CN116481574A - 容栅传感器和绝对位置测量装置 - Google Patents

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杨广禄
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Abstract

本发明提供一种容栅传感器和一种绝对位置测量装置，所述容栅传感器包括：第一栅板，其上设置有包括多个第一耦合极的具有第一节距的第一耦合极阵列、与多个第一耦合极电连接的第一反射极、包括多个第二耦合极的具有第二节距的第二耦合极阵列、和与多个第二耦合极电连接的第二反射极，以及第二栅板，其上设置有包括多个发射极子阵列的具有标准节距的发射极阵列和布置在发射极阵列两侧并与其电隔离的第一接收极和第二接收极，发射极子阵列包括多个发射极片，所述第一耦合极和所述第二耦合极的形状相同或相似，所述第一耦合极阵列和所述第二耦合极阵列反向交错排列并在空间上与所述发射极阵列相对，所述第一节距与所述第二节距不相等。

Description

容栅传感器和绝对位置测量装置
技术领域
本发明涉及一种容栅传感器和一种绝对位置测量装置，特别是用于绝对位置测量的容栅测量装置。
背景技术
在位移测量装置中，以容栅传感器作为位移检测元件是容栅应用最广泛的一个方面。容栅传感器可以构成测长、测角、测速以及精密定位、随动跟踪等测量装置的位移测量元件，其与位移测量电路构成容栅传感器测量装置，形式有周期型和绝对型。特别地，在大位移测量范围的场合，均须采用周期型(栅式)测量装置。周期型测量装置通过比较周期(节距，也称极距或者栅距)内的信号幅值(或相位)与基准值的差获得测量数据，在一个周期内时测量数据为对应的位置值，可视为绝对型；测量超过一个周期的位移，如对各周期数据采用代数累加的方式计量检测到的位移偏差信号的值，则为增量型；如通过识别各周期编码，组合出各周期的位置数值，则为绝对型。
根据信号处理方式不同，容栅传感器又分为鉴相型和鉴幅型。目前广泛应用的鉴相型容栅传感器的工作原理均沿用美国专利US4437055(1984)所公开的技术以及类似的技术，通过采用动栅和定栅结构、并以节距为测量周期、应用了栅极平均效应和多路有源驱动技术，并辅以大规模集成电路的实现手段，以鉴相的方式获得周期内的绝对位置量，并根据多路不同相位的有源驱动信号的检测进行辨向计数，通过连续检测方式实现超过一个周期(节距)的测量。经过30多年的发展，在传感器动、定栅的加工、制造，集成电路的改进及误差的分析方面日趋完善、成熟，并由增量式位移测量发展到了绝对式位移测量。在绝对型位移传感器中，不用连续计数周期信号的运行就可得到可动部件相对于固定部件的绝对位移(位置)。
株式会社三丰公司(日本)开发了一种可以进行绝对测量的电容型测量装置(参见美国专利US4420754，后文称“754专利”)，该装置利用并排的两组电极阵列对(发射极/接收极对)，在每一阵列对中，发射电极与接收电极的间距是相同的，但在两个阵列对之间，相应的发射电极及接收电极的间距稍有不同。另外，两组电极阵列有各自的周期驱动信号和相应的独立的接收信号，绝对测量是通过测量两个接收信号的相位差实现。然而，754专利的测量装置的实用性有限，例如，由于绝对测量值的计算是以两个独立的测量为基础，两种测量中的轻微误差累积均能引起大的位置测量误差。因此，为了得到精确的绝对位置测量，相应的信号处理电路必须具有精确匹配的性能特征。此外，如果两个处理不能同时精确地进行，甚至在两次测量之间支承构件彼此相对有很小的位移也会引起位置测量的很大误差。此外，754专利的测量装置中，两对分开的电极阵列的实际要求限制了它在有小尺寸要求的手动测试工具中的应用。
株式会社三丰公司(日本)的中国专利CN89106051(后文称“051专利”)、CN931177014(后文称“014专利”)公开了一种电容型绝对位移传感器，其采用粗、中、细三电极阵列，对应于在动栅和定栅上形成的电极结构形状，具有粗节距的周期信号(粗刻度信号)、中节距的周期信号(中刻度信号)、以及细节距的周期信号(细刻度信号)三种信号输出。通过处理这些周期信号的相位信息，即可检测出可动部件的绝对位移。051专利和014专利避免了一些754专利的不足，但也引入新的问题，因为三种不同模式的信号相对于基准信号的计算处理需要同步调制控制，这是非常复杂的，大大增加了电子单元处理装置的复杂性和结构尺寸。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种容栅传感器，其包括：
第一栅板，所述第一栅板上设置有包括多个第一耦合极的具有第一节距的第一耦合极阵列、与所述多个第一耦合极电连接的第一反射极、包括多个第二耦合极的具有第二节距的第二耦合极阵列、和与所述多个第二耦合极电连接的第二反射极，以及
第二栅板，所述第二栅板上设置有包括多个发射极子阵列的具有标准节距的发射极阵列和布置在所述发射极阵列两侧并与其电隔离的第一接收极和第二接收极，所述发射极子阵列包括多个发射极片，所述第一接收极与所述第一反射极在空间上相对，所述第二接收极与所述第二反射极在空间上相对，
其中，所述第一栅板和所述第二栅板中的一个为定栅板，另一个为动栅板，所述动栅板被配置为能够相对于所述定栅板运动，
所述第一耦合极和所述第二耦合极的形状相同或相似，所述第一耦合极阵列和所述第二耦合极阵列反向交错排列并在空间上与所述发射极阵列相对，所述第一节距与所述第二节距不相等。
