极就可以实现本发明，连接简单，加工制造方便。 
另外，二进制码的位数决定了有多少绝对码可以使用，也就决定了绝对唯一的测量长度，长的测量长度往往需要大于四位的二进制码，通常情况下，米级的长度需要8比特以上的绝对码。 
可以看出，绝对位移的测量实际上是以条状电极的宽度为测量精度的，由于电极的宽度一般在毫米级，因此，绝对位移测量的精度也为毫米级，测量精度较粗。但这点可以通过增量位移测量来弥补，增量位移测量可以测量出高精度的相对位移，最终可以将通过绝对位移测量到的位移量结合增量位移测量测量到的位移量作为最终的高精度位移量。 
以上是对通过该装置进行的绝对位移测量进行的描述，下面对通过该装置进行的增量位移测量进行描述。 
当信号发生器104在模式切换单元130的指令下切换到增量位移测量模 式时，如果接收到测量指令，则同时在上侧和下侧的信号线中加载相同波形的载波信号，上侧各信号线中加载的载波信号依次间隔相位差 
Figure G2009101623403D00101
下侧各信号线中加载的载波信号依次间隔相位差 
Figure G2009101623403D00102
且使得处于各空间周期内相同排次的条状电极上加载的信号相位相同。该载波信号可以为正弦信号、余弦信号、方波信号等。 
例如，信号发生器104在上侧和下侧的信号线上依次加载间隔90°相位的正弦函数，具体可以为：在上侧和下侧距离条状电极最近的信号线上加载信号Vocos(ωt)，在上侧和下侧距离条状电极第二近的信号线上加载信号Vocos(ωt+90°)，在上侧和下侧距离条状电极第三近的信号线上加载信号Vocos(ωt+180°)，在上侧和下侧距离条状电极最远的信号线上加载信号Vocos(ωt+270°)。这样，就使得标识为A的所有条状电极上加载了信号Vocos(ωt)，标识为B的所有条状电极上加载了信号Vocos(ωt+90°)，标识为C的所有条状电极上加载了Vocos(ωt+180°)，标识为D的所有条状电极上加载了信号Vocos(ωt+270°)。 
读取单元110在模式切换单元130的指令下切换到增量位移测量模式时，使用增量测量拾取区112。该增量测量拾取区112可以包含K个具有特定形状的感应区域，K为大于或等于1的整数。其中，每个感应区域覆盖N个条状电极，即一个空间周期，在增量位移测量模式下输出探测到的信号。增量位移测量模式下输出的信号可以与绝对位移测量模式下输出的信号使用不同的输出线。 
另外，需要说明的是，由于增量测量模式下是依靠不同相对位移处输出的信号相位不同来实现的，读取单元110对条状电极上信号的感应事实上是通过电容的原理实现的，并且一个感应区域覆盖一个空间周期的条状电极，如果对于各条状电极的覆盖面积相同，则对于一个空间周期的偏移不会产生相位值的不同，因此，如果在相对于一个空间周期内产生偏移时能够产生相位值的差异，则得在每一个偏移位置覆盖各条状电极的面积产生偏差。这可以通过使用特定形状的感应区域实现，该特定形状必须在条状电极长度方向上的幅度不恒定，例如遵循一定的函数关系，诸如正弦函数、余弦函数、三角波函数等。图2中所示的增量测量拾取区112中的感应区域在条状电极长度方向上的幅度以遵循正弦函数为例。 
读取单元110在增量位移测量模式下输出的信号实际上是当前位移下 探测到的各条状电极的合成信号，且该合成信号的相位与读取单元的相对位移成线性关系，位移确定单元120在增量位移测量模式下根据该线性关系，便可以根据读取单元110输出的信号相位确定相对位移量。通常相对位移量的参考点是当前位移所在空间周期的起始点。 
这种模式下，位移确定单元120中的译码器121在绝对位移测量模式下确定读取单元110输出的信号相位，并提供给查表器122；查表器122根据预设的信号相位与位移量之间的对应关系，确定接收到的信号相位对应的位移量。 
增量测量模式是通过获取输出信号的相位来确定相对位移量的，这种方式获取的位移量的精度较高，其可以测量出小于条状电极宽度的位移，可以达到微米级别。在本发明中最终测得的位移量可以是绝对测量模式下测得的绝对位移量与增量测量模式下测得的相对位移量的结合，绝对位移测量模式测量到条状电极宽度级别，小于条状电极宽度的位移通过增量位移测量模式测量。在具体结合时，首先确定绝对位移测量模式测量到的绝对位移量所在的空间周期起始值，将该空间周期起始值加上增量位移测量模式测量到的相对值作为最终的位移测量值。 
