專利名稱：一種電容式線性位移測量的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及位移測量技術，特別涉及一種電容式線性位移測量的裝置和方法。
背景技術：
現(xiàn)有電容式線性位移測量的方法可以主要分為增量位移測量和絕對位移測量。增 量位移測量因其成本較低、工藝簡單且測量精度較高得到了廣泛的應用，但增量位移測量 僅能夠獲得相對位移，在需要獲取絕對位移時，需要在加電啟動時刻獲取絕對參考點，獲取 絕對參考點的過程往往需要移動讀取單元，使其經(jīng)過參考點位置并記錄該位置信息，這個 過程比較耗時且在某些情況下移動讀取單元是不允許的。絕對位移測量無需獲取參考點， 直接獲得絕對位移量，但工藝較復雜，測量精度較低。首先對增量位移測量和絕對位移測量的原理進行簡單介紹。兩種方式的位移測量 裝置都包含位移標尺單元和讀取單元。增量位移測量中的位移標尺單元包含均勻排列的條狀電極，條狀電極的形狀相 同、尺寸相同、導電性能也相同，即必須具備同一性；條狀電極的寬度相同，間隙相同，用于 標識位移的刻度。按照固定的數(shù)目N為一個空間周期，將每連續(xù)的N個條狀電極劃分為一個 空間周期，對于空間周期內的各條狀電極按照固定相位差加載信號。讀取單元與其覆蓋到 的條狀電極均形成電容，能夠感應到條狀電極加載的信號；讀取單元相對于參考點的位移 會對讀取單元覆蓋到的條狀電極的信號產生調制，從而引起感應到信號的相位發(fā)生變化。 利用相對位移與讀取到信號的相位對應關系，通過獲取輸出信號的相位值，便可以獲取到 相對位移信息。絕對位移測量則需要讀取單元在每個位移處讀取到的信號都不同，即要求每個刻 度都具備可區(qū)分性。目前，增量位移測量的方法已經(jīng)較為成熟和普遍，而絕對位移測量技術尚處于發(fā) 展階段，現(xiàn)有技術中絕對位移測量的方式主要有以下兩種第一種方式利用空間復用的方式在均勻分布的電極上實現(xiàn)增量位移測量和絕對 位移測量。在該種方式中，位移標尺單元中的一串均勻分布的電極都被切割成上下兩部分， 奇數(shù)電極條的切割位置滿足周期正弦曲線，偶數(shù)電極條的切割位置滿足周期余弦曲線。在 增量位移測量時，每根電極的上下兩部分加載相同信號，在切割間隙足夠小的情況下，每根 電極可以看作增量測量的刻度。在絕對位移測量時，每根電極的上下兩個部分加載相位相 反的信號，處于某位移下的讀取單元感應的信號取決于讀取單元覆蓋到的電極的上下兩部 分面積之差，導致每個位移處讀取單元輸出的信號的相位值不同，利用絕對位移與讀取單 元輸出信號的相位之間的對應關系，通過獲取輸出信號的相位值，便可以獲取到絕對位移 fn息o第二種方式位移標尺單元中包含并行的多道均勻分布的電極，讀取單元在每個 位置均能夠覆蓋多道的電極。在絕對位移測量時，每一道電極均由接正極性信號和負極性 信號的電極組成，在每一個位移處保證讀取單元覆蓋的電極所記載的信號的極性組合是不同的，根據(jù)位移與極性組合的對應關系，通過獲取讀取信號輸出的極性組合，便可以獲取到 絕對位移信息。但是，在上述第一種方式中，是通過獲取模擬量來進行絕對位移測量的，容易受到 讀取單元的傾斜程度影響，讀取單元的實際安裝和運動不可能與位移標尺單元完全平行， 絕對位移的測量值會因讀取單元的傾斜程度而不同，抗干擾能力差；并且，每根電極都需要 在特定位置切割，制作工藝比較復雜，成本高。在第二種方式中，由于需要包含多道的電極， 電極數(shù)量較多，成本較高，將各電極連結至指定極性的信號線上的實現(xiàn)較復雜。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種電容式線性位移測量的裝置和方法，以便于更加簡 單地實現(xiàn)絕對位移測量，且成本低，抗干擾能力強。一種電容式線性位移測量的裝置，該裝置包括位移標尺單元、讀取單元和位移確 定單元；所述位移標尺單元包括基底、M個相同的條狀電極和第一組信號線，M為大于或等 于4的整數(shù)；所述M個條狀電極等間距并排排列在所述基底上，且每N個連續(xù)的條狀電極構 成一個空間周期，所述第一組信號線由N條信號線構成，N為大于或等于2的整數(shù)；在絕對 位移測量模式下，一個信號發(fā)生周期內所述第一組信號線中的N條信號線被依次加載激勵 信號；所述各條狀電極與所述第一組信號線之間的連接使得絕對位移測量模式下讀取單元 在各位移處探測到的激勵信號組合均不相同；所述讀取單元，用于沿著所述M個條狀電極移動，并在絕對位移測量模式下覆蓋 R個條狀電極，探測其覆蓋的條狀電極上加載的激勵信號，輸出探測到的信號組合；其中，R 為大于或等于N的整數(shù)；所述位移確定單元，用于在絕對位移測量模式下，利用預設的信號組合與位移量 之間的對應關系，確定所述讀取單元輸出的信號組合對應的位移量。另外，所述位移標尺單元還包括第二組信號線，所述第二組信號線由另外N條信 號線構成；在增量位移測量模式下，所述第一組信號線和第二組信號線上被加載相同波形 的載波信號，且每一組信號線中各信號線加載的載波信號依次間隔相位差f ；所述各條狀 電極與所述第一組和第二組信號線之間的連接使得增量位移測量模式下，在各空間周期中 相同排次的條狀電極上加載的激勵信號相位相同；所述讀取單元，還用于在增量位移測量模式下覆蓋KN個條狀電極，并輸出探測到 的信號，其中K為大于或等于1的整數(shù)；所述位移確定單元，還用于在增量位移測量模式下，利用信號相位與位移量之間 的對應關系，確定所述讀取單元輸出的信號相位對應的位移量。更進一步地，該裝置還包括信號發(fā)生器，用于在絕對位移測量模式下接收到測 量指令后，在一個信號發(fā)生周期內對所述第一組信號線中的N條信號線依次加載激勵信 號；在增量位移測量模式下接收到測量指令后，同時在所述第一組信號線和第二組信號線 中加載相同波形的載波信號，且每一組信號線中各信號線加載的載波信號依次間隔相位差
360° N 。
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該裝置還包括模式切換單元，用于使所述讀取單元和所述位移確定單元同時切 換至增量位移測量模式或者絕對位移測量模式。其中，所述讀取單元包括絕對測量拾取區(qū)和增量測量拾取區(qū)；所述絕對測量拾取區(qū)，由至少一個矩形感應區(qū)域構成，共覆蓋R個條狀電極，用于 在絕對位移測量模式下輸出探測到的信號組合；所述矩形感應區(qū)域之間存在非導電的隔離 區(qū)；所述增量測量拾取區(qū)，包含K個具有特定形狀的感應區(qū)域，每個感應區(qū)域覆蓋N個 條狀電極，用于在增量位移測量模式下輸出探測到的信號；所述特定形狀在條狀電極長度 方向上的幅度不恒定。其中，所述位移確定單元包括譯碼器和查表器；所述譯碼器，用于在絕對位移測量模式下將所述讀取單元輸出的信號組合譯碼為 二進制的絕對碼，并提供給所述查表器；在增量位移測量模式下，確定所述讀取單元輸出的 信號的相位，并提供給所述查表器；所述查表器，用于根據(jù)預設設置的絕對碼與位移量之間的對應關系，確定接收到 的絕對碼對應的位移量；根據(jù)預設的信號相位與位移量之間的對應關系，確定接收到的信 號相位對應的位移量。具體地，所述N為4，每個空間周期內相同排次的條狀電極連接到第一組信號線或 第二組信號線中與該排次對應的信號線上；所述信號發(fā)生器在絕對位移測量模式下，在一個信號發(fā)生周期內采用分時復用的 方式，對第一組信號線中的4條信號線依次加載激勵信號；在增量位移測量模式下在第一 組信號線和第二組信號線中同時加載載波信號，且每一組信號線中各信號線加載的載波信 號依次間隔90°相位差。更優(yōu)地，所述激勵信號為脈沖信號；所述載波信號為三角函數(shù)信號或方波信號。更優(yōu)地，所述基底為柔性印刷線路板，所述條狀電極和信號線利用卷到卷技術打 印在所述基底上。一種電容式線性位移測量的方法，該方法應用于包含位移標尺單元、讀取單元和 位移確定單元的裝置，其中，所述位移標尺單元包括基底、M個相同的條狀電極和第一組 信號線，M為大于或等于4的整數(shù)；所述M個條狀電極等間距并排排列在所述基底上，且每 N個連續(xù)的條狀電極構成一個空間周期，所述第一組信號線由N條信號線構成，N為大于或 等于2的整數(shù)；在絕對位移測量模式下，一個信號發(fā)生周期內所述第一組信號線中的N條信 號線被依次加載激勵信號；所述各條狀電極與所述第一組信號線之間的連接使得絕對位移 測量模式下讀取單元在各位移處探測到的激勵信號組合均不相同；該方法包括所述讀取單元沿著所述M個條狀電極移動，并輸出絕對位移測量模式下在覆蓋的 R個條狀電極上探測到的信號組合，R為大于或等于N的整數(shù)；所述位移確定單元在絕對位移測量模式下，利用預設的信號組合與位移量之間的 對應關系，確定所述讀取單元探測到的信號組合對應的位移量。