根据本发明的容栅传感器，优选地，所述第一反射极包括多个第一反射极片构成的阵列，所述第二反射极包括多个第二反射极片构成的阵列，所述多个第一反射极片与所述多个第一耦合极一一对应地电连接，所述多个第二反射极片与所述多个第二耦合极一一对应地电连接。
根据本发明的容栅传感器，优选地，所述第一节距为标准节距，所述第二节距在所述标准节距的基础上偏移。
根据本发明的容栅传感器，优选地，所述第一节距和所述第二节距分别在标准节距的基础上增加和减小相同的量。
根据本发明的容栅传感器，优选地，所述第一节距和所述第二节距的差不小于标准节距的1％，并且不大于标准节距的25％。
根据本发明的容栅传感器，优选地，所述第一节距和所述第二节距的差不大于标准节距的2％。
根据本发明的容栅传感器，优选地，所述第一栅板和所述第二栅板为长方形板，所述第二栅板被配置为相对于所述第一栅板平移。
根据本发明的容栅传感器，优选地，所述发射极阵列包括多个长条形发射极。
根据本发明的容栅传感器，优选地，所述第一耦合极和所述第二耦合极为三角形、正弦曲线形或梯形。
根据本发明的容栅传感器，优选地，所述第一栅板和所述第二栅板为圆形板，所述第二栅板被配置为相对于所述第一栅板旋转。
根据本发明的容栅传感器，优选地，所述发射极阵列包括多个同心的扇环形发射极。
根据本发明的容栅传感器，优选地，所述第一耦合极为第一扇环形，所述第二耦合极为第二扇环形，并且所述第一扇环形和所述第二扇环形同心。
另一方面，本发明提供了一种绝对位置测量装置，其包括根据本发明的容栅传感器，还包括：
驱动信号生成电路，用于向所述发射极提供驱动信号；
第一信号处理电路，用于接收来自所述第一接收极的信号并输出第一信号；
第二信号处理电路，用于接收来自所述第二接收极的信号并输出第二信号；以及
计算设备，用于将所述第一信号和第二信号分别转换为所述发射极阵列在一个节距内的第一位置数据和第二位置数据，并基于所述第一位置数据和所述第二位置数据确定所述动栅板相对于所述定栅板的绝对位置。
根据本发明的绝对位置测量装置，优选地，所述计算设备包括存储器，所述存储器中预存储有查找表或计算公式。
根据本发明的绝对位置测量装置，优选地，在生产过程中通过对所述第一耦合极和所述第二耦合极的各节距内的位置进行分段实测获得所述查找表。
根据本发明的绝对位置测量装置，优选地，所述计算公式为差值样条曲线近似公式，其基于生产过程中两路传感器在所述第一耦合极和所述第二耦合极的各节距内各位置点的位置数据获得。
根据本发明的绝对位置测量装置，优选地，还包括处理器，其被配置为基于所述第一位置数据、所述第二位置数据、以及所述查找表或计算公式获得节距编码数，通过如下公式计算绝对位置数据Ln：
Ln＝An+Nn×M，
其中，An为第一位置数据，Nn为节距编码数，M表示一个节距的绝对位移数据。
根据本发明的绝对位置测量装置，优选地，所述处理器进一步被配置为将所述绝对位置数据转换为绝对位置值。
根据本发明的绝对位置测量装置，优选地，所述处理器进一步被配置为对所述绝对位置值进行修正。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)在继承30多年鉴相型容栅技术的基础上，发挥鉴相式增量容栅测量装置具有较好抗干扰能力，及成熟动栅和定栅结构、生产技术优势，增强技术的易实施性，成本低。
2)由于采用同一发射极驱动，两路交错电极耦合方式的传感器结构，避免了两路独立测量，相应的信号处理电路无法精确匹配及分开的电极布局无法小型化的不足。
3)通过改进耦合极板形状，实现两路相同或相似形状的耦合极板在测量方向变距错位排列，在物理层面按耦合极板所处的位置对不同的节距进行编码区分；再通过单片机根据测量到的两路位置值与在各节距位置理论(设定)对应值进行比较即可识别出节距编码，根据节距编码和当前节距内位置值的组合实现多节距绝对测量。由于两路耦合极片形状相同或相似，用同一驱动处理方式，加上单片机软件判断识别节距编码，可有效避免采用粗、中、细三电极阵列式的绝对型容栅传感器专利需要同步调制控制三种不同模式的信号相对于基准信号的复杂计算处理的不足，降低产品开发难度，提高产品的合格率。
4)基于两路耦合极形状相同或相似，偏移方向相反的技术特点，将两路节距位置当量变化的数据进行代数分析处理，用于对节距内位置数据进行修正，并消除在高分采样中偶尔出现的大数等异常数据影响，提高测量精度。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明第一实施例的容栅传感器绝对位置测量装置的结构示意图；
图2为根据本发明第一实施例的动栅板的俯视图；
图3为根据本发明第一实施例的定栅板的俯视图；
图4为根据本发明第一实施例的容栅传感器绝对位置测量装置的芯片30结构框图；
图5为根据本发明第一实施例的容栅传感器绝对位置测量装置的单片机的结构框图；
图6为根据本发明第一实施例的单片机的工作流程图；
图7为根据本发明实施例的由CLK512信号与ADSO信号映射成的受ADSO信号调制的等效脉宽调制方波的示意图；
图8为根据本发明另一实施例的容栅传感器绝对位置测量装置的结构示意图；
图9为根据本发明第一实施例的单片机的进一步的工作流程图；
图10和图11示出根据本发明第二实施例的容栅传感器的两种定栅板的俯视图；
图12为根据本发明第三实施例的圆形容栅传感器的定栅板和动栅板的俯视图；
图13为图12所示的动栅板的一部分的放大视图；以及
