專(zhuān)利名稱(chēng)：具有改進(jìn)電極排列的電容型測(cè)量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為1987年3月26日提交的071030346號(hào)共同申請(qǐng)的部分連續(xù)申請(qǐng)。
本發(fā)明涉及測(cè)量線(xiàn)度和角度的位移測(cè)量裝置，特別涉及電容測(cè)量裝置。
許多測(cè)量線(xiàn)度和角度的電容測(cè)量裝置已得到改進(jìn)，在這些裝置中，一系列分立的電容耦合電極彼此間能夠發(fā)生相對(duì)位移，由此產(chǎn)生經(jīng)處理能夠提供內(nèi)插(interpolation)測(cè)量數(shù)據(jù)的電信號(hào)。這些裝置的實(shí)例包括申請(qǐng)人本人在美國(guó)專(zhuān)利No.4420754(′754專(zhuān)利)中公開(kāi)的已有裝置和在美國(guó)專(zhuān)利No.4586260(Baxter等人)中公開(kāi)的裝置以及美國(guó)專(zhuān)利No.4654524(kita)中公開(kāi)的裝置。
各種相關(guān)因素影響這些測(cè)量裝置的分辨率和精度，包括電極的尺寸和間距以及測(cè)量元件的幾何結(jié)構(gòu)和對(duì)正的精度。作為信號(hào)噪音的函數(shù)的數(shù)據(jù)內(nèi)插等級(jí)和精度也是很重要的。信號(hào)噪音包括電極間的附加耦合引起的噪聲和電信號(hào)處理的混雜噪音。
如果不顯著地增加制造的成本和復(fù)雜性以及引入非線(xiàn)性靈敏度或所需的高質(zhì)量信號(hào)處理，則使得電容測(cè)量裝置的分辨率顯著改進(jìn)是不可能的。例如，前述的申請(qǐng)人在′754專(zhuān)利中公開(kāi)的傳感器中，分辨率基本上由刻度波長(zhǎng)(即對(duì)一個(gè)給定信號(hào)相位，電容函數(shù)重復(fù)出現(xiàn)的距離，它與刻度電極的間距相對(duì)應(yīng)的)和內(nèi)插等級(jí)決定的。刻度波長(zhǎng)越短，達(dá)到一個(gè)給定分辨率所需要的內(nèi)插等級(jí)越低。反之，為實(shí)現(xiàn)同樣的分辨率，增加內(nèi)插等級(jí)，則允許更長(zhǎng)的刻度波長(zhǎng)。
然而，在申請(qǐng)人′754專(zhuān)利中公開(kāi)的傳感器上，與發(fā)射信號(hào)的相位數(shù)目相對(duì)應(yīng)的多個(gè)發(fā)射器電極被置于一個(gè)刻度波長(zhǎng)之間，因此，發(fā)射器電極必須具有比刻度電極小得多的間距。所以，刻度波長(zhǎng)的顯著減少要受到顯著減少相應(yīng)的發(fā)射器電極的寬度和間距的能力的限制，并且需要將相對(duì)簡(jiǎn)單和便宜的制造技術(shù)(例如印刷電路技術(shù))改變成復(fù)雜而昂貴的技術(shù)(例如薄膜氣相淀積技術(shù))。相似地，增加內(nèi)插精度，需要電路更復(fù)雜和昂貴，并且在便攜的手持測(cè)量裝置(例如，測(cè)徑器)中采用低電壓系統(tǒng)的條件下，增加內(nèi)插等級(jí)尤其重要。
作為另一個(gè)例子，在前面提到的Baxter等人的系統(tǒng)中，發(fā)射器電極沿縱向分成空間正交的X組和Y組電極。雙相位高頻激勵(lì)信號(hào)分別交替施加于發(fā)射器電極的元件上，產(chǎn)生了X和Y拾取信號(hào)，這表示將信號(hào)從滑動(dòng)元件相應(yīng)的X和Y組電容耦合到相臨的接收器電極上。然而，發(fā)射器電極的分組排列使Baxter等人的系統(tǒng)游標(biāo)(slider)和刻度之間間隔的非均勻性特別敏感。
作為再一個(gè)例子，前述的Kita系統(tǒng)中，分別采用n和n+m個(gè)元件組成的兩陳列產(chǎn)生一組輸出，在相對(duì)于一組陳列元件的連續(xù)位置作圖時(shí)，輸出電平形成波，輸出相位隨兩組陳列的相對(duì)位移而變化。通過(guò)測(cè)量相對(duì)于元件輸出的最大可能值譜的相位變化來(lái)測(cè)量該位移。然而，這種測(cè)量技術(shù)需要對(duì)各個(gè)輸出進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，以便獲得每個(gè)輸出的最大可能位置，這需要對(duì)有多組陳列元件的系統(tǒng)進(jìn)行大量的運(yùn)算。