更進一步地，所述位移標尺單元還包括第二組信號線，所述第二組信號線由另外N 條信號線構成，在增量模式下所述第一組信號線和第二組信號線中同時被加載相同波形的載波信號，且每一組信號線中各信號線被加載的載波信號依次間隔相位差1;所述各條 狀電極與所述第一組和第二組信號線之間的連接還使得增量位移測量模式下，在各空間周 期中相同排次的條狀電極上加載的信號相位相同；該方法還包括所述讀取單元輸出增量位移測量模式下在覆蓋的KN個條狀電極上探測到的信 號，其中K為大于或等于1的整數(shù)；所述位移測量單元在增量位移測量模式下，利用信號相位與位移量之間的對應關 系，確定所述讀取單元輸出的信號相位對應的位移量。更優(yōu)地，該方法還包括結合所述位移確定單元在絕對位移測量模式下確定的位 移量和在增量位移測量模式下確定的位移量，得到最終的位移測量值。由以上描述可以看出，本發(fā)明通過在一個信號周期內對各空間周期內的條狀電極 依次加載激勵信號的方式，使得讀取單元在一個信號周期內依次輸出絕對位移測量模式下 覆蓋的R個條狀電極的信號組合，通過該信號組合唯一標識讀取單元的絕對位移，從而僅 通過單道條狀電極實現(xiàn)絕對位移測量，與現(xiàn)有技術第二種方式中的多道條狀電極相比，降 低了連線的復雜度以及空間占用程度，大大簡化了裝置結構；并且，與現(xiàn)有技術第一種方式 相比，無需復雜的切割工藝，實現(xiàn)更加簡單。另外，本發(fā)明在絕對位移測量方式中獲取的是 一個信號周期中的信號組合，事實上是一種數(shù)字式的絕對碼獲取方式，不敏感于讀取單元 的傾斜程度，相比較現(xiàn)有技術第一種方式，具備更強的抗干擾能力。


圖1為本發(fā)明實施例提供的裝置結構圖。圖2為本發(fā)明實施例提供的裝置實例圖。圖3a為本發(fā)明實施例提供的信號發(fā)生裝置產生的激勵信號示意圖。圖3b為本發(fā)明實施例提供的拾取區(qū)位移示意圖。圖3c為本發(fā)明實施例提供的圖3a和圖3b基礎上，讀取單元輸出到的信號波形 圖。圖4為本發(fā)明實施例提供的位移標尺單元的印刷線路板示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖和具體實施例對 發(fā)明進行詳細描述。為了方便理解，首先對本發(fā)明所提供的裝置進行描述。圖1為本發(fā)明實施例提供 的裝置結構圖，如圖1所示，該裝置可以包括位移標尺單元100、讀取單元110和位移確定 單元120。其中，位移標尺單元100包括基底101、M個相同的條狀電極102、信號線103和 信號發(fā)生器104，M為大于或等于4的整數(shù)。M個條狀電極102等間距并排排列在基底101上，基底101為介電材料。各條狀電 極的形狀、尺寸和導電性能均相同。將M個條狀電極102中每N個連續(xù)的條狀電極劃分為一個空間周期，信號線103 中的N條信號線構成第一組信號線。例如圖中條狀電極102上側的信號線，N為大于或等于2的整數(shù)。信號發(fā)生器104在絕對位移測量模式下接收到測量指令后，在一個信號發(fā)生周期內對第一組信號線中的N條信號線依次加載激勵信號，以用于在與第一組信號線相連的各 條狀電極上加載激勵信號。讀取單元110沿著并排排列的條狀電極102移動，并在絕對位移測量模式下覆蓋R 個條狀電極，能夠探測到其覆蓋的條狀電極上加載的激勵信號，輸出探測到的信號組合；其 中，R為大于或等于N的整數(shù)；R的值可以根據(jù)絕對位移測量量程確定。讀取單元110中的信號組合可以編碼為二進制碼來表示，具體在后續(xù)描述中說 明。在位移標尺單元100中，各條狀電極與信號線的連接方式保證絕對位移測量模式 下讀取單元110在各位移處探測到的信號組合是不同的。位移確定單元120在絕對位移測量模式下，利用預設的信號組合與位移量之間的 對應關系，確定讀取單元110輸出的信號組合對應的位移量。另外，本發(fā)明提供的裝置除了實現(xiàn)上述絕對位移測量之外，還可以實現(xiàn)增量位移 測量，此時，信號線103可以由2N條信號線構成，另外N條屬于第二組信號線，例如圖中條 狀電極102下側的信號線。信號發(fā)生器104在增量位移測量模式下接收到測量指令后，同時在兩組信號線中 加載相同波形的載波信號，每一組中各信號線加載的載波信號依次間隔相位差1!1。其中，
