專(zhuān)利名稱(chēng):測(cè)量位移的電容性傳感器的制作方法
本發(fā)明涉及到一種測(cè)量位移的電容性(capacitative)傳感器，它包括一個(gè)帶狀部分和一個(gè)滑動(dòng)部分，帶狀部分帶有一系列在位移方向上彼此間隔距離T的接收電極，滑動(dòng)部分面對(duì)著帶狀部分并帶有一系列在位移方向上彼此間隔T/N距離的發(fā)射電極。
在專(zhuān)利CH539837所描述的一種已知的電子控制裝置中，先對(duì)周期性結(jié)構(gòu)的發(fā)射電極電信號(hào)加以調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的增量等于發(fā)射電極在位移方向上的間距T/N，然后，調(diào)節(jié)信號(hào)幅度，直到帶狀部分的電極上的耦合信號(hào)減小到零。增量與內(nèi)插值之和就給出了位置。
由于控制信號(hào)的幅度提供了內(nèi)插度，從而給出位置，因而必須有一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
在另一已知裝置(GB2009944)中，提出了使定位精度優(yōu)于滑動(dòng)部分電極的間距T/N的兩種不同的解決方法。第一種方法是提供正弦信號(hào)，結(jié)合呈正弦曲線形狀的接收電極，而這種電極是難以實(shí)現(xiàn)的;此外，其中未考慮邊沿效應(yīng)。第二種方法是給出矩形信號(hào)，相位和位置的線性關(guān)系由一“探測(cè)窗口”的相位獲得，“探測(cè)窗口”對(duì)接收到的信號(hào)在一給定的時(shí)間范圍內(nèi)積分且其輸出由一相位控制器保持為零。
同其他已知的裝置一樣，以上所述的裝置，其最小純數(shù)字增量受滑動(dòng)部分電極間距T/N的數(shù)量級(jí)的限制，因此需要更為靈敏的電子模擬內(nèi)插裝置，因?yàn)榛瑒?dòng)部分的電極間距與要獲得的分辨率之比較高。本發(fā)明的目的是采用一種相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單的方法增加測(cè)量的精度。為此，傳感器滑動(dòng)部分的電極在電氣上劃分成M個(gè)組，每組包括N個(gè)相鄰電極，電子裝置能夠在每一組上產(chǎn)生周期間隔且相互延時(shí)的兩個(gè)信號(hào)部分中的一個(gè)，由一控制電路通過(guò)將上述組從一個(gè)信號(hào)部分轉(zhuǎn)接至另一部分來(lái)改變發(fā)射電極上的信號(hào)的結(jié)構(gòu)。
這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于裝置的數(shù)字增量遠(yuǎn)小于發(fā)射電極間距T/N，因此使得在大多數(shù)情況下，不再需要采用模擬內(nèi)插。
更具體地說(shuō)，所述電子裝置可以分別轉(zhuǎn)接每個(gè)包括N個(gè)發(fā)射電極的電極組，而不必如已有技術(shù)那樣必須同時(shí)轉(zhuǎn)接所有的發(fā)射電極。
假如有每組為N個(gè)發(fā)射電極的M個(gè)電極組，則在測(cè)量方向上一組間隔T/N(對(duì)應(yīng)于一個(gè)電極)的位移，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)該電極組合的平均等效位移T/(M·N)，只要N足夠大(8或更大)使得測(cè)量電容(measuring capacities)的變化程度在T/N范圍內(nèi)保持恒定且M組發(fā)射電極組的測(cè)量電容(measuring capacities)都相同。
如果后一要求不能滿(mǎn)足，那么把控制信號(hào)適當(dāng)?shù)胤植嫉讲煌姌O組可以解決這一困難。這也是必須將各組之間結(jié)構(gòu)偏差保持在最小程度的另一個(gè)原因。這可以使局部擾動(dòng)所產(chǎn)生的影響成為最小。