本发明中涉及的位移标尺单元100通常以印刷线路板(PCB)的形式制造，如果在硬的基底101上制作线路，其加工技术不能一次性制作出几米长的标尺，加工长度一般不大于1米。但如果使用柔性印刷线路板(FPCB)，则可以一次性制作出长标尺。如图4所示，条状电极102和信号线103利用卷到卷技术打印在柔性基底101的正面，背面的导线105把条状电极102和信号线103通过过孔连接，这种单层双面设计方式适合采用卷到卷技术来制造，使得加工长度达到数米到数十米。 
由以上描述可以看出，本发明提供的方法和装置具备以下优点： 
1)本发明通过在一个信号周期内对各空间周期内的条状电极依次加载激励信号的方式，使得读取单元在一个信号周期内依次输出绝对位移测量模式下覆盖的R个条状电极的信号组合，通过该信号组合唯一标识读取单元的绝对位移，从而仅通过单道条状电极实现绝对位移测量，与现有技术第二种方式中的多道条状电极相比，降低了连线的复杂度以及空间占用程度，大大简化了装置结构；并且，与现有技术第一种方式相比，无需复杂的切割工艺，实现更加简单。 
2)本发明在绝对位移测量方式中获取的是一个信号周期中的信号组合，事实上是一种数字式的绝对码获取方式，不敏感于读取单元的倾斜程度，相比较现有技术第一种方式，具备更强的抗干扰能力。 
3)本发明在实现绝对位移测量之外，由于并没有破环条状电极的同一性，因此，在同一套装置中可以重构用于增量位移测量，并能够结合增量位移测量的高精度优势，大大提高绝对位移测量的测量精度。 
4)本发明仅需要单道的条状电极，且无需复杂的加工工艺，相对于现有技术中的两种方式更加节约成本。另外，本发明还可以使用卷到卷的印刷技术来制作标尺长度更长的装置。 
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。 

Claims (12)

1.一种电容式线性位移测量的装置，该装置包括：位移标尺单元、读取单元和位移确定单元；其特征在于，
所述位移标尺单元包括基底、M个相同的条状电极和第一组信号线，M为大于或等于4的整数；所述M个条状电极等间距并排排列在所述基底上，且每N个连续的条状电极构成一个空间周期，所述第一组信号线由N条信号线构成，N为大于或等于2的整数；在绝对位移测量模式下，一个信号发生周期内所述第一组信号线中的N条信号线被依次加载激励信号；所述各条状电极与所述第一组信号线之间的连接使得绝对位移测量模式下读取单元在各位移处探测到的激励信号组合均不相同；
所述读取单元，用于沿着所述M个条状电极移动，并在绝对位移测量模式下覆盖R个条状电极，探测其覆盖的条状电极上加载的激励信号，输出探测到的信号组合；其中，R为大于或等于N的整数；
所述位移确定单元，用于在绝对位移测量模式下，利用预设的信号组合与位移量之间的对应关系，确定所述读取单元输出的信号组合对应的位移量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述位移标尺单元还包括第二组信号线，所述第二组信号线由另外N条信号线构成；在增量位移测量模式下，所述第一组信号线和第二组信号线上被加载相同波形的载波信号，且每一组信号线中各信号线加载的载波信号依次间隔相位差
Figure F2009101623403C00011
；所述各条状电极与所述第一组和第二组信号线之间的连接使得增量位移测量模式下，在各空间周期中相同排次的条状电极上加载的激励信号相位相同；
所述读取单元，还用于在增量位移测量模式下覆盖KN个条状电极，并输出探测到的信号，其中K为大于或等于1的整数；
所述位移确定单元，还用于在增量位移测量模式下，利用信号相位与位移量之间的对应关系，确定所述读取单元输出的信号相位对应的位移量。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该装置还包括：信号发生器，用于在绝对位移测量模式下接收到测量指令后，在一个信号发生周期内对所述第一组信号线中的N条信号线依次加载激励信号；在增量位移测量模式下接收到测量指令后，同时在所述第一组信号线和第二组信号线中加载相同波形的载波信号，且每一组信号线中各信号线加载的载波信号依次间隔相位差