本發(fā)明的一個(gè)基本目的是提供一種改進(jìn)的電容測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)，它允許利用給定的制造技術(shù)得到較短的刻度波長(zhǎng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的電容測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)，其中能更簡(jiǎn)單和便宜地實(shí)現(xiàn)給定的刻度波長(zhǎng)，而不必增加間隙變化靈敏度或增加完成測(cè)量所需的信號(hào)處理量或復(fù)雜性。
本發(fā)明的這些和其它目的可由一電容測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)。該裝置包括分別安置在相對(duì)位移的第一和第二支撐元件上并與測(cè)量軸對(duì)正的第一和第二電容耦合測(cè)量陳列，以便得到一個(gè)隨支撐元件間的相對(duì)位置變化的電容特征曲線(xiàn)。第一測(cè)量陳列包括以定義為刻度波長(zhǎng)的Pr為間距而均勻隔開(kāi)的一系列分立的第一電極，第二測(cè)量陳列包括一系列分立的第二電極，將第二電極如此安置，以使得能夠根據(jù)支撐元件的相對(duì)位置與第一測(cè)量組的不同部分進(jìn)行電容耦合。第二電極的排列確定了許多各具有N個(gè)電極的電極組，其中，N為一大于2的整數(shù)，并且，其中ⅰ)每個(gè)電極組具有相同的組距Pg.Pg為刻度波長(zhǎng)的倍數(shù);ⅱ)形成每個(gè)電極組的第二電極在相應(yīng)的組中如此排列，以使其分別占據(jù)大于一個(gè)刻度波長(zhǎng)距離的預(yù)定組位置，每個(gè)位置代表一族相應(yīng)刻度波長(zhǎng)分段位置中的不同位置，這些分段位置是將電極組距離分成與刻度波長(zhǎng)相應(yīng)的間隔，再把每個(gè)間隔分成N等段份得到的。組電極最好分布于整個(gè)組范圍內(nèi)，使得該組的每個(gè)間隔中至少有一個(gè)第二電極。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第二電極以間距Pt均勻隔開(kāi)，組距Pg為刻度波長(zhǎng)的整數(shù)倍，每組中的電極占據(jù)相應(yīng)組位置的相同位置順序。另一方面，第二電極間距不均勻，每組中的電極至少分成兩個(gè)分組。在每一分組中的第二電極以第一間距均勻隔開(kāi)，而分組之間以與第一間距不同的第二間距分開(kāi)。非均勻隔開(kāi)的第二電極組至少確定一個(gè)組族，族距Ps為刻度波長(zhǎng)的整數(shù)倍，一族內(nèi)各電極組中的第二電極占據(jù)的相應(yīng)組位置是不同的。因此，一組內(nèi)各分組的電極占據(jù)不同的相應(yīng)刻度波長(zhǎng)分段位置排列(Permutation)。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，N個(gè)遞增的不同周期變化的信號(hào)按各組中第二電極占據(jù)的相應(yīng)刻度波長(zhǎng)位置順序施加于該組中相應(yīng)的第二電極上，耦合到第二電極上的第一電極的輸出匯成一合成信號(hào)，從該信號(hào)中可得到位移數(shù)據(jù)。
作為本發(fā)明的一個(gè)結(jié)果，采用具有比刻度波長(zhǎng)大的間距的第二電極，有可能得到相同的分辨率。這就允許或者用給定的制造技術(shù)得到較短的刻度波長(zhǎng)，或者以更簡(jiǎn)單的方式得到一個(gè)給定刻度波長(zhǎng)，而不必增加非線(xiàn)性靈敏度或者需要附加的或更復(fù)雜的信號(hào)處理。
本發(fā)明的這些和其它特性和特點(diǎn)將通過(guò)下述的對(duì)最佳實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明得到描述或理解。
最佳實(shí)施例將參照附圖給出描述，其中，相同的元件用相同的參考數(shù)字表示。


圖1為具有一個(gè)根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的傳感器的電容型測(cè)徑器的透視示意圖。
圖2是一個(gè)常規(guī)電容式傳感器電極排列和按照本發(fā)明的傳感器電極排列的比較圖。
圖3-7是根據(jù)本發(fā)明的各種電極排列的示意圖。
圖8為采用本發(fā)明的傳感器的典型信號(hào)發(fā)生和處理裝置的原理方框圖。
圖9為圖8所示裝置產(chǎn)生的各種信號(hào)的波形時(shí)序圖。