增量位移測量模式下加載的載波信號可以是正弦信號或方波信號等。讀取單元110同樣沿著并排排列的條狀電極移動，探測其覆蓋的條狀電極上加載 的信號，且在增量位移測量模式下覆蓋KN個條狀電極，并輸出探測到的信號，其中K為大于 或等于1的整數(shù)，當K大于1時可以增強讀取單元110探測到的信號強度，從而提高讀取單 元110的探測性能。為了使得該裝置同時可以實現(xiàn)增量位移測量，各條狀電極102與信號線103的連 接關系，使得在增量位移測量模式下各空間周期中相同排次的條狀電極上加載的信號相位 相同。位移確定單元120在增量位移測量模式下，利用信號相位與位移量之間的對應關 系，確定讀取單元110輸出的信號相位對應的位移量。另外，該裝置還可以包括模式切換單元130，用于切換讀取單元110、信號發(fā)生器 104和位移確定單元120的測量模式，即切換為絕對位移測量模式或增量位移測量模式。該模式切換單元130可以為一個單獨設置的單元，也可以是設置在位移標尺單元 100中以開關形式出現(xiàn)，在圖2中以設置在位移標尺單元100中為例。需要說明的是，上述裝置中的信號發(fā)生器104可以如圖1所示設置在電容式線性 位移測量裝置中，也可以在該裝置之外額外設置，即采用現(xiàn)有的信號發(fā)生器為電容式線性 位移測量裝置提供相應的激勵或載波信號。為了使上述裝置更加清楚，下面以N是4為例，即以4個條狀電極為一個空間周期 為例，在該并排排列的條狀電極的個數(shù)M遠遠大于4以保證測量量程。圖2為該實施例的 裝置實例圖，如圖2所示，在該裝置中，讀取單元110可以包含兩個拾取區(qū)絕對測量拾取區(qū) 111和增量測量拾取區(qū)112。
首先對絕對位移測量進行描述絕對測量拾取區(qū)111，由至少一個矩形感應區(qū)域構成，共覆蓋R個條狀電極，用于 在絕對位移測量模式下，在一個信號發(fā)生周期內依次輸出探測到的信號組合。在圖2中，絕 對測量拾取區(qū)111中陰影部分的兩個矩形為感應區(qū)域，每個拾取區(qū)可以覆蓋4個條狀電極， 兩個感應區(qū)域共可以覆蓋8個條狀電極，其在絕對位移測量模式下輸出的信號組合為8個 信號的組合，其可以測量的位移量程為(28-8)XL，L為一個條狀電極的寬度與條狀電極間 的間距之和。具體拾取區(qū)的個數(shù)可以根據(jù)要求的位移量程進行設定。在絕對拾取區(qū)111中的感應區(qū)域之間存在一個隔離區(qū)，防止兩個感應區(qū)域之間信 號的干擾。每個感應區(qū)域可以均有一根輸出線，分別將探測到的信號提供給位移確定單元 120構成8位信號組合。讀取單元110正對位移標尺單元110，且沿著并排的條狀電極102移動。并排排 列的條狀電極102設置在基底101中央，電極寬度相等、間隙相等。更優(yōu)地，電極寬度和間 隙也保持相等，使每個寬度和間隙都能作為標尺刻度。8條信號線103分為兩組，一組位于 條狀電極的上側，另一組位于條狀電極的下側。每4根連續(xù)的條狀電極構成一個空間周期， 每個空間周期內相同排次的條狀電極連接到上側或者下側與該排次對應的信號線上。以 A、B、C和D分別標識一個空間周期內的條狀電極，標識為A的條狀電極可以連接上側或者 下側距離條狀電極最近的信號線，標識為B的條狀電極可以連接上側或者下側距離條狀電 極第二近的信號線，標識為C的條狀電極可以連接上側或下側距離條狀電極第三近的信號 線，標識為D的條狀電極可以連接上側或下側距離條狀電極最遠的信號線。假設信號發(fā)生器104在絕對位移測量模式下，對上側信號線中的信號線依次加載 激勵信號，本實施例中以加載脈沖信號為例，也可以是其它信號類型，則在各條狀電極連接 信號線時，必須保證條狀電極與上側信號線的連接方式使得讀取單元110中絕對測量拾取 區(qū)111在各位移處獲取的8位信號組合是不同的。在具體實現(xiàn)時，可以首先確定8位信號 組合，再按照8位信號組合連接各條狀電極的信號線，然后記錄信號組合與位移量的對應 關系供位移確定單元120使用。信號發(fā)生器104在被模式切換單元130切換到絕對位移測量模式后，如果接收到 測量指令，則在一個信號發(fā)生周期內采用分時復用的方式，對上側信號線中的4條信號線 依次加載脈沖信號，如圖3a所示，在一個信號發(fā)生周期內的4個時刻tl、t2、t3和t4分別 產生一組脈沖信號，tl時刻的脈沖信號加載在距離條狀電極最近的信號線上，t2時刻的脈 沖信號加載在距離條狀電極第二近的信號線上，t3時刻的脈沖信號加載在距離條狀電極第 三近的信號線上，t4時刻的脈沖信號加載在距離條狀電極最遠的信號線上，這樣就會使得 在tl時刻標識為A的條狀電極上加載脈沖信號，t2時刻標識為B的條狀電極上加載脈沖 信號，t3時刻標識為C的條狀電極上加載脈沖信號，t4時刻標識為D的條狀電極上加載脈 沖信號。如果讀取單元110中絕對測量拾取區(qū)111的位置如圖3b所示，讀取單元110探測 到的信號波形如圖3c所示。讀取單元110將探測到的信號輸出給位移確定單元120中的 譯碼器121，譯碼器121將接收到的信號進行譯碼，假設能檢測到信號被譯碼為1，不能檢測 到信號被譯碼為0，則讀取單元110在絕對位移測量模式下，一個信號發(fā)生周期內4個時刻 依次探測到的信號組合被譯碼為8位的二進制絕對碼10110101。也就是說，與上側信號線
10連接的條狀電極上加載脈沖信號，被譯碼為1，與下側信號線連接的條狀電極上加載脈沖信 號(可能會有噪聲)，被譯碼為0。譯碼器121將譯碼得到的絕對碼發(fā)送給查表器122，查表器122按照預設的絕對碼 與位移量之間的對應關系表，確定該絕對碼對應的位移量，該位移量即為讀取單元當前的 絕對位移量。上述絕對碼是基于二進制的數(shù)字碼，該數(shù)字碼相比較模擬量更能抵抗外接的干 擾，且編碼方式更加簡單和可靠，同時并沒有破壞條狀電極的同一性，且采用一條道的條狀 電極就可以實現(xiàn)本發(fā)明，連接簡單，加工制造方便。另外，二進制碼的位數(shù)決定了有多少絕對碼可以使用，也就決定了絕對唯一的測 量長度，長的測量長度往往需要大于四位的二進制碼，通常情況下，米級的長度需要8比特 以上的絕對碼?？梢钥闯?，絕對位移的測量實際上是以條狀電極的寬度為測量精度的，由于電極 的寬度一般在毫米級，因此，絕對位移測量的精度也為毫米級，測量精度較粗。但這點可以 通過增量位移測量來彌補，增量位移測量可以測量出高精度的相對位移，最終可以將通過 絕對位移測量到的位移量結合增量位移測量測量到的位移量作為最終的高精度位移量。以上是對通過該裝置進行的絕對位移測量進行的描述，下面對通過該裝置進行的 增量位移測量進行描述。當信號發(fā)生器104在模式切換單元130的指令下切換到增量位移測量模式時，如 果接收到測量指令，則同時在上側和下側的信號線中加載相同波形的載波信號，上側各信 號線中加載的載波信號依次間隔相位差下側各信號線中加載的載波信號依次間隔相 位差1f1，且使得處于各空間周期內相同排次的條狀電極上加載的信號相位相同。該載波 信號可以為正弦信號、余弦信號、方波信號等。例如，信號發(fā)生器104在上側和下側的信號線上依次加載間隔90°相位的正弦 函數(shù)，具體可以為在上側和下側距離條狀電極最近的信號線上加載信號V。C0S( t)，在 上側和下側距離條狀電極第二近的信號線上加載信號V。C0S (CO t+90° )，在上側和下側距 離條狀電極第三近的信號線上加載信號VoCOS (co t+180 ° )，在上側和下側距離條狀電極 最遠的信號線上加載信號V。COS( t+270° )。這樣，就使得標識為A的所有條狀電極上 加載了信號V。C0S( t)，標識為B的所有條狀電極上加載了信號V。COS( t+90° )，標識 為C的所有條狀電極上加載了 V。COS( t+180° )，標識為D的所有條狀電極上加載了信號 Vocos(wt+270° )。讀取單元110在模式切換單元130的指令下切換到增量位移測量模式時，使用增 量測量拾取區(qū)112。該增量測量拾取區(qū)112可以包含K個具有特定形狀的感應區(qū)域，K為大 于或等于1的整數(shù)。其中，每個感應區(qū)域覆蓋N個條狀電極，即一個空間周期，在增量位移 測量模式下輸出探測到的信號。增量位移測量模式下輸出的信號可以與絕對位移測量模式 下輸出的信號使用不同的輸出線。另外，需要說明的是，由于增量測量模式下是依靠不同相對位移處輸出的信號相 位不同來實現(xiàn)的，讀取單元110對條狀電極上信號的感應事實上是通過電容的原理實現(xiàn) 的，并且一個感應區(qū)域覆蓋一個空間周期的條狀電極，如果對于各條狀電極的覆蓋面積相同，則對于一個空間周期的偏移不會產生相位值的不同，因此，如果在相對于一個空間周期 內產生偏移時能夠產生相位值的差異，則得在每一個偏移位置覆蓋各條狀電極的面積產生 偏差。這可以通過使用特定形狀的感應區(qū)域實現(xiàn)，該特定形狀必須在條狀電極長度方向上 的幅度不恒定，例如遵循一定的函數(shù)關系，諸如正弦函數(shù)、余弦函數(shù)、三角波函數(shù)等。圖2中 所示的增量測量拾取區(qū)112中的感應區(qū)域在條狀電極長度方向上的幅度以遵循正弦函數(shù) 為例。讀取單元110在增量位移測量模式下輸出的信號實際上是當前位移下探測到的 各條狀電極的合成信號，且該合成信號的相位與讀取單元的相對位移成線性關系，位移確 定單元120在增量位移測量模式下根據(jù)該線性關系，便可以根據(jù)讀取單元110輸出的信號 相位確定相對位移量。通常相對位移量的參考點是當前位移所在空間周期的起始點。這種模式下，位移確定單元120中的譯碼器121在絕對位移測量模式下確定讀取 單元110輸出的信號相位，并提供給查表器122 ；查表器122根據(jù)預設的信號相位與位移量 之間的對應關系，確定接收到的信號相位對應的位移量。增量測量模式是通過獲取輸出信號的相位來確定相對位移量的，這種方式獲取的 位移量的精度較高，其可以測量出小于條狀電極寬度的位移，可以達到微米級別。在本發(fā)明 中最終測得的位移量可以是絕對測量模式下測得的絕對位移量與增量測量模式下測得的 相對位移量的結合，絕對位移測量模式測量到條狀電極寬度級別，小于條狀電極寬度的位 移通過增量位移測量模式測量。在具體結合時，首先確定絕對位移測量模式測量到的絕對 位移量所在的空間周期起始值，將該空間周期起始值加上增量位移測量模式測量到的相對 值作為最終的位移測量值。本發(fā)明中涉及的位移標尺單元100通常以印刷線路板(PCB)的形式制造，如果在 硬的基底101上制作線路，其加工技術不能一次性制作出幾米長的標尺，加工長度一般不 大于1米。但如果使用柔性印刷線路板(FPCB)，則可以一次性制作出長標尺。如圖4所示， 條狀電極102和信號線103利用卷到卷技術打印在柔性基底101的正面，背面的導線105 把條狀電極102和信號線103通過過孔連接，這種單層雙面設計方式適合采用卷到卷技術 來制造，使得加工長度達到數(shù)米到數(shù)十米。由以上描述可以看出，本發(fā)明提供的方法和裝置具備以下優(yōu)點1)本發(fā)明通過在一個信號周期內對各空間周期內的條狀電極依次加載激勵信號 的方式，使得讀取單元在一個信號周期內依次輸出絕對位移測量模式下覆蓋的R個條狀電 極的信號組合，通過該信號組合唯一標識讀取單元的絕對位移，從而僅通過單道條狀電極 實現(xiàn)絕對位移測量，與現(xiàn)有技術第二種方式中的多道條狀電極相比，降低了連線的復雜度 以及空間占用程度，大大簡化了裝置結構；并且，與現(xiàn)有技術第一種方式相比，無需復雜的 切割工藝，實現(xiàn)更加簡單。2)本發(fā)明在絕對位移測量方式中獲取的是一個信號周期中的信號組合，事實上是 一種數(shù)字式的絕對碼獲取方式，不敏感于讀取單元的傾斜程度，相比較現(xiàn)有技術第一種方 式，具備更強的抗干擾能力。3)本發(fā)明在實現(xiàn)絕對位移測量之外，由于并沒有破環(huán)條狀電極的同一性，因此，在 同一套裝置中可以重構用于增量位移測量，并能夠結合增量位移測量的高精度優(yōu)勢，大大 提高絕對位移測量的測量精度。
4)本發(fā)明僅需要單道的條狀電極，且無需復雜的加工工藝，相對于現(xiàn)有技術中的 兩種方式更加節(jié)約成本。另外，本發(fā)明還可以使用卷到卷的印刷技術來制作標尺長度更長 的裝置。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明保護的范圍之內。
權利要求
1. 一種電容式線性位移測量的裝置，該裝置包括位移標尺單元、讀取單元和位移確 定單元；其特征在于，所述位移標尺單元包括基底、M個相同的條狀電極和第一組信號線，M為大于或等于4 的整數(shù)；所述M個條狀電極等間距并排排列在所述基底上，且每N個連續(xù)的條狀電極構成 一個空間周期，所述第一組信號線由N條信號線構成，N為大于或等于2的整數(shù)；在絕對位 移測量模式下，一個信號發(fā)生周期內所述第一組信號線中的N條信號線被依次加載激勵信 號；所述各條狀電極與所述第一組信號線之間的連接使得絕對位移測量模式下讀取單元在 各位移處探測到的激勵信號組合均不相同；所述讀取單元，用于沿著所述M個條狀電極移動，并在絕對位移測量模式下覆蓋R個條 狀電極，探測其覆蓋的條狀電極上加載的激勵信號，輸出探測到的信號組合；其中，R為大 于或等于N的整數(shù)；所述位移確定單元，用于在絕對位移測量模式下，利用預設的信號組合與位移量之間 的對應關系，確定所述讀取單元輸出的信號組合對應的位移量。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述位移標尺單元還包括第二組信號線， 所述第二組信號線由另外N條信號線構成；在增量位移測量模式下，所述第一組信號線和 第二組信號線上被加載相同波形的載波信號，且每一組信號線中各信號線加載的載波信號 依次間隔相位差1f1 ；所述各條狀電極與所述第一組和第二組信號線之間的連接使得增量位移測量模式下，在各空間周期中相同排次的條狀電極上加載的激勵信號相位相同；所述讀取單元，還用于在增量位移測量模式下覆蓋KN個條狀電極，并輸出探測到的信 號，其中K為大于或等于1的整數(shù)；所述位移確定單元，還用于在增量位移測量模式下，利用信號相位與位移量之間的對 應關系，確定所述讀取單元輸出的信號相位對應的位移量。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，該裝置還包括信號發(fā)生器，用于在絕對 位移測量模式下接收到測量指令后，在一個信號發(fā)生周期內對所述第一組信號線中的N條 信號線依次加載激勵信號；在增量位移測量模式下接收到測量指令后，同時在所述第一組 信號線和第二組信號線中加載相同波形的載波信號，且每一組信號線中各信號線加載的載 波信號依次間隔相位差f。
4.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，該裝置還包括模式切換單元，用于使所 述讀取單元和所述位移確定單元同時切換至增量位移測量模式或者絕對位移測量模式。
5.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述讀取單元包括絕對測量拾取區(qū)和增 量測量拾取區(qū)；所述絕對測量拾取區(qū)，由至少一個矩形感應區(qū)域構成，共覆蓋R個條狀電極，用于在絕 對位移測量模式下輸出探測到的信號組合；所述矩形感應區(qū)域之間存在非導電的隔離區(qū)；所述增量測量拾取區(qū)，包含K個具有特定形狀的感應區(qū)域，每個感應區(qū)域覆蓋N個條狀 電極，用于在增量位移測量模式下輸出探測到的信號；所述特定形狀在條狀電極長度方向 上的幅度不恒定。
6.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述位移確定單元包括譯碼器和查表器；所述譯碼器，用于在絕對位移測量模式下將所述讀取單元輸出的信號組合譯碼為二進 制的絕對碼，并提供給所述查表器；在增量位移測量模式下，確定所述讀取單元輸出的信號 的相位，并提供給所述查表器；所述查表器，用于根據(jù)預設設置的絕對碼與位移量之間的對應關系，確定接收到的絕 對碼對應的位移量；根據(jù)預設的信號相位與位移量之間的對應關系，確定接收到的信號相 位對應的位移量。
7.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述N為4，每個空間周期內相同排次的 條狀電極連接到第一組信號線或第二組信號線中與該排次對應的信號線上；所述信號發(fā)生器在絕對位移測量模式下，在一個信號發(fā)生周期內采用分時復用的方 式，對第一組信號線中的4條信號線依次加載激勵信號；在增量位移測量模式下在第一組 信號線和第二組信號線中同時加載載波信號，且每一組信號線中各信號線加載的載波信號 依次間隔90°相位差。
8.根據(jù)權利要求2至7任一權項所述的裝置，其特征在于，所述激勵信號為脈沖信號；所述載波信號為三角函數(shù)信號或方波信號。
9.根據(jù)權利要求1至7任一權項所述的裝置，其特征在于，所述基底為柔性印刷線路 板，所述條狀電極和信號線利用卷到卷技術打印在所述基底上。
10.一種電容式線性位移測量的方法，該方法應用于包含位移標尺單元、讀取單元和位 移確定單元的裝置，其中，所述位移標尺單元包括基底、M個相同的條狀電極和第一組信 號線，M為大于或等于4的整數(shù)；所述M個條狀電極等間距并排排列在所述基底上，且每N 個連續(xù)的條狀電極構成一個空間周期，所述第一組信號線由N條信號線構成，N為大于或等 于2的整數(shù)；在絕對位移測量模式下，一個信號發(fā)生周期內所述第一組信號線中的N條信號 線被依次加載激勵信號；所述各條狀電極與所述第一組信號線之間的連接使得絕對位移測 量模式下讀取單元在各位移處探測到的激勵信號組合均不相同；該方法包括所述讀取單元沿著所述M個條狀電極移動，并輸出絕對位移測量模式下在覆蓋的R個 條狀電極上探測到的信號組合，R為大于或等于N的整數(shù)；所述位移確定單元在絕對位移測量模式下，利用預設的信號組合與位移量之間的對應 關系，確定所述讀取單元探測到的信號組合對應的位移量。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于，所述位移標尺單元還包括第二組信號 線，所述第二組信號線由另外N條信號線構成，在增量模式下所述第一組信號線和第二組 信號線中同時被加載相同波形的載波信號，且每一組信號線中各信號線被加載的載波信號 依次間隔相位差^!1;所述各條狀電極與所述第一組和第二組信號線之間的連接還使得增量位移測量模式下，在各空間周期中相同排次的條狀電極上加載的信號相位相同；該方法 還包括所述讀取單元輸出增量位移測量模式下在覆蓋的KN個條狀電極上探測到的信號，其 中K為大于或等于1的整數(shù)；所述位移測量單元在增量位移測量模式下，利用信號相位與位移量之間的對應關系， 確定所述讀取單元輸出的信號相位對應的位移量。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其特征在于，該方法還包括結合所述位移確定單元 在絕對位移測量模式下確定的位移量和在增量位移測量模式下確定的位移量，得到最終的位移測量值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電容式線性位移測量的裝置和方法，其中，條狀電極等間距并排排列在基底上，且每N個連續(xù)的條狀電極構成一個空間周期，N條信號線構成第一組信號線，N為大于或等于2的整數(shù)；在絕對位移測量模式下，一個信號發(fā)生周期內所述第一組信號線中的N條信號線被依次加載激勵信號；各條狀電極與第一組信號線之間的連接使得絕對位移測量模式下讀取單元在各位移處探測到的激勵信號組合均不相同；讀取單元沿著條狀電極移動，輸出在其覆蓋的條狀電極上探測到的信號組合，并提供給位移確定單元確定該信號組合對應的絕對位移量。本發(fā)明能夠更加簡單地實現(xiàn)絕對位移測量，且成本低，抗干擾能力強。
文檔編號G01B7/02GK101995208SQ200910162340
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月13日 優(yōu)先權日2009年8月13日
發(fā)明者杜昭輝, 楊藝榕, 林燕凌 申請人:西門子(中國)有限公司