附圖所示是本發(fā)明的實(shí)施例和解釋性圖表圖1是本發(fā)明傳感器的示意圖。
圖2是信號(hào)發(fā)生器輸出的真值表。
圖3是一個(gè)轉(zhuǎn)接組的詳圖。
圖4表示發(fā)射電極上的信號(hào)結(jié)構(gòu)。
圖1表示了本發(fā)明的傳感器的示意圖。下面將要加以描述的一個(gè)電子部分可在滑動(dòng)部分40的每一發(fā)射電極1到32處產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)。帶狀部分50面對(duì)著滑動(dòng)部分40。為了易于理解，圖中將滑動(dòng)部分和帶狀部分的距離夸大了。帶狀部分上的奇數(shù)接收電極51和偶數(shù)接收電極52接收對(duì)面的發(fā)射電極發(fā)出的信號(hào)。兩個(gè)收集電極41和42分別收集來(lái)自奇數(shù)接收電極51和偶數(shù)接收電極52的信號(hào)。
發(fā)射電極產(chǎn)生的電場(chǎng)在測(cè)量方向上近似于是周期性的，平均周期約為2T。以下將給出電場(chǎng)的可能結(jié)構(gòu)的例子。
在奇數(shù)電極上接收到的信號(hào)與偶數(shù)電極上接收到的信號(hào)近似反相。屏蔽電極43防止了發(fā)射電極與收集電極之間的直接耦合。收集電極41、42連接到差動(dòng)比較器61的“+”“-”端，此差動(dòng)比較器61作用于校正邏輯單元62，后者又作用于二進(jìn)制計(jì)算機(jī)63。信號(hào)發(fā)生器64受計(jì)算機(jī)63的重負(fù)載輸出Q6、Q5、Q4的控制。時(shí)基60保證所有信號(hào)同步。信號(hào)發(fā)生器64的輸出G1到G8由轉(zhuǎn)接組65a-65h連接到發(fā)射電極1-32。每個(gè)轉(zhuǎn)接組65和四個(gè)相鄰發(fā)射電極相連，因而N＝4。實(shí)際上，N值選得大些，等于8或8以上，能省去前述非線性?xún)?nèi)插，因而較為有利。
信號(hào)發(fā)生器64有2N個(gè)輸出G1-G8，這是合乎邏輯的。因?yàn)樗鰧?shí)施例的接收電極有不同的安排，有必要提供一個(gè)空間周期約為2T的信號(hào)結(jié)構(gòu)，那就是說(shuō)對(duì)應(yīng)于2N個(gè)電極。
每個(gè)轉(zhuǎn)接組將發(fā)射電極直接或在測(cè)量方向上介入一位置延遲而和發(fā)生器相連。為此，每個(gè)轉(zhuǎn)接組由二進(jìn)制計(jì)算機(jī)63的輕負(fù)載輸出Q3、Q2、Q1中的一個(gè)控制。輸出Q3(負(fù)載為4)連接到四個(gè)轉(zhuǎn)接組65b、65c、65f、65g;輸出Q2(負(fù)載為2)連接到兩個(gè)轉(zhuǎn)接組65d、65e;輸出Q1(負(fù)載為1)連接到轉(zhuǎn)接組65h。最后，余下的轉(zhuǎn)接組65a的控制輸入接地?？梢钥闯觯瑸樾盘?hào)部分提供延遲的轉(zhuǎn)接組65的數(shù)目對(duì)應(yīng)于計(jì)算機(jī)63的三個(gè)輕負(fù)載輸出Q3、Q2和Q1的二進(jìn)制狀態(tài)。轉(zhuǎn)接組65a-65h的連接次序選擇得使幾何誤差，例如滑動(dòng)部分與帶狀部分之間的不平行性，對(duì)測(cè)量的影響為最小。
這樣，通過(guò)純數(shù)字內(nèi)插獲得了測(cè)量間隔M，它比通過(guò)2N個(gè)周期組將電極和信號(hào)發(fā)生器64直接相連更為精確。
圖2是作為來(lái)自二進(jìn)制計(jì)算機(jī)的輸入Q6、Q5、Q4的函數(shù)的信號(hào)發(fā)生器的輸出G1到G8的邏輯狀態(tài)直值表;調(diào)制輸入Q7(圖1)用于調(diào)節(jié)譯碼器的輸出，這里，譯碼器的輸出被認(rèn)為是“0”電平;當(dāng)為“1”電平時(shí)，輸出G1到G8全部相反。