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该装置还包括：模式切换单元，用于使所述读取单元和所述位移确定单元同时切换至增量位移测量模式或者绝对位移测量模式。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述读取单元包括：绝对测量拾取区和增量测量拾取区；
所述绝对测量拾取区，由至少一个矩形感应区域构成，共覆盖R个条状电极，用于在绝对位移测量模式下输出探测到的信号组合；所述矩形感应区域之间存在非导电的隔离区；
所述增量测量拾取区，包含K个具有特定形状的感应区域，每个感应区域覆盖N个条状电极，用于在增量位移测量模式下输出探测到的信号；所述特定形状在条状电极长度方向上的幅度不恒定。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述位移确定单元包括：译码器和查表器；
所述译码器，用于在绝对位移测量模式下将所述读取单元输出的信号组合译码为二进制的绝对码，并提供给所述查表器；在增量位移测量模式下，确定所述读取单元输出的信号的相位，并提供给所述查表器；
所述查表器，用于根据预设设置的绝对码与位移量之间的对应关系，确定接收到的绝对码对应的位移量；根据预设的信号相位与位移量之间的对应关系，确定接收到的信号相位对应的位移量。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述N为4，每个空间周期内相同排次的条状电极连接到第一组信号线或第二组信号线中与该排次对应的信号线上；
所述信号发生器在绝对位移测量模式下，在一个信号发生周期内采用分时复用的方式，对第一组信号线中的4条信号线依次加载激励信号；在增量位移测量模式下在第一组信号线和第二组信号线中同时加载载波信号，且每一组信号线中各信号线加载的载波信号依次间隔90°相位差。
8.根据权利要求2至7任一权项所述的装置，其特征在于，所述激励信号为脉冲信号；
所述载波信号为：三角函数信号或方波信号。
9.根据权利要求1至7任一权项所述的装置，其特征在于，所述基底为柔性印刷线路板，所述条状电极和信号线利用卷到卷技术打印在所述基底上。
10.一种电容式线性位移测量的方法，该方法应用于包含位移标尺单元、读取单元和位移确定单元的装置，其中，所述位移标尺单元包括：基底、M个相同的条状电极和第一组信号线，M为大于或等于4的整数；所述M个条状电极等间距并排排列在所述基底上，且每N个连续的条状电极构成一个空间周期，所述第一组信号线由N条信号线构成，N为大于或等于2的整数；在绝对位移测量模式下，一个信号发生周期内所述第一组信号线中的N条信号线被依次加载激励信号；所述各条状电极与所述第一组信号线之间的连接使得绝对位移测量模式下读取单元在各位移处探测到的激励信号组合均不相同；该方法包括：
所述读取单元沿着所述M个条状电极移动，并输出绝对位移测量模式下在覆盖的R个条状电极上探测到的信号组合，R为大于或等于N的整数；
所述位移确定单元在绝对位移测量模式下，利用预设的信号组合与位移量之间的对应关系，确定所述读取单元探测到的信号组合对应的位移量。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述位移标尺单元还包括第二组信号线，所述第二组信号线由另外N条信号线构成，在增量模式下所述第一组信号线和第二组信号线中同时被加载相同波形的载波信号，且每一组信号线中各信号线被加载的载波信号依次间隔相位差
Figure F2009101623403C00031
；所述各条状电极与所述第一组和第二组信号线之间的连接还使得增量位移测量模式下，在各空间周期中相同排次的条状电极上加载的信号相位相同；该方法还包括：
所述读取单元输出增量位移测量模式下在覆盖的KN个条状电极上探测到的信号，其中K为大于或等于1的整数；
所述位移测量单元在增量位移测量模式下，利用信号相位与位移量之间的对应关系，确定所述读取单元输出的信号相位对应的位移量。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法还包括：结合所述位移确定单元在绝对位移测量模式下确定的位移量和在增量位移测量模式下确定的位移量，得到最终的位移测量值。
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