參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的電容型線(xiàn)性測(cè)徑器10基本上由傳感器12和敏感元件40構(gòu)成，傳感器12包括第一線(xiàn)性支撐元件20和第二線(xiàn)性支撐元件30，第二線(xiàn)性支撐元件30可滑動(dòng)地安裝在支撐元件20上，以便沿測(cè)量軸X相對(duì)于元件20產(chǎn)生縱向位移。為方便起見(jiàn)，支撐元件20和30最好裝有伸長(zhǎng)的測(cè)徑器臂(未示出)，以便對(duì)物體進(jìn)行線(xiàn)性度測(cè)量。支撐元件20和30之間的間隙最好是0.05mm的量級(jí)(0.002吋)。
彼此相對(duì)并與相應(yīng)的測(cè)量軸和測(cè)量臂對(duì)正安置在相應(yīng)的支撐元件上的分別由22和32表示的第一電極陳列和第二電極陳列。電極陳列22配裝在支撐元件20上，它包括圖中所示的一排分立的彼此電絕緣的接收器電極24，這些接收器電極具有相同的幾何結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)預(yù)定的所需刻度波長(zhǎng)，沿測(cè)量軸彼此隔開(kāi)相同的間距Pr(相應(yīng)的邊緣之間的距離)。配置于支撐元件30上的電極陳列32包括一排分立的發(fā)射器電極34，這些發(fā)射器電極如此排列，使之能根據(jù)支撐元件20和30的相對(duì)位置與電極陳列22的不同部分進(jìn)行電容耦合。電極34以預(yù)定方式相對(duì)于電極24如此排列，以便確定一個(gè)隨支撐元件的相對(duì)位置變化的單值電容特性曲線(xiàn)，正如將在下面進(jìn)一步解釋的那樣。
探測(cè)電極布局也安置在相應(yīng)的支撐元件上，它允許在將被檢測(cè)的第一和第二陳列22和32之間進(jìn)行電容耦合。如圖所示，探測(cè)電極布局包括一個(gè)與支撐元件20上的每個(gè)接收器電極24相連的傳輸電極26和一個(gè)位于支撐元件30之上與電極34相臨的、與傳輸電極26相對(duì)的探測(cè)器電極36，以使其和與電極陳列22的特殊位置相連的特定傳輸電極26進(jìn)行電容耦合，然后再與電極陳列32進(jìn)行電容耦合。如圖所示，傳輸電極26最好與連接的電極24排列于同一直線(xiàn)上，并且通過(guò)整體上形成的接觸電極28與之電連接。
由于電極24和34產(chǎn)生的信號(hào)實(shí)質(zhì)上具有正弦強(qiáng)度與電極寬度(沿測(cè)量方向)的關(guān)系，所以，電極24和34在測(cè)量方向的寬度Wx最好選取為接收器緙渚郟r的一半左右。如果需要，寬度Wx可以小于半個(gè)間距Pr，以便與用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理的電子線(xiàn)路的靈敏度相適應(yīng)。如圖所示，傳輸電極26的尺寸最好使之相對(duì)于探測(cè)器電極具有最大的表面積，以便在電極26和36之間提供最大的信號(hào)傳輸。探測(cè)器電極36具有一個(gè)測(cè)量方向的寬度是很重要的，這樣就可以使經(jīng)過(guò)由發(fā)射器電極34的、電容耦合接收器電極24、傳輸電極26和探測(cè)器電極36確定的整個(gè)發(fā)射通路的信號(hào)傳輸實(shí)質(zhì)上是相同的。因此，如圖所示，探測(cè)器電極36在兩個(gè)測(cè)量軸方向上充分延伸，以超出發(fā)射器電極34的系列，例如，延伸大于一個(gè)Pr的距離，這樣，由發(fā)射器電極感應(yīng)到接收器電極的任何電場(chǎng)都在探測(cè)器電極36的相應(yīng)端被削弱到可以忽略的程度。另一方面，探測(cè)器電極36應(yīng)比電極陳列32短得多，這樣，電極36端部的電極場(chǎng)是均勻的，由電極陳列32的端部引起的邊緣效應(yīng)可以避免。此外，當(dāng)探測(cè)器電極36比電極陳列32短時(shí)，探測(cè)器36的有效長(zhǎng)度必須是發(fā)射器電極組間距Pg的整數(shù)倍(Pg將在下面定義)。
如果需要，可以將電極陳列22安置在可移動(dòng)的支撐元件30上，將電極陳列32安置在支撐元件20上，從而代替圖1所示的安裝方式。
敏感元件40通過(guò)測(cè)量輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的相位關(guān)系來(lái)檢測(cè)傳感器12的第一電極陳列與第二電極陳列22和32之間的電容耦合，并將上述關(guān)系信息轉(zhuǎn)換成指示兩個(gè)支撐元件20和30之間相關(guān)的測(cè)量方向上的位移。按照本發(fā)明，N是一個(gè)大于2的整數(shù)，由信號(hào)發(fā)生器50產(chǎn)生的N個(gè)不同周期變化的信號(hào)，按照下面將詳細(xì)敘述的預(yù)定順序施加在相應(yīng)的發(fā)射器電極組之上。由探測(cè)器電極36產(chǎn)生的結(jié)果輸出信號(hào)饋給信號(hào)處理器60，在此，這些信號(hào)以常規(guī)方式與參考信號(hào)進(jìn)行比較，從而得到測(cè)量數(shù)據(jù)。正如下面將詳細(xì)敘述的那樣，信號(hào)發(fā)生器50是一個(gè)多相信號(hào)發(fā)生器，它能產(chǎn)生N個(gè)具有相同幅度和頻率的周期信號(hào)，但是彼此之間相位增加360/N度。信號(hào)處理器60測(cè)量由探測(cè)電極36得到的傳感器輸出信號(hào)的最終相移。
再看發(fā)射器電極34的設(shè)置，分立的發(fā)射器電極的測(cè)量方向的寬度可以通過(guò)安排這些電極使其相對(duì)于刻度波長(zhǎng)而顯著增大，即，確定一系列電極組，每個(gè)電極組具有N個(gè)電極34和相同的組間距Pg(Pg定義為相鄰組的端電極邊緣之間的距離)，Pg是刻度波長(zhǎng)的倍數(shù)倍。在每個(gè)電極組中，電極34相應(yīng)占據(jù)N組的位置，這些位置以相隔大于一個(gè)刻度波長(zhǎng)的距離分布著。每個(gè)位置相應(yīng)于相應(yīng)波長(zhǎng)分段位置族的不同相應(yīng)位置，這些分段位置是將一個(gè)電極組距離分成與刻度波長(zhǎng)相應(yīng)的間隔，并將每個(gè)間隔分成N等份得到的。組電極分布于該組整個(gè)測(cè)量方向?qū)挾壬?，從而使得在該組的每個(gè)間隔上至少有一個(gè)電極34。
為了幫助理解本發(fā)明的這個(gè)方面，在圖2中示出了用于前述申請(qǐng)人在′754專(zhuān)利中公開(kāi)的常規(guī)傳感器和用于本發(fā)明的傳感器相應(yīng)電極排列的重疊關(guān)系，這兩個(gè)傳感器均帶有一個(gè)產(chǎn)生8個(gè)遞增的不同的輸出信號(hào)順序的信號(hào)發(fā)生器50。如圖所示，常規(guī)傳感器的發(fā)射器電極34a與相應(yīng)的接收器電極24的間距Pt等于1/8刻度波長(zhǎng)(接收器電極間距Pr)。信號(hào)發(fā)生器50產(chǎn)生的8個(gè)輸出信號(hào)分別以重復(fù)遞增的數(shù)列(1-2-3-4-5-6-7-8)與發(fā)射器電極34a相連接，如圖所示，這樣就確定了電極34a的許多相同的組35a，這些電極分別與順序信號(hào)發(fā)生器的不同輸出信號(hào)相連。每一組35a的電極34a分布在與信號(hào)刻度波長(zhǎng)相應(yīng)的距離上，(信號(hào)刻度波長(zhǎng)即接收器電極間距Pr)。
與此相反，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射器電極34b與相應(yīng)的接收器電極24之間的間距Pt＝5/8Pr，于是，8個(gè)發(fā)射器電極34b的一個(gè)組35b的最終組間Pg等于5個(gè)刻度波長(zhǎng)(Pg＝5Pr)。進(jìn)一步說(shuō)，在將組分成5個(gè)刻度波長(zhǎng)間隔、并且將每個(gè)刻度波長(zhǎng)間隔分成8個(gè)分段的基礎(chǔ)上，可以看出，對(duì)于每一個(gè)電極組35b，發(fā)射器電極34b占據(jù)該組內(nèi)的這樣的位置，以使得在該組的每個(gè)刻度波長(zhǎng)間隔內(nèi)至少配置一個(gè)發(fā)射器電極34b，每組電極位置與不同的刻度波長(zhǎng)分段的相應(yīng)位置相對(duì)應(yīng)。采用一序數(shù)數(shù)列來(lái)識(shí)別相應(yīng)的刻度波長(zhǎng)分段位置。在刻度元件20和30中發(fā)射器電極34b實(shí)質(zhì)上和前面提到的申請(qǐng)人的′754專(zhuān)利中公開(kāi)的常規(guī)發(fā)射器電極的配置是相同的。唯一的顯著區(qū)別是，為得到和申請(qǐng)人的′754專(zhuān)利實(shí)施例中相同的電容特性，接收器電極信號(hào)必須在多個(gè)刻度波長(zhǎng)的范圍內(nèi)積分。然而，本發(fā)明允許采用寬得多的發(fā)射電極間距而得到相同的結(jié)果，因而也允許采用比刻度波長(zhǎng)寬得多的發(fā)射器電極。
將被理解的是，對(duì)于一個(gè)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的供定數(shù)N，存在n個(gè)發(fā)射器電極間距，這些間距允許N個(gè)電極均勻分布于多個(gè)刻度波長(zhǎng)范圍內(nèi)的如前所述的不同的相應(yīng)刻度波長(zhǎng)分段位置上。圖3示出N＝8的測(cè)量系統(tǒng)中另一個(gè)這樣的緙帕小Ｔ諭 的排列中，發(fā)射器電極間距Pt＝3/8Pr，每組中的相應(yīng)發(fā)射器電極34具有順序?yàn)?-4-7-2-5-8-3-6的相應(yīng)刻度波長(zhǎng)分段位置。其它可能的排列包括Pt＝7/8Pr，對(duì)于后述的這些排列，相應(yīng)的刻度波長(zhǎng)位置的順序分別為1-8-7-6-5-4-3-2和1-2-3-4-5-6-7-8。
雖然發(fā)射器電極34最好是具有同樣的間距Pt，組間距Pg是刻度波長(zhǎng)的整數(shù)倍，每組的電極占據(jù)與其它各組同樣的順序的相應(yīng)刻度波長(zhǎng)分段位置，但是在前述的實(shí)施例中，并不需要發(fā)射器電極具有相同的位置。圖4示出一個(gè)N＝6的電極排列，其中，將每組中的發(fā)射器電極排列成兩個(gè)分組。如圖所示，組間距Pg＝3Pr，每個(gè)分組中的電極之間彼此按第一間距Pt1＝2/6Pr均勻隔開(kāi)，分組之間大于第一間距Pt1的第二間距Pt2均勻隔開(kāi)(Pt2＝9/6Pr)。圖4所示的實(shí)施例的每組中電極34的排列仍可以使得在該組的每個(gè)刻度波長(zhǎng)間隔中至少有一個(gè)電極，每組位置構(gòu)成不同的相應(yīng)刻度波長(zhǎng)分段位置，這與其各組中電極以相同的間距隔開(kāi)的上述實(shí)施例相似。
再有，如圖5-7所示的實(shí)施例中，具有非均勻隔開(kāi)的發(fā)射器電極，這些電極最好是如此排列，以使其至少一個(gè)電極組族具有等于刻度波長(zhǎng)的整數(shù)倍的族距Ps。如圖所示，一個(gè)族內(nèi)每個(gè)電極組以及每個(gè)組的分組中的發(fā)射器電極34所處的相應(yīng)刻度波長(zhǎng)分段位置順序是不同的，從而使該族中的所有信號(hào)相位具有相同的傳輸特性。參照?qǐng)D5，圖5示出N＝6的第一個(gè)可選取的排列，電極組確定了包括三個(gè)組，并且有族間距Ps＝7Pr的一個(gè)族。每組包括各有三個(gè)電極的兩個(gè)分組，正如圖4的實(shí)施例所示。與圖4的實(shí)施例中的電極一樣，每個(gè)分組中的電極彼此隔開(kāi)相同的間距Pt1＝2/6Pr，但在分組之間具有較小的間距Pt2＝7/6Pr，組間距Pg＝14/6Pr。如圖所示，在整個(gè)族中，每個(gè)分組的相應(yīng)刻度波長(zhǎng)分段位置的順序是不同的，這些順序分別是1-3-5，2-4-6，3-5-1，4-6-2，5-1-3，6-2-4。因此，在整個(gè)組族覆蓋的距離內(nèi)的所有信號(hào)的相位是相同的，所有的信號(hào)相位經(jīng)歷了相同的一組電容邊緣效應(yīng)和鄰電極電容的條件，從而降低了內(nèi)插誤差。
圖6的實(shí)施例和圖5相似，不同的是Ps＝13Pr，Pg＝26/6Pr，Pt1＝4/6Pr和Pt2＝13/6Pr。在圖7的實(shí)施例中，每組包括各有兩個(gè)電極的分組。在每個(gè)分組中，電極的間距為Pr1＝13/6Pr，分組間距Pt2＝7/6Pr，組間距Pg＝21/6Pr。這些電極組確定了一個(gè)有兩組的族，族間距為Ps＝7Pr。
將被進(jìn)一步理解的是，為了獲得在以電容耦合關(guān)系配置的相應(yīng)的發(fā)射器電極和接收器電極之間的電容傳輸功能而采用的分離信號(hào)的選擇數(shù)目N是受到所需的精度和得到的敏感儀器的復(fù)雜程度的影響。內(nèi)插誤差隨N值增大而減小。然而，N值越大，所需的信號(hào)產(chǎn)生和處理電路越昂貴，傳感器和信號(hào)發(fā)生電路之間所需的連接數(shù)日越多，增加了誤差來(lái)源。
在圖8和圖9中，將描述用于檢測(cè)傳感器10的電極陳列22和32之間的耦合電容的敏感元件40的一個(gè)典型實(shí)施例。
信號(hào)發(fā)生器50包括用于產(chǎn)生頻率為f0的連續(xù)方波高頻(HF)信號(hào)100的振器52，用于將振蕩器的輸出信號(hào)100分為三個(gè)相應(yīng)的低頻信號(hào)150的分頻器54，用于將信號(hào)130轉(zhuǎn)換成8個(gè)控制信號(hào)200-1至200-8的相位轉(zhuǎn)換器56，(這些連續(xù)發(fā)生的控制信號(hào)具有相同的脈沖寬度和重復(fù)速率以及相互間的45°相移)，和用于調(diào)制帶有8個(gè)信號(hào)200-1至200-8的振蕩器輸出信號(hào)100的調(diào)制器58，以便產(chǎn)生如圖9所示的8個(gè)相移激勵(lì)信號(hào)202-1至202-8。將被理解的是，輸出信號(hào)100的調(diào)制最好由響應(yīng)脈沖信號(hào)200的反相(180°相移)信號(hào)來(lái)完成，這使得每個(gè)激勵(lì)信號(hào)202都是頻率為f0的連續(xù)輸出信號(hào)，但這些信號(hào)按照與之相連的脈沖信號(hào)200具有相對(duì)的反相部分。調(diào)制器58包括一系列異一或門(mén)，每個(gè)門(mén)具有一個(gè)與信號(hào)200中的一個(gè)信號(hào)相連的輸入端和與高頻信號(hào)100相連的其它輸入端，當(dāng)信號(hào)200對(duì)于一個(gè)門(mén)來(lái)說(shuō)是高電平時(shí)，該門(mén)輸出的信號(hào)202是非反相信號(hào)100。當(dāng)信號(hào)200對(duì)于一個(gè)門(mén)來(lái)說(shuō)是低電平時(shí)，該門(mén)輸出的信號(hào)是非反相信號(hào)100。為清楚起見(jiàn)，僅示出信號(hào)200的包路線(xiàn)。激動(dòng)信號(hào)202-1至202-8按上述方式依次連接到傳感器12的發(fā)射器電極34組之上。
信號(hào)處理器60包括用于放大由傳感器12的探測(cè)器電極36產(chǎn)生的合成高頻調(diào)制方波信號(hào)輸出的放大器62，由振蕩器52的輸出100控制的同步解調(diào)器64，(它用于解調(diào)放大器62產(chǎn)生的放大傳感器信號(hào)204，以便形成如圖所示的合成方波包路線(xiàn)輸出信號(hào)206)，用于消除解調(diào)輸出信號(hào)206中的諧波，使之只保留基本成分并因此產(chǎn)生如圖所示的實(shí)質(zhì)上為正弦的信號(hào)208的濾波器66，用于當(dāng)信號(hào)208在預(yù)定方向上越零時(shí)產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)210的越零探測(cè)器，記錄振蕩器輸出信號(hào)100的計(jì)數(shù)器70，(該計(jì)算器是在與計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)/復(fù)位輸入相連的控制單元80產(chǎn)生的參考控制信號(hào)300和與計(jì)數(shù)器的停止輸入相連的越零探測(cè)器68產(chǎn)生的控制信號(hào)210的控制下計(jì)數(shù)的)，用于將計(jì)數(shù)器70的計(jì)數(shù)輸出212轉(zhuǎn)換成為數(shù)字變化量的數(shù)據(jù)處理器72，和顯示數(shù)據(jù)處理器90的輸出的顯示器74。由控制單元80產(chǎn)生的參考控制信號(hào)300是與相應(yīng)的控制信號(hào)200中的一個(gè)信號(hào)(例如200-1)的發(fā)生同步產(chǎn)生的，并與分頻器54產(chǎn)生的控制信號(hào)150相應(yīng)。數(shù)據(jù)處理器72的工作是以常規(guī)方式，通過(guò)另一個(gè)控制信號(hào)400來(lái)控制的，由控制單元80產(chǎn)生的控制信號(hào)400是與控制信號(hào)200-1至200-8的整個(gè)周期的產(chǎn)生同步的。
正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知道的，傳感器12的輸出(輸出信號(hào)206)在形式上與申請(qǐng)人的′754專(zhuān)利中公開(kāi)的傳感器輸出相似，它反映了在測(cè)量方向上的電容特征分布。這種分布是指在由發(fā)射器電極34，接收器電極24、連接電極28、傳輸電極26和控制電極36所確定的信號(hào)通路上的分布。然而，傳感器12的輸出是在多個(gè)刻度波長(zhǎng)范圍內(nèi)得到的平均信號(hào)，而不是在一個(gè)刻度波長(zhǎng)的長(zhǎng)度內(nèi)得到的。濾波后的傳感器輸出信號(hào)相對(duì)于產(chǎn)生輸出信號(hào)的輸入信號(hào)的時(shí)序的相移θ仍與傳感器支撐元件間的相對(duì)位移成線(xiàn)性關(guān)系(在一個(gè)刻度波長(zhǎng)的位移范圍內(nèi))，即θ＝dx/Pr(360°)，dx為測(cè)量距離。如上所述可以清楚地看出，與信號(hào)200中的一個(gè)信號(hào)的產(chǎn)生同時(shí)出現(xiàn)的計(jì)數(shù)器70的計(jì)數(shù)啟始和5已處理的傳感器輸出信號(hào)208越零同時(shí)出現(xiàn)的計(jì)算器的計(jì)數(shù)停止之間的時(shí)間，反映了被測(cè)量的相移。并且極容易地轉(zhuǎn)換成反映測(cè)量距離dx的數(shù)據(jù)。
由于傳感器12的輸出和申請(qǐng)人的′754專(zhuān)利公開(kāi)的傳感器的輸出具有相同的形式，示于′754專(zhuān)利的附圖9和附圖14-16中的被改進(jìn)的用于濾除傳感器輸出中的諧波的信號(hào)處理電路最好用在信號(hào)發(fā)生器50和信號(hào)處理器60中。申請(qǐng)人在′754專(zhuān)利中公開(kāi)的上述電路電所作為參考被引入到本申請(qǐng)中。
上述的連續(xù)信號(hào)處理電路的可被選擇的另一種電路，它采用了由信號(hào)202的選對(duì)而產(chǎn)生的輸出的雙變率積分(dual-yampintegyation)，這種電路公開(kāi)于申請(qǐng)人在和本申請(qǐng)同時(shí)申請(qǐng)的名稱(chēng)為“用于位置絕對(duì)測(cè)量的電容型測(cè)量裝置”的共同申請(qǐng)中，該共同申請(qǐng)也由此引入，作為參考。
上述的最佳實(shí)施例僅僅對(duì)本發(fā)明作了例舉性說(shuō)明，在本發(fā)明的原則和范圍內(nèi)可進(jìn)行多種改進(jìn)。特別是，雖然本發(fā)明已描述了在便攜的手持式線(xiàn)性測(cè)徑器方面的實(shí)施方法，但對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明并不限于這些測(cè)量裝置，而是可以適用于各種線(xiàn)度或角度的測(cè)量，包括大型測(cè)量?jī)x器，如三維座標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)控精加工機(jī)器。
權(quán)利要求
1.電容型測(cè)量裝置，包括第一和第二支撐元件，所述支撐元件彼此之間能夠相對(duì)移動(dòng)，至少一個(gè)所述支撐元件能相對(duì)于測(cè)量軸移動(dòng)；分別安裝于所述第一和第二支撐元件上的第一和第二電極陳列，它們與所述測(cè)量軸對(duì)正，以便得到由所述支撐元件間的相對(duì)位置變化產(chǎn)生的電容特性曲線(xiàn)；所述第一電極陳列包括一系列分立的第一電極，這些電極以確定刻度波長(zhǎng)的間距pr均勻隔開(kāi)；所述第二電極陳列，包括一系列分立的第二電極，這些電極如此配置，使之能夠根據(jù)所述支撐元件的相對(duì)位置與所述第一電極陳列的不同部分電容進(jìn)行電容耦合；和所述第二電極如此排列，以便確定一系列以組間距pg隔開(kāi)的測(cè)量元件組，其中每個(gè)電極組有N個(gè)測(cè)量元件，N是大于2的整數(shù)，形成每個(gè)所述電極組的第二電極被置于相應(yīng)組中，使之占據(jù)分布于大于一個(gè)刻度波長(zhǎng)距離的預(yù)定組位置，每個(gè)位置與一個(gè)不同的相應(yīng)刻度波長(zhǎng)分段組的相應(yīng)位置相對(duì)應(yīng)，刻度波長(zhǎng)分段是把組間距分成與刻度波長(zhǎng)相應(yīng)的間距，再把每個(gè)間隔分成N等份而得到的；信號(hào)發(fā)生器裝置，它將至少一個(gè)包括N個(gè)周期激勵(lì)信號(hào)的合成信號(hào)施加于所述每個(gè)電極組的第二電極上，從而使所述激勵(lì)信號(hào)能相應(yīng)地按照每組中緙季蕕南嚶潭炔ǔし侄撾恢盟承蚴┘佑諉孔櫓杏氳詼緙南嘍雜Φ囊桓齙緙希緩 探測(cè)器裝置，它包括檢測(cè)與所述的至少一個(gè)合成激勵(lì)信號(hào)響應(yīng)時(shí)，將第一電極電容耦合到所述第二電極陳列產(chǎn)生的輸出信號(hào)的探測(cè)器電極裝置，以便得到一個(gè)反映檢測(cè)的第一電極輸出信號(hào)總額的輸出信號(hào)；和信號(hào)處理裝置，它用于從所述探測(cè)器電極裝置輸出信號(hào)得到測(cè)量數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其中所述信號(hào)發(fā)生器裝置包括用于產(chǎn)生N個(gè)連續(xù)的不同的激勵(lì)信號(hào)的裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其中，所述信號(hào)發(fā)生器裝置包括用于產(chǎn)生N個(gè)連續(xù)的不同的所述激勵(lì)信號(hào)的合成信號(hào)的裝置。
4.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其中，所述第二電極以間距Pt均勻隔開(kāi)，所述組間距Pg是刻度波長(zhǎng)的整數(shù)倍;并且每個(gè)組間隔中至少存在一個(gè)第二電極。
5.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其中，每個(gè)所述第二電極組中的第二電極至少分成兩個(gè)分組，每個(gè)所述分組中的第二電極以第一間距均勻隔開(kāi)，所述分組以不同于第一間距的第二間距均勻隔開(kāi)。
6.如權(quán)利要求5所述的測(cè)量裝置，其中，許多所述第二電極許確定一個(gè)具有族間距Ps的組族，間距Ps是刻度波長(zhǎng)的整數(shù)倍，對(duì)于一族內(nèi)的每個(gè)組和該族內(nèi)該組的每個(gè)分組，第二電極占據(jù)的相應(yīng)刻度波長(zhǎng)分段位置順序是不同的。
7.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其中，所述信號(hào)發(fā)生器裝置產(chǎn)生N個(gè)彼此間相移連續(xù)遞遞360/N度的信號(hào)。
8.如權(quán)利要求5所述的測(cè)量裝置，其中，所述信號(hào)處理裝置包括用于濾除所述探測(cè)器電極裝置輸出信號(hào)中的諧波，以便得到實(shí)質(zhì)上為正弦測(cè)量信號(hào)的裝置，和用于測(cè)量所述測(cè)量信號(hào)相對(duì)于所述激勵(lì)信號(hào)之一的相位，以便得到測(cè)量數(shù)據(jù)的裝置。
9.電容型測(cè)量裝置，包括第一和第二支撐元件，所述支撐元件彼此間能夠相對(duì)移動(dòng)，至少一個(gè)所述支撐元件能相對(duì)測(cè)量軸移動(dòng);分別安裝于所述第一和第二支撐元件上的第一和第二電極陳列，它們和所述測(cè)量軸對(duì)正，以便得到根據(jù)所述支撐元件間的相對(duì)位置變化的電容特性曲線(xiàn)。所述第一電極陳列包括一系列分立的第一電極，這些電極以確定一個(gè)刻度波長(zhǎng)的間距Pr均勻隔開(kāi);所述第二電極陳列包括一系列分立的第二電極，這些電極如此配置，使之能夠根據(jù)所述支撐元件的相對(duì)位置與所述第一電極組的不同部分進(jìn)行電容耦合;和所述第二電極如此排列，以便確定許多以組間隔Pg隔開(kāi)的測(cè)量元件組，其中每個(gè)電極組有N個(gè)測(cè)量元件，N為大于2的整數(shù)，形成每個(gè)所述電極組的第二電極被置于相應(yīng)組中，使之相應(yīng)地占據(jù)分布于大于一個(gè)刻度波長(zhǎng)的距離的預(yù)定組位置，每個(gè)位置與不同的相應(yīng)刻度波長(zhǎng)分段組的相應(yīng)位置相對(duì)應(yīng)，刻度波長(zhǎng)分段是把組間距分成與刻度波長(zhǎng)相應(yīng)的間隔，再把每個(gè)間距分成N等份得到的;和每個(gè)所述第二電極組的第二電極進(jìn)一步分成至少兩個(gè)分組，每個(gè)所述分組中的第二電極以第一間距隔開(kāi)，所述分組以不同于所述第一間距的第二間距均勻隔開(kāi)。
10.如權(quán)利要求9所述的測(cè)量裝置，其中，許多所述第二電極組確定一個(gè)具有族間距為Ps的組族，間距Ps是刻度波長(zhǎng)的整數(shù)倍，在一族內(nèi)的每個(gè)組和該族內(nèi)該組的每個(gè)分組之中，第二電極占據(jù)的相應(yīng)刻度波長(zhǎng)分段位置順序是不同的。
全文摘要
一種電容型測(cè)量裝置，包括分別安裝于第一和第二支撐元件上的第一和第二電極陳列，支撐元件彼此間能產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)。第一電極組包括一系列分立的第一電極，第一電極間以確定刻度波長(zhǎng)的間距Pr均勻隔開(kāi)，第二電極組包括一系列分立的第二電極，第二電極排列成一系列各為N個(gè)電極的電極組，N為大于2的整數(shù)。形成每個(gè)電極組的第二電極被置于相應(yīng)的組件，以便能相應(yīng)地占據(jù)分布于大于一個(gè)刻度波長(zhǎng)的距離的預(yù)定組位置，這樣，每個(gè)組位置與一個(gè)不同的相應(yīng)的刻度波長(zhǎng)分段位置族的相應(yīng)位置相對(duì)應(yīng)，分段位置是將組分成與刻度波長(zhǎng)相應(yīng)的間隔，再把每個(gè)間距分為N等分得到的。
文檔編號(hào)G10H1/34GK1038532SQ8910367
公開(kāi)日1990年1月3日 申請(qǐng)日期1989年5月24日 優(yōu)先權(quán)日1989年5月24日
發(fā)明者尼爾斯·I·安德莫 申請(qǐng)人:株式會(huì)社三豐