如果信號(hào)發(fā)生器64的輸出G1到G8直接連接到發(fā)射電極1到32上，就會(huì)得到在電極1到32上調(diào)制的周期性的空間信號(hào)部分，信號(hào)發(fā)生器輸出的一個(gè)狀態(tài)傳到下一個(gè)時(shí)會(huì)將此空間信號(hào)部分延遲一個(gè)增量T/N，也就是在測(cè)量方向上一個(gè)發(fā)射電極的間距。
圖3顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，它示出了采用CMOS技術(shù)的轉(zhuǎn)接組65c以及它與信號(hào)發(fā)生器64的N個(gè)信號(hào)G1到G4、電極9-12、相鄰轉(zhuǎn)接組65b、65d以及控制信號(hào)Q3、Q2、Q1和它們的補(bǔ)碼信號(hào)Q3＊、Q2＊、Q1＊之間的連接。當(dāng)它們?yōu)檫壿嫚顟B(tài)“1”控制時(shí)，N型場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，而當(dāng)它們?yōu)檫壿嫚顟B(tài)“0”控制時(shí)，P型場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通。對(duì)電路分析一下會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于轉(zhuǎn)接組65c，如果輸出Q3為邏輯“1”，轉(zhuǎn)接組就將信號(hào)延遲一個(gè)增量。
圖4表示了發(fā)射電極上隨二進(jìn)制計(jì)算機(jī)63的輸出Q6到Q1的狀態(tài)而變的信號(hào)結(jié)構(gòu)。
圖中示出了發(fā)射電極上兩信號(hào)反相調(diào)制的部分。組成一種信號(hào)的電極1-32為空白格，而組成另一種信號(hào)的為黑格，從而給出了信號(hào)結(jié)構(gòu)的增量位移隨計(jì)算機(jī)63的輸出Q6到Q1而變化的形象化的說(shuō)明。
可以看出，在相鄰(連續(xù))的兩個(gè)狀態(tài)之間，信號(hào)結(jié)構(gòu)被延遲了，而要重建被一個(gè)電極延遲的，即在測(cè)量方向上有T/N的延遲的最初的信號(hào)結(jié)構(gòu)必須要有M＝8個(gè)計(jì)算機(jī)增量，在測(cè)量方向上移動(dòng)T/N距離，從而給出一個(gè)數(shù)字增量T/(M·N)。
顯然，轉(zhuǎn)接組的選擇序列可與圖4所示的不同，這是可從轉(zhuǎn)接組65a到65h與計(jì)算機(jī)63的輸出Q3、Q2、Q1的接線中得出的。例如，可將每個(gè)轉(zhuǎn)接組的二進(jìn)制輸出Q3、Q2、Q1譯碼，這就可以提供較多的可供選擇的序列。
電子控制，特別是校正邏輯單元62，可以用多種不同的獲得信號(hào)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，考慮到調(diào)制相位，比較器的輸出狀態(tài)可用以向上或向下修正計(jì)算機(jī)63的狀態(tài);在這種情況下，計(jì)算機(jī)63成為一個(gè)可逆讀數(shù)器，計(jì)算機(jī)63所穩(wěn)定的狀態(tài)就給出了位移的測(cè)量值。這樣完成了電子控制，發(fā)射電極1-32上的信號(hào)結(jié)構(gòu)“跟隨”著帶狀部分接收電極51、52的位移。
本發(fā)明的一個(gè)目的是要減少電子模擬部分，省去過(guò)濾裝置可能使比較器在平衡點(diǎn)附近產(chǎn)生一隨機(jī)數(shù)字輸出。然而，作為所要求的信號(hào)分辨率的函數(shù)，可以對(duì)計(jì)算機(jī)63的一系列輸出狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字濾波，例如，取幾個(gè)連續(xù)狀態(tài)的平均值。