图14为图12所示的定栅板的一部分的放大视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
参见图1所示的根据本发明第一实施例的容栅传感器绝对位置测量装置的结构示意图，其包括动栅板(也称“动极板”或“动板”)100和定栅板(也称“定极板”或“定板”)200构成的容栅传感器和信号处理芯片(ASIC)30，动栅板100能够沿其长度方向(例如图中箭头F所指的方向)在动栅板100所处的平面内相对于定栅板200平行移动，定栅板200作为标尺。信号处理芯片30可以设置在动栅板100上，也可以设置在动栅板100之外。在一种示例性实现方式中，动栅板100设置在滑轨上，定栅板200设置在固定基座上。结合图2所示的该第一实施例的动栅板100的俯视图，动栅板100上设置有发射极103和布置在发射极103两侧并与其电隔离的两个接收极101和102，发射极的103的节距为L，称为标准节距。发射极103接收来自芯片30的多路驱动信号，该多路驱动信号例如为8路驱动信号。本发明的实施例以8路驱动信号为例进行说明，但本领域技术人员能够理解，驱动信号的数量并不限于此。对于图2所示的发射极103，其一个标准节距L内包括8个彼此间隔开的发射极片。结合图3所示的根据该第一实施例的定栅板200的俯视图，定栅板200上设置有两路交错排列的耦合极203和204，耦合极203和204分别电连接至各自的反射极201和202，可替代地，反射极201和202为单个的长条形电极。由于两路耦合极交错排列，所以能够分别与发射极103构成电容，即两路耦合极共用发射极103。当动栅板100以水平方向定位并相对于定栅板200移动时，在垂直于水平方向的竖向方向上，耦合极203和204始终被发射极103覆盖，反射极201始终被接收极101覆盖，并且反射极202始终被接收极102覆盖，从而当ASIC 30将驱动信号提供给发射极103时，能够在耦合极203和204上产生耦合信号。通过相应的反射极201和202，该耦合信号进而在接收极101和102分别产生进一步的耦合信号，从而将来自发射极103的驱动信号分别经由耦合极203和204、反射极201和202反射给接收极101和102。芯片30分别从接收极101和102接收第一信号和第二信号进行信号处理。
在本发明的实施例中，两路耦合极各自的节距不同，因此，芯片所接收的第一信号和第二信号也不同，这些信号均反映了动栅板相对于定栅板的位置关系。基于这两个信号的比较，就可以确定动栅板相对于定栅板的绝对位置。在物理层面按耦合极所处的位置对不同的节距进行编码区分，对于不同编码的节距，两路耦合极的相对位置偏差量也不同，在电学上每个节距的电耦合具有相对固定的耦合电相位差。因此，基于对第一信号和第二信号的分析，就能够获知所在的节距编码数。
例如，继续参见图3，在该第一实施例中，耦合极203和204为三角形，其中耦合极203之间的节距为L1，耦合极204之间的节距为L2，L1≠L2，P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8…等(图1中未标注P0、P1、P2、P3)为不同节距位置两路耦合极相对位置偏差量。
在该实施例的一种实现方式中，L1＝L+2Δ，L2＝L，2Δ为耦合极203的节距相比标准节距的偏差。特别地，为了减小耦合极203偏差过大带来的线性误差影响，在该实施例的另一实现方式中，L1＝L+Δ，L2＝L-Δ，采取两路反向等偏差排列，即一路按相比标准节距L以+Δ偏差等距排列，另一路按相比标准节距L以-Δ偏差等距排列的两路耦合极，在共同的标准节距发射极耦合下，可获得相对稳定的均匀的节距识别数据，并通过简单计算即能识别出节距编码。
在本发明的实施例中，考虑两路耦合极之间的干涉，两路耦合极的节距偏差不能太大，优选地不能超过标准节距的大约25％，更优选地不超过标准节距的大约2％；再考虑识别度，两路耦合极的节距偏差也不能太小，优选地不小于标准节距的大约1％。例如，如果一个标准节距对应512个计数脉冲，即512cp，那么两路耦合极的节距差优选地在5cp～128cp之间，更优选地在5cp～10cp之间。当然，在传感器加工精度比较高时(含栅极形状的优化、修正)不受上述限制。
在本发明的实施例中，发射极103、耦合极203、反射极201和接收极101构成第一容栅传感器，发射极103、耦合极204、反射极202和接收极102构成第二容栅传感器，第一容栅传感器和第二容栅传感器是两个具有共同发射极的增量型容栅传感器，因此可采用现有的鉴相型容栅传感器信号处理技术分别对两路测量进行处理。
图4和图5分别示出根据本发明的一个实施例的容栅传感器测量装置的ASIC芯片30和单片机40的结构框图。ASIC芯片30集成有晶振电路21，时钟分频电路22，多路驱动及模拟开关信号生成电路23(下文以8路驱动及模拟开关信号生成电路为例展开描述。需要注意的是，在本实施例中，8路驱动信号用于驱动第一容栅传感器11和第二容栅传感器12)，以及两个容栅信号解调、放大、滤波及比较电路(下文也简称为容栅信号处理电路或者信号处理电路)301和302(即容栅信号解调、放大、滤波及比较电路1和容栅信号解调、放大、滤波及比较电路2)；所述两个容栅信号处理电路301和302分别接收来自第一容栅传感器11的输出信号CSI1和来自第二容栅传感器12的输出信号CSI2，并且分别向图5中的单片机40输出ADSO1信号和ADSO2信号；另外，时钟分频电路22向图5中的单片机40输出一路与8路驱动信号out1-out8的周期相同(例如为512T，其中1T表示芯片工作频率的倒数)并且与任一路驱动信号具有固定相位差的方波信号(本发明中称为CLK512信号)。
图5中的单片机40包括两个相同的定时器401和402(即，定时器1和定时器2)、计数时钟42、CPU 43、RAM 44、ROM 47、显示单元45和串口46。其中，定时器还包括缓冲器(图5中未示出)。定时器401接收来自容栅信号处理电路301的ADSO1信号和来自时钟分频电路22的CLK512信号，定时器402接收来自容栅信号处理电路302的ADSO2信号和来自时钟分频电路22的CLK512信号。
下面讨论关于第一容栅传感器11的工作流程。关于第二容栅传感12的工作流程与其相同。具体工作流程如下：
1)在ASIC芯片30中，由晶振电路21产生时钟信号并输送至时钟分频电路22；时钟分频电路22对该时钟信号进行分频处理并将产生的时钟信号发送至8路驱动及模拟开关信号生成电路23，时钟分频电路22还输出一路与8路驱动信号的周期相同并且与任一路驱动信号具有固定的相位差的方波信号(CLK512信号)；8路驱动及模拟开关信号生成电路23接收来自时钟分频电路的信号，产生并输出用于驱动第一容栅传感器11的8路驱动信号。
在8路驱动及模拟开关信号生成电路23输出8路驱动信号之后，由第一容栅传感器11执行如下的处理：
第一容栅传感器11的8路发射极片分别接收来自ASIC芯片30的8路驱动信号，经由第一容栅传感器11的栅极电容调制输出电压幅值不同的周期信号(即CSI1信号)，接着，第一容栅传感器11将CSI1信号输入到ASIC芯片30的内部。
2)在ASIC芯片30中，容栅信号处理电路301接收来自第一容栅传感器11的CSI1信号，经过解调、放大、滤波及比较操作将CSI1信号转换为与第一容栅传感器11的栅极的位置(该实施例中指发射极103与耦合极203的垂直投影位置)相关的ADSO1方波信号(该方波信号与CLK 512信号具有相同的信号周期、与栅极位置相关的电相位角)，并且输出该ADSO1信号。本领域技术人员应理解，当该ADSO1信号移相360°电相角时，在空间上对应第一容栅传感器11中的一个节距。
3)在单片机40中，由单片机40的定时器401接收来自容栅信号处理电路301的ADSO1信号以及来自时钟分频电路22的CLK512信号。在该实施例中，单片机40中的定时器401以计数时钟42提供的时钟频率作为计数频率(即，数计数时钟42的脉冲个数)，并且根据ADSO1信号以及CLK512信号来进行计数。在该第一实施例(参见图6)，单片机的工作流程如下：
31)单片机40的定时器401接收ADSO1信号以及CLK512信号，当定时器401监测到CLK512信号的上升沿时，将计数清零；当定时器401监测到ADSO1信号的上升沿时，将当前计数写入缓冲器，同时产生中断标记信号并且将中断标记信号发送至CPU 43。
参见图7所示的由CLK512信号与ADSO信号(包括ADSO1信号或ADSO2信号)映射成的受ADSO信号调制的等效脉宽调制方波的示意图。定时器401写入缓冲器的计数对应于等效脉宽调制方波的一个调制脉宽(如图7所示的A1，A2…)，该计数表示第一容栅传感器11的栅极在一个节距内的位置数据，优选为位置当量。另外，由于定时器401/402以计数时钟42提供的时钟频率进行计数，因此通过对计数时钟42设置不同的时钟频率可以得到分辨率不同的位置当量。例如，假设单片机40的时钟频率为6MHz并且ASIC芯片30的工作频率为153.6KHz，则第一容栅传感器11的一个节距所对应的512T信号周期的时长为512x1/153.6x10-3秒＝10/3x10-3秒，在该时长内单片机40的定时器401的最大计数值为(10/3x10-3)/(1/6x10-6)＝20000。因此，位置当量细分较原来(即，512)提高了20000/512＝40倍左右。假设容栅传感器的一个节距为5.08mm，则得到的位置当量细分为5.08/20000＝0.000254mm。由于单片机40中的时钟频率是可以根据需要来设定的，因而可以使得位置当量细分成为原来的几倍到上百倍，从而达到高分辨率的目的。
32)CPU 43在接收到中断标记信号后，读取缓冲器中的数据，即第一容栅传感器11的栅极在一个节距内的位置当量，称为“第一位置当量”，该第一位置当量就对应第一容栅传感器11的节距位置数据。
基于相同的工作流程，CPU 43能够读取第二容栅传感器11的栅极在一个节距内的位置当量，称为“第二位置当量”，该第二位置当量就对应第二容栅传感器12的节距位置数据。
在上文描述的容栅传感器测量装置的实施例中，当定时器401/402在监测到ADSO1/ADSO2信号的上升沿时产生中断标记信号并且将该中断标记信号发送至CPU 43。本领域技术人员应理解，定时器401/402在监测到ADSO1/ADSO2信号的下降沿时或者在监测到CLK512信号的上升沿或下降沿时，也可以产生中断标记信号并发送至CPU 43。因此，在另一个实施例中，CPU 43在接收到ADSO1/ADSO2信号的下降沿、CLK512的上升沿或CLK512的下降沿触发的中断标记信号后读取缓冲器中的数据并将其转换为容栅传感器11/12的栅极在一个节距内的绝对位移值。
在上文描述的容栅传感器测量装置的实施例中，定时器401/402根据CLK512信号以及ADSO1/ADSO2信号的上升沿来控制计数，即，当定时器401/402监测到CLK512信号的上升沿时，将计数清零；而当定时器401/402监测到ADSO1/ADSO2信号的上升沿时，将定时器401/402的当前计数写入缓冲器。然而从图7可见，在另一个实施例中，定时器401/402也可以根据CLK512信号以及ADSO1/ADSO2信号的下降沿对计数进行控制，即当监测到CLK512信号的下降沿时，将计数清零；当定时器401/402监测到ADSO1/ADSO2信号的下降沿时，将定时器当前计数写入缓冲器，这种方式同样可以得到容栅传感器11/12的栅极在一个节距内的位置当量。在采用这种实施方式的情况下，CPU 43可以根据ADSO1/A DSO2信号的上升沿/下降沿或者CLK512信号的上升沿/下降沿触发的中断标记信号读取缓冲器中的数据并将其转换为容栅传感器11/12的栅极在一个节距内的绝对位移值。
在上文描述的容栅传感器测量装置的实施例中，单片机40中的定时器401/402以计数时钟42提供的时钟频率连续计数。在另一个实施例中，可以使用这样一种定时器：其在监测到CLK512信号的上升沿时以计数时钟42提供的时钟频率从零开始计数，而在监测到ADSO1/ADSO2信号的上升沿时结束计数并且将当前计数写入缓冲器(应理解，也可以根据CLK512信号和ADSO1/ADSO2信号的下降沿来控制计数)。CPU 43可以根据ADSO1/ADSO2信号的上升沿/下降沿或者CLK512信号的上升沿/下降沿触发的中断标记信号读取缓冲器中的数据并将其转换为容栅传感器11/12的栅极在一个节距内的绝对位移值。在又一个实施例中，可以使用这样一种定时器：其在监测到CLK512信号的上升沿时从零开始计时并且在监测到ADSO1/ADSO2信号的上升沿时将当前时间写入缓冲器(或者，在监测到CLK512信号的下降沿时从零开始计时并且在监测到ADSO1/ADS O2信号的下降沿时将当前时间写入缓冲器)。CPU43接收到中断标记信号后读取缓冲器中的数据，根据该数据和时钟频率(例如，将缓冲器中的当前时间与时钟频率相乘)得到容栅传感器11/12的栅极在一个节距内的位置当量，并且将容栅传感器11/12的栅极在一个节距内的位置当量转换为容栅传感器11/12的栅极在一个节距内的绝对位移值。在又一个实施例中，还可以使用这样一种定时器：其在监测到CLK512信号的上升沿时将当前计数写入缓冲器，同时产生中断标记信号并将中断标记信号发送至C PU 43，CPU 43在接收到CLK512信号的上升沿触发的中断标记信号后读取缓冲器中的数据；在监测到ADSO1/ADSO2信号的上升沿时将当前计数写入缓冲器，同时也产生中断标记信号并将该中断标记信号发送至C PU 43，CPU 43在接收到ADSO1/ADSO2信号的上升沿触发的中断标记信号后读取缓冲器中的数据，并且将这两个数据相减，从而也能得到容栅传感器11/12的栅极在一个节距内的位置当量。
在上文描述的容栅传感器测量装置的实施例中，定时器401/402包括缓冲器以用于暂时地存储计数，而在另一个实施例中，定时器401/402可以不使用缓冲器，当监测到CLK512信号的上升沿时，定时器401/402将计数清零；当监测到ADSO1/ADSO2信号的上升沿时，定时器401/402直接将当前计数发送至CPU 43，由CPU 43将该数据转换为容栅传感器11/12的栅极在一个节距内的绝对位移值。
尽管在上文中没有详细说明，但本领域技术人员应理解，单片机40中的RAM 44可以用来存储CPU 43在计算过程中所用到的数据。例如，CPU 43在接收到中断标记信号后，将缓冲器中的数据存储到RAM 44中；或者将定时器401/402直接发送过来的数据存储到RAM44中，随后对R AM 44中存储的数据进行处理(例如，转换为容栅传感器11/12的栅极在一个节距内的绝对位移值)。在采用ARM单片机的情况下，DMA通路可以直接将缓冲器中的数据存储到RAM 44中，CPU 43可以根据接收到的中断标记信号，从RAM 44中提取最近存入的数据进行转换处理。
在计数时钟42提供的时钟频率较高的情况下(也就是说，所得到的容栅传感器11/12的栅极在一个节距内的位置当量的分辨率较高)，通过计时或计数得到的位置当量数据有可能不太稳定，会有些波动。为了减小这种波动的影响，在进一步的实施例中，CPU 43可以在执行转换操作前对位置当量进行数字化滤波处理(举例而言，通过采用8组数据取平均来执行数字化滤波，例如，从RAM 44中提取最近存入的8组容栅传感器11/12的栅极在一个节距内的位置当量取平均)，从而可以在高分辨率的情况下得到较为稳定的数据，接着对执行数字化滤波处理后的数据进行转换，得到容栅传感器11/12的栅极在一个节距内的绝对位置值。
以上通过单片机的定时器采样获得两路容栅传感器在一个节距内的位置数据，本领域技术人员能够理解，还可以通过读取芯片内部处理电路输出的数据获得一个节距内的位置数据，例如在芯片30中设置鉴相和计数电路进行采样。参见图8所示的根据本发明另一实施例的容栅传感器绝对位置测量装置的结构示意图，包括动栅板8100、定栅板8200、芯片830和单片机840，其在芯片830中进行鉴相计数采样。
如果容栅传感器11/12的栅极的位移超过一个节距，为了得到绝对位置数据，就需要在前述一个节距内的绝对位置值的基础上增加当前的节距编码数×节距当量，因此，获得当前的节距编码数就是下面要解决的问题。在本发明的实施例中，将定栅节距耦合极从0开始编码，那么，当时与动栅发射极相耦合的耦合极编码就是当前节距编码。在该第一实施例的一种实现方式中，CPU 43基于第一位置当量和第二位置当量，通过查找预存在ROM 47中的查找表，获取节距位置的对应编码，通过计算获得总绝对位置当量Ln。具体地参见图9所示的流程图。
步骤S410：读取前述第一位置当量An和第二位置当量Bm。
步骤S420：读取预存在ROM 47中的查找表。在该第一实施例中，定栅板上的耦合极包括两路反向的三角形电极，这两路三角形电极的节距不相等，因此，随着节距编码的增加，两路耦合极的间距也增加，如图3中所示出的。基于此，就能在生产过程通过对各节距内位置分段实测获得两路数据在不同节距的位置当量的理论值。查找表的示例参见如下表1。
表1
该查找表为二维表，表中的横坐标为1路数值(即1路传感器的数据)，纵坐标为2路数值(即2路传感器的数据)。当动栅位于编码为0的节距位置，且1路输出为A1时，同时记录2路输出数据为B1，对应的节距编码为0；当动栅位于编码为1的节距位置，且1路输出为A1时，同时记录2路输出数据为B2，对应的节距编码为1；依此类推，直至整个测量范围的1、2路对应的节距编码数据。A1、A2，…，An为节距1在单个节距范围内的各位置点的位置数值，如0、1、2…511，(或取相等的间隔数)。B1、B2等为A1、A2对应位置时第2路的输出位置值。在本发明的实施例中，对于1路传感器和2路传感器，如果两路传感器的耦合极节距相比标准节距的偏移量相等，就任意指定一路传感器作为1路传感器，另一路就是2路传感器；如果两路传感器的耦合极节距相比标准节距的偏移量不相等，就偏移量较小的那一路传感器作为1路传感器。
在实际测量时，根据测量到的第一位置当量数据与表格中的横坐标数据比较(如按较大间隔制表需取整或插值处理)确定列数，根据测量到的第二位置当量数据与表格中的纵坐标数据比较(如按较大间隔制表需取整或根据1路的插值数补偿处理)取最接近的值确定行数，行列交叉位置的数据即为动栅测量位置所对应的节距编码数Nn，也即栅极移动的节距数。
在该第一实施例的另一种实现方式中，CPU 43采用公式计算的方式获取节距位置编码数。
1)公式的获取：通过读取在整个测量范围内两路传感器在各个节距内各位置点的位置数值，以其中一路数值做节距划分，例如以1路输出数值为节距分辨周期，计算出周期内与2路输出数值相同位置的差值数组，然后根据差值数组，采用样条拟合的方式得到差值样条曲线近似公式(一元多次方程)，每个节距均有一个对应的差值公式。对公式按节距排列顺序进行编号存储于单片机40的ROM 47中。
2)采用公式进行编码识别获取：根据读取到的两路位置点数据，计算出周期内两路位置数值的实际差值，再以1路数值输入各节距公式，计算各节距在该位置的理论差值，将理论差值与实际差值进行比较，取偏差最小时理论差值所对应的公式编号，根据公式编号即可获取节距位置编码。实际应用时由于节距的移动变化是有序进行的，可以采取使用代入上次编号的公式及前后编号公式的方式来快速获得偏差最小时理论差值所对应的公式编号，减少单片机的运算量。
步骤S430：根据节距编码数Nn和第一位置当量An，执行以下计算，以获得超过一个节距的绝对位移当量Ln：
Ln＝An+Nn×M (1)
其中，M表示每个节距对应的分辨当量(如上文所述，当计数时钟42提供的时钟频率为6MHz时，M＝20000)。
步骤S440：将容栅传感器10的栅极的绝对位移当量Ln转换成实际位置值(或称绝对位置值)。
步骤S450：对绝对位置值进行修正。在本发明的实施例中，由于二路传感器具有相同的测量参数精度，故可以比较这两路的相对变化数据(理论上应该相差不大)，来进行一定的平均修正。例如，对第一位置当量An和第二位置当量Bm的变化数据进行代数分析处理，例如平均处理或优选选取。
在进一步的实施例中，在得到绝对位置值之后，CPU 43还对该绝对位置值进行偏差补正。例如，可以通过采用标准计量装置进行位置标定的方式，进行分段或逐点偏差修正来消除非线性误差和动栅制造误差的影响，以实现整个测量范围的高精度测量。例如，当一个节距内的分辨当量(即，一个节距内定时器的最大计数值)为20000时，则对于5.08mm节距，分辨率达到0.000254mm，即254nm，在按均分8段(0.635mm)进行线性系数插补修正后，按4倍的不确定误差估算，精度可在1um范围，为原先的10倍。根据需要，可按同样的方式对测量范围内所有的节距分别进行修正，获得整个测量范围高精度位置值。(修正补偿数据通过检定仪检测获取后存储于单片机存储单元中，在测量中对测量到的实际位置值根据修正补偿数据进行偏差修正)
步骤S460：将绝对位置值输出至显示单元45以及串口46，由显示单元45、串口46输出。这样，实现了高分辨率、高精度的大量程位移测量。
第二实施例
在第二实施例中，对耦合极203和204的形状进行改进。在前述第一实施例中，将耦合极的形状设计为三角形，是为了腾出测量方向移动的空间，方便改变耦合极相对于标准位置的物理位置，从而避免两路耦合极片的重叠干涉，基于两路节距不同的反向排列的三角形耦合极，才能够获得理论上的查找表或者计算公式。基于这样的构思，在该第二实施例中，将耦合极的形状设计为正弦曲线形(如图10所示)或者梯形(如图11所示)，其他的设计与第一实施例相同，在此不再赘述。正弦曲线形耦合极和梯形耦合极与三角形耦合极具有同样的性质，区别在于耦合到的位置数值线性度不一样(在不同位置测量时变化量不是线性的)，和可偏移的位置量不同。如三角形的位置偏移量比较大，但线性度差些。正弦曲线的位置偏移量小些，但线性度好些。在实际应用中，可以根据需要进行耦合极形状选择。
第三实施例
在该第三实施例中，将图1-3所示的发射极103、接收极101-102、耦合极203-204和反射极201-202敷制在圆形栅板上，如图12所示的圆形动栅板910和圆形定栅板920。动栅板910上设置有发射极9103和分别布置在发射极9103外侧和内侧并与其电隔离的接收极9101和9102，发射极的9103的角节距(本发明中也称为“节距”)为Λ，发射极的形状为扇环形，并且所有的扇环形发射极都同心，参见图13所示的动栅板910的一部分的放大视图。发射极9103接收来自芯片30的多路驱动信号。定栅板920上设置有两路反向交错排列的同心的扇环形耦合极9203和9204。在本发明的实施例中，“同心”的扇环是指所有扇环的圆弧都同圆心。两路耦合极的节距不相等，耦合极9203和9204分别电连接至反射极9201和9202，数字1-15为节距编码。在该实施例中，反射极9201和9202分别为整个的圆环形电极，本领域技术人员能够理解，也能够如第一实施例那样将反射极9201和9202分割为反射极阵列，阵列中的每一个反射极分别连接至一个耦合极。特别地，对于非整圆的容栅传感器，将反射极分割为阵列更容易区分。为了便于理解，图14提供了图12所示的定栅板920的一部分的放大视图，其中耦合极9203和耦合极9204分别用不同的阴影区分，可以看出，耦合极9203的两条圆弧和耦合极9204的两条圆弧都同心，耦合极9203的长弧和耦合极9204的短弧分布在同一条弧线附近，耦合极9203的短弧和耦合极9204的长弧分布在另外的同一条弧线附近。因此，在该实施例中，两路耦合极的形状并不是完全相同，而是相似。当动栅板910相对于定栅板920旋转时，耦合极9203和9204所在的区域始终被发射极9103所在的区域覆盖，反射极9201所在的区域始终被接收极9101所在的区域覆盖，反射极9202所在的区域始终被接收极9102所在的区域覆盖，从而当ASIC30将驱动信号提供给发射极9103时，能够在耦合极9203和9204上产生耦合信号。耦合信号分别通过反射极9201和9202反射给接收极9101和9102。在该第三实施例中，采用共发射极的两个圆形容栅传感器，两路圆形容栅传感器的栅极的节距(角节距)设计与第一和第二实施例的栅极的节距设计类似。例如，将一个圆周360°分成16节距，每一个标准节距就是22.5°，该第三实施例的两路耦合极的在标准节距22.5°的基础上偏差以使得两路耦合极的节距不同，例如，第一路耦合极的节距保持为标准节距22.5°，而第二路耦合极的节距偏移为22.7°，或者，两路耦合极的节距反向偏移，例如第一路耦合极的节距为22.4°，第二路耦合极的节距为22.6°，基于这样的设计，就能够对16个节距进行编号，预先获得查找表或者计算公式存储在单片机中。芯片30从接收极9101和9102接收信号进行信号处理，从而得到绝对角位置。其具体工作流程与前述类似，在此不再赘述。
根据本发明的其他实施例，设置耦合极和反射极的栅板为动栅板，设置发射极和接收极的栅板为定栅板。
本发明的绝对位置测量装置在每个位置具有唯一值，不会因断电或非测量期间的移动而丢失，其以鉴相型容栅传感器为基础，应用多路有源驱动技术，采用同一发射极驱动、两路交错排列电极耦合，再分别反射到二路接收电极的双路反射式电极耦合结构，形成两个具有共同发射极的增量型容栅传感器。通过改进耦合极板形状如等腰三角形、梯形、正弦曲线、扇环等形状，并将两路相同或相似形状的耦合极板在测量方向变距错位排列，从而在物理层面按耦合极板所处的位置对不同的节距进行编码区分，在电学上每个节距的电耦合具有相对固定的耦合电相位差。再通过大规模集成电路的实现手段，以鉴相的方式分别获取两个增量传感器的节距内相位信号，并与节距测量周期进行比较，利用节距相位信号与容栅的节距位移变化量具有一一对应的技术特点，采用单片机等具有高分辨采样能力的处理单元对相位信号进行当量细分解调，求得传感器在单节距内对应的位置量，并通过单片机对两路位置量数据与理论数据进行比较，识别出所处的节距编码，根据节距编码和当前节距内位置值的组合求得测量的绝对位置数据，实现测量范围内的绝对测量，两路处理信号精确匹配、误差小、处理方法简单，体积小。
本领域技术人员应理解，尽管在上文中使用单片机的内部计数时钟42来实现定时器的计时和计数，但在其他实施例中，也可以使用单片机的外部时钟来提供时钟频率。另外，尽管上文以ASIC芯片和单片机为例进行描述，即将其作为两个部件分开来进行描述，然而在其他实施例中，单片机也可以集成在ASIC芯片中，或者可以将ASIC芯片集成在单片机上，或者将两者集成在一起，可以集成在同一个芯片上，也可以集成在多个芯片上。
本领域技术人员还应理解，除了单片机，还可以采用具有计算功能的其他数字处理装置来实现本发明。
此外，尽管上文以接收多路(8路)驱动信号的容栅传感器为例描述了本发明，但需要注意的是，接收1路驱动信号的位移传感器也适用于本发明，在这种情况下，驱动信号生成电路23可以仅输出一路驱动信号，时钟分频电路22输出的CLK512信号与该驱动信号周期相同并且相位相同。在进一步的实施例中，CLK512信号与驱动信号的周期或相位可能不完全相同，例如，周期可以呈倍数关系，相位可以相反或者具有其他对应关系。
应注意到一些示例性方法被描绘为流程图。虽然流程图将操作表述为顺序执行，但可以理解的是，许多操作可以并行、同时或同步地执行。另外，可以重新排列操作的顺序。处理可以在操作完成时终止，但是也可以具有并未包括在图中或实施例中的另外的步骤。
上述方法可以通过硬件、软件、固件、中间件、伪代码、硬件描述语言或者它们的任意组合来实现。当以软件、固件、中间件或伪代码实施时，用来执行任务的程序代码或代码分段可以被存储在计算机可读介质中，诸如存储介质，处理器可以执行该任务。
应理解，软件实现的示例性实施例通常在一些形式的程序存储介质上进行编码或者在一些类型的传输介质上实现。程序存储介质可以是任意的非瞬态存储介质，诸如磁盘(例如，软盘或硬盘)或光盘(例如，紧凑盘只读存储器或“CD ROM”)，并且可以是只读的或者随机访问的。类似地，传输介质可以是双绞线、同轴线缆、光纤，或者本领域已知的一些其它适用的传输介质。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (19)

1.一种容栅传感器，其包括：
第一栅板，所述第一栅板上设置有包括多个第一耦合极的具有第一节距的第一耦合极阵列、与所述多个第一耦合极电连接的第一反射极、包括多个第二耦合极的具有第二节距的第二耦合极阵列、和与所述多个第二耦合极电连接的第二反射极，以及
第二栅板，所述第二栅板上设置有包括多个发射极子阵列的具有标准节距的发射极阵列和布置在所述发射极阵列两侧并与其电隔离的第一接收极和第二接收极，所述发射极子阵列包括多个发射极片，所述第一接收极与所述第一反射极在空间上相对，所述第二接收极与所述第二反射极在空间上相对，
其中，所述第一栅板和所述第二栅板中的一个为定栅板，另一个为动栅板，所述动栅板被配置为能够相对于所述定栅板运动，
所述第一耦合极和所述第二耦合极的形状相同或相似，所述第一耦合极阵列和所述第二耦合极阵列反向交错排列并在空间上与所述发射极阵列相对，所述第一节距与所述第二节距不相等。
2.根据权利要求1所述的容栅传感器，其中，所述第一反射极包括多个第一反射极片构成的阵列，所述第二反射极包括多个第二反射极片构成的阵列，所述多个第一反射极片与所述多个第一耦合极一一对应地电连接，所述多个第二反射极片与所述多个第二耦合极一一对应地电连接。
3.根据权利要求1所述的容栅传感器，其中，所述第一节距为标准节距，所述第二节距在所述标准节距的基础上偏移。
4.根据权利要求1所述的容栅传感器，其中，所述第一节距和所述第二节距分别在标准节距的基础上增加和减小相同的量。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的容栅传感器，其中，所述第一节距和所述第二节距的差不小于标准节距的1％，并且不大于标准节距的25％。
6.根据权利要求5所述的容栅传感器，其中，所述第一节距和所述第二节距的差不大于标准节距的2％。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的容栅传感器，其中，所述第一栅板和所述第二栅板为长方形板，所述第二栅板被配置为相对于所述第一栅板平移。
8.根据权利要求7中所述的容栅传感器，其中，所述发射极阵列包括多个长条形发射极。
9.根据权利要求8所述的容栅传感器，其中，所述第一耦合极和所述第二耦合极为三角形、正弦曲线形或梯形。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的容栅传感器，其中，所述第一栅板和所述第二栅板为圆形板，所述第二栅板被配置为相对于所述第一栅板旋转。
11.根据权利要求10中所述的容栅传感器，其中，所述发射极阵列包括多个同心的扇环形发射极。
12.根据权利要求11所述的容栅传感器，其中，所述第一耦合极为第一扇环形，所述第二耦合极为第二扇环形，并且所述第一扇环形和所述第二扇环形同心。
13.一种绝对位置测量装置，其包括根据权利要求1-12中任一项所述的容栅传感器，还包括：
驱动信号生成电路，用于向所述发射极提供驱动信号；
第一信号处理电路，用于接收来自所述第一接收极的信号并输出第一信号；
第二信号处理电路，用于接收来自所述第二接收极的信号并输出第二信号；以及
计算设备，用于将所述第一信号和第二信号分别转换为所述发射极阵列在一个节距内的第一位置数据和第二位置数据，并基于所述第一位置数据和所述第二位置数据确定所述动栅板相对于所述定栅板的绝对位置。
14.根据权利要求13所述的绝对位置测量装置，其中，所述计算设备包括存储器，所述存储器中预存储有查找表或计算公式。
15.根据权利要求14所述的绝对位置测量装置，其中，在生产过程中通过对所述第一耦合极和所述第二耦合极的各节距内的位置进行分段实测获得所述查找表。
16.根据权利要求14所述的绝对位置测量装置，其中，所述计算公式为差值样条曲线近似公式，其基于生产过程中两路传感器在所述第一耦合极和所述第二耦合极的各节距内各位置点的位置数据获得。
17.根据权利要求14所述的绝对位置测量装置，还包括处理器，其被配置为基于所述第一位置数据、所述第二位置数据、以及所述查找表或计算公式获得节距编码数，通过如下公式计算绝对位置数据Ln：
Ln＝An+Nn×M，
其中，An为第一位置数据，Nn为节距编码数，M表示一个节距的绝对位移数据。
18.根据权利要求17所述的绝对位置测量装置，其中，所述处理器进一步被配置为将所述绝对位置数据转换为绝对位置值。
19.根据权利要求18所述的绝对位置测量装置，其中，所述处理器进一步被配置为对所述绝对位置值进行修正。
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