類(lèi)似地，計(jì)算機(jī)63的狀態(tài)可由兩個(gè)遞增/遞減輸入來(lái)改變，一個(gè)較窄，另一個(gè)較寬，以便更好地適應(yīng)快速的位移。
最后，也可以通過(guò)以固定頻率使計(jì)算機(jī)63增量，產(chǎn)生一個(gè)在測(cè)量方向上連續(xù)移位的信號(hào)結(jié)構(gòu);比較器61的信號(hào)就這樣被解調(diào)，解調(diào)后的信號(hào)的相位變化與位移成正比。
以上對(duì)本發(fā)明的傳感器聯(lián)系線性位移的測(cè)量作了描述，所述原理也能應(yīng)用于平面或柱面?zhèn)鞲衅?。同時(shí)也很顯然，采用滑動(dòng)部分和帶狀部分的定義是為了描述清楚起見(jiàn)，但是，滑動(dòng)部分和帶狀部分的功能也可以互換而毫不改變本發(fā)明的原理。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量位移的電容性(capac itativc)傳感器，包括兩個(gè)彼此可以作相對(duì)移動(dòng)的單元，第一個(gè)單元包括一系列在位移方向上彼此間距為T(mén)的接收電極，第二個(gè)單元面對(duì)著帶狀部分并包括一系列在位移方向上彼此間距T/N的發(fā)射電極，其特征在于，發(fā)射電極在電氣上劃分成M組，每組包括N個(gè)相鄰電極，一電子裝置能在每一組上產(chǎn)生周期地間隔并且相互延遲的兩個(gè)信號(hào)部分中的一個(gè)，一個(gè)控制電路通過(guò)將電極組從一個(gè)信號(hào)部分轉(zhuǎn)到另一信號(hào)部分來(lái)改變發(fā)射電極上的信號(hào)結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求
1所述的傳感器，其特征在于，發(fā)射電極上的信號(hào)結(jié)構(gòu)的改變是通過(guò)將兩個(gè)信號(hào)部分在位移方向上延遲而實(shí)現(xiàn)的。
3.如權(quán)利要求
1所述的傳感器，其特征在于，兩個(gè)信號(hào)部分之一由一個(gè)具有N或2N個(gè)輸出的信號(hào)發(fā)生器提供，另一個(gè)則通過(guò)插在每個(gè)電極組與信號(hào)發(fā)生器的輸出之間的轉(zhuǎn)接組從第一個(gè)得到。
4.如權(quán)利要求
1或3中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，電子裝置根據(jù)滑動(dòng)部分和帶狀部分的接收電極之間的相對(duì)位移來(lái)控制在滑動(dòng)部分的發(fā)射電極上轉(zhuǎn)移的信號(hào)結(jié)構(gòu)的位移。
5.如權(quán)利要求
1或3中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，電子裝置給滑動(dòng)部分發(fā)射電極的信號(hào)結(jié)構(gòu)以一個(gè)固定的位移速度，位移則由接收到的信號(hào)的相移測(cè)得。
專(zhuān)利摘要
測(cè)量位移的電容性(capac it at ive)傳感器，包括一上面具有多個(gè)發(fā)射電極組(1到32)的滑動(dòng)部分，發(fā)射電極面對(duì)著帶狀部分上面的接收電極(51—52)。電子電路將周期性的信號(hào)結(jié)構(gòu)加到發(fā)射電極上，并能分別轉(zhuǎn)接各個(gè)電極組。這樣，面對(duì)滑動(dòng)部分的接收電極所收到的信號(hào)的分辨率更高，從而，所測(cè)得的位移測(cè)量值更為精確。
文檔編號(hào)G01D5/245GK87107060SQ87107060
公開(kāi)日1988年5月25日 申請(qǐng)日期1987年10月17日
發(fā)明者漢斯·烏爾里?！み~爾 申請(qǐng)人:漢斯·烏爾里?！み~爾導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan