專利名稱：改進型電容性位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種測量長度和角度用的數(shù)顯量具或測量儀器的電容性傳感器，更確切的說，它涉及一種用于測量一對發(fā)生了位移構(gòu)件的相對位移量的電容性傳感器。
大位移測量電容性傳感器從本世紀七十年代問世以來，以其低耗電，高集成，小體積，低成本等優(yōu)點，很快在數(shù)顯量具和其它長度測量裝置上獲得廣泛應(yīng)用，但由于其分辯率和測量精度低于光柵和同步感應(yīng)器等傳感器，所以在高精度測量方面有一定的局限性。而提高電容性位移傳感器分辯率和精度最簡單有效的方法是同時縮小副標尺的發(fā)射電極(12)之間和主標尺的反射電極(10)之間的間距，如圖5所示，按照已往的副標尺的發(fā)射電極(12)依次排列形式，副標尺的一個節(jié)距T內(nèi)包含有2N(N為整數(shù)，此圖設(shè)定2N＝8)個發(fā)射不同信號的發(fā)射電極(12)，將一個節(jié)距T內(nèi)各發(fā)射電極(12)按照安放位置順序依次編號為1、2、3、4、5、6、7、8，副標尺上有多個節(jié)距T的發(fā)射電極(12)，并且每個節(jié)距T中發(fā)射相同信號的發(fā)射電極(12)是相互連接的，同時按此種排列形式相鄰的發(fā)射電極(12)之間必須存在有間隙S，在發(fā)射電極的一側(cè)放置一個接收電極(11)，若按照上述排列形式縮小發(fā)射電極(12)的間距t，則相鄰發(fā)射電極(12)之間的間隙s將會非常小，其工藝難度是顯而易見的，另外由于相鄰發(fā)射電極(12)存在有間隙s，因此會造成主標尺的反射電極(10)在跨越兩個發(fā)射電極(12)時信號的不連續(xù)，從而影響傳感器的精度。日本三豐公司(CN87102624)(CN1038421)提出的將副標尺上原來集中在一個節(jié)距T內(nèi)的發(fā)射電極分別取出，然后分別放置在不同節(jié)距T的相同位置上，并將每個發(fā)射電極加寬，以此達到既提高分辯率，又不增加制作工藝難度的目的。但此種排列形式的一組發(fā)射電極將分別對應(yīng)多個反射電極，從而造成在一個反射電極上無法合成完整的合成信號，反射電極必須與接收電極再耦合一次才能合成完整的合成信號，而電容的變化是與電極間的距離的平方成正比的，這樣就要求主標尺與副標尺的平行度非常高，否則將無法達到精度，因此其應(yīng)用非常困難。另外在反射電極跨越兩上發(fā)射電極的重合部分時也會因信號的不連續(xù)而影響傳感器的精度。
本實用新型的目的在于提出一種既可有效地提高電容性位移傳感器的分辯率和精度，同時又不過大增加制作工藝難度，并可方便擴展應(yīng)用功能的改進型電容位移傳感器。
本實用新型包括以沿位移和測量方向相互相對移動的方式安置的主標尺和副標尺，上述副標尺上安置有與上述移動方向垂直的發(fā)射電極，且在每個節(jié)距T內(nèi)有2N(N為整數(shù))個發(fā)射不同信號的發(fā)射電極，另外還有一個接收電極，上述主標尺裝有其位置面向上述發(fā)射電極和接收電極的反射電極，此外還有利用上述發(fā)射電極，接收電極和反射電極之間的耦合電容測量上述兩標尺的相對位移的電子電路。其特征在于將副標尺的同一節(jié)距T內(nèi)相鄰的發(fā)射電極分別排列在接收電極的兩側(cè)，且在一個節(jié)距T內(nèi)仍包含所有發(fā)射不同信號的發(fā)射電極，如在一個節(jié)距T內(nèi)接收電極一側(cè)的發(fā)射電極排列順序為1、3、5、7……，則接收電極另一側(cè)的發(fā)射電極排列順序應(yīng)為2、4、6、8……；并且相鄰的發(fā)射電極間沿位移測量方向的幾何間隙為零，如發(fā)射電極1與發(fā)射電極2的垂直于位移測量方向的相鄰的邊，在沿位移測量方向的垂直距離為零；同時對應(yīng)于每一個節(jié)距T內(nèi)的發(fā)射電極的排列順序，在與之相距若干個節(jié)距T的另一節(jié)距T內(nèi)其發(fā)射電極的排列順序與上述發(fā)射電極的排列順序相交錯，既有一個節(jié)距T內(nèi)的發(fā)射電極排列順序為接收電極上側(cè)是發(fā)射電極1、3、5、7……，下側(cè)是發(fā)射電極2、4、6、8……，則一一對應(yīng)有另一節(jié)距T內(nèi)的發(fā)射電極排列順序為接收電極上側(cè)是發(fā)射電極2、4、6、8……，下側(cè)是發(fā)射電極1、3、5、7……，相鄰兩組之間有一個節(jié)距T的空隙。
本實用新型的特征還在于主標尺的反射電極為側(cè)倒的T形，且反射電極的間距與發(fā)射電極的節(jié)距T相等。
本實用新型的特征還在于主標尺和副標尺采用電子陶瓷或電子玻璃作基體，交叉應(yīng)用厚膜電路制作工藝與薄膜電路的制作工藝進行制作，即電極層和連線層用薄膜電路的制作工藝，隔離層和保護層采用厚膜電路的制作工藝。
本實用新型的特征還在于采用兩片集成電路的形式制作電子電路，其中一片集成電路用于產(chǎn)生發(fā)射電極信號和接收接收電極信號，并將接收電極信號放大、解調(diào)，完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，另一片集成電路則進行數(shù)據(jù)處理和實現(xiàn)各種功能。
本實用新型通過上述特征說明的主標尺和副標尺上的各種電極的排列形式不難看出，它具有以下優(yōu)點在增加了副標尺的發(fā)射電極之間的距離的同時，還保證在主標尺的一個反射電極上能夠合成完成的合成信號，并可消除反射電極在跨越相鄰發(fā)射電極時所造成的誤差和主標尺與副標尺安裝時上下不對稱所造成的誤差，這樣既可降低主標尺和副標尺的制作工藝難度和成本，提高精度，但又不提高在應(yīng)用時的安裝精度要求。另外將反射電極設(shè)計成側(cè)倒的T形，可增加反射電極與接收電極的耦合面積，增強信號強度，減小接收電極的信噪比。
本實用新型的優(yōu)點還在于主標尺和副標尺采用電子陶瓷或電子玻璃作基體，可保證其在各種環(huán)境條件下都能保持穩(wěn)定的精度。交叉應(yīng)用厚膜電路制作工藝和薄膜電路制作工藝進行制作，既能保證精度要求較高的電極層和連線層的精度，又能簡化精度要求不高的隔離層和保護層的制作工藝，降低制作成本。另外采用兩片集成電路的形式制作電子電路，在保持了電容性位移傳感器原有的高集成的特點前提下，方便了功能擴展，使其應(yīng)用領(lǐng)域更為寬廣。


圖1表示本實用新型一個實施裝置的示意圖；圖2表示本實用新型另一個實施裝置的副標尺電極排列形式；圖3表示實施本實用新型的一種裝置結(jié)構(gòu)圖；圖4表示實施本實用新型的一種電子電路圖；圖5表示背景技術(shù)中電容性位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
為便于說明，圖1、圖2、圖4中與圖5中名稱相同的構(gòu)件及發(fā)射電極(12)的編號相同，并且都采用八路發(fā)射電極(12)輸出信號進行說明。
如圖1所示，本實用新型包括一副標尺和一主標尺，副標尺中間有一細長條形的接收電極(11)，在接收電極(11)的兩側(cè)各放置有一列發(fā)射電極(12)，發(fā)射電極(12)的寬度與發(fā)射電極(12)的間距t相等，并且發(fā)射電極(12)分為前后兩組，前組一個節(jié)距T內(nèi)的發(fā)射電極(12)的排列形式為接收電極(11)上側(cè)是發(fā)射電極(12)1、3、5、7，下側(cè)是發(fā)射電極(12)2、4、6、8，后組一個節(jié)距T內(nèi)的發(fā)射電極(12)的排列形式與前組相交錯，接收電極(11)上側(cè)是發(fā)射電極(12)2、4、6、8，下側(cè)是發(fā)射電極(12)1、3、5、7，而且前后兩組的節(jié)距T數(shù)相等(圖中為各三個節(jié)距)，也就是說，前后兩組中各節(jié)距是一一對應(yīng)的。主標尺上放置有一系列電氣上絕緣的反射電極(10)，其形狀為側(cè)倒的T字形，且反射電極(10)的間距等于發(fā)射電極(12)的節(jié)距T。采用上述排列形式可將副標尺上同一列的發(fā)射電極(12)的間距擴大一倍，降低了制作難度，同時又保證在一個反射電極(10)上能夠合成完整的合成信號。采用前后兩組發(fā)射電極(12)交錯排列的方式，能夠有效的消除由于主標尺與副標尺安裝不對稱所造成的精度誤差，當主標尺相對于副標尺向上(或下)偏移時，接收電極(11)上(或下)側(cè)的發(fā)射電極(12)的耦合面積增加，下(或上)側(cè)的耦合面積減小，但由于前組與后組的發(fā)射電極(12)的排列形式相交錯，因而保證了各路發(fā)射電極(12)的總耦合面積相等，不會造成合成信號的變化，也就不會影響測量精度，因此降低了主標尺與副標尺的安裝精度要求。發(fā)射電極(12)的寬度與發(fā)射電極(12)的間距t相等，即相鄰發(fā)射電極(12)的間隙為零，在反射電極(10)跨越兩個相鄰發(fā)射電極(12)不會影響合成信號的連續(xù)性，以及反射電極(10)的形狀為側(cè)倒的T字形，增加了反射電極(10)與接收電極(11)的耦合面積，減小接收電極(11)上的信噪比，由于采取了這些措施，所以精度也得到提高。再如圖1所示，接收電極(11)為矩形，其長度是發(fā)射電極(12)的節(jié)距T的整數(shù)倍，圖中實施例的接收電極(11)的長度為6T，為避免邊緣效應(yīng)，接收電極(11)的兩端分別比發(fā)射電極(12)的兩外端短T/2。為避免出現(xiàn)發(fā)射電極(12)短路現(xiàn)象，在前后兩組發(fā)射電極(12)之間空出一個節(jié)距不放置發(fā)射電極(12)。發(fā)射電極(12)和接收電極(11)通過導(dǎo)線(9)與圖4的集成電路(22)連通。
圖2為本實用新型的另一種實施形式的副標尺的排列形式示意圖，本實施例采用多組交錯的排列形式，即有幾組相互交錯排列的發(fā)射電極(12)相互交叉排列。圖中有四組發(fā)射電極(12)，每相鄰的兩組的發(fā)射電極(12)排列次序相交錯，并且相鄰兩組之間有一個節(jié)距T的空隙。
如圖3所示，本實用新型可以用以下方法來制作副標尺和主標尺，在電子陶瓷或電子玻璃的基體(13)表面用氣相沉積方法生成一層導(dǎo)電層，再用照相光刻的方法制作電極層(14)、(19)的圖形，即薄膜電路的制作工藝，然后用絲網(wǎng)印刷的方法在電極層(14)上均勻的涂敷一層絕緣材料，作為隔離層(15)，并在電極層(14)的連接點處留有窗口(21)，即厚膜電路的制作工藝，然后再用薄膜電路的制作工藝制作連線層(17)的圖形，最后再用厚膜電路的制作工藝制作保護層(16)、(20)。如此交叉使用薄膜電路與厚膜電路的制作工藝，既可保證電極層(14)、(19)和連線層(17)的制作精度，又可充分的減低主標尺與副標尺的制造成本。
如圖4所示，本實用新型采用兩片集成電路(22)、(23)的形式制作電子電路，其中一片集成電路(22)用于產(chǎn)生并輸出發(fā)射信號到發(fā)射電極(12)，和從接收電極(11)接收合成信號并進行信號放大、解調(diào)及完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，再通過導(dǎo)線(9)將數(shù)字信號傳送到另一片集成電路(23)進行數(shù)據(jù)處理及實現(xiàn)各種功能，最后再通過導(dǎo)線(9)與顯示控制器(24)連接，在顯示控制器(24)上顯示數(shù)值和進行各種功能操作。采用上述結(jié)構(gòu)形式，既可保持電容性位移傳感器高集成的特點，又使其能方便地應(yīng)用于壓力、重量、體積、容積、溫度等領(lǐng)域的測量。
本實用新型改變發(fā)射電極(12)和反射電極(10)的排列，使其首尾相連也可用于測量角度位移。
權(quán)利要求1.一種測量長度和角度的電容性位移傳感器，包括以沿位移和測量方向相互相對移動的方式安置的主標尺和副標尺，上述副標尺上安置有與上述移動方向垂直的發(fā)射電極(12)，且在每個節(jié)距T內(nèi)有2N(N為整數(shù))個發(fā)射不同信號的發(fā)射電極(12)，另外還有一個接收電極(11)，上述主標尺裝有其位置面向上述發(fā)射電極(12)和接收電極(11)的反射電極(10)，此外還有利用上述發(fā)射電極(12)，接收電極(11)和反射電極(10)之間的耦合電容測量上述兩標尺的相對位移的電子電路，其特征在于將副標尺的同一節(jié)距T內(nèi)相鄰的發(fā)射電極(12)分別排列在接收電極(11)的兩側(cè)，且在一個節(jié)距T內(nèi)仍包含所有發(fā)射不同信號的發(fā)射電極(12)，相鄰的發(fā)射電極(12)間沿位移測量方向的幾何間隙為零，即相鄰發(fā)射電極(12)之間的垂直于位移測量方向的相鄰的邊，在沿位移測量方向的垂直距離為零，對應(yīng)于每一個節(jié)距T內(nèi)的發(fā)射電極(12)的排列順序，在與之相距若干個節(jié)距T的另一節(jié)距T內(nèi)其發(fā)射電極(12)的排列順序與上述發(fā)射電極(12)的排列順序相交錯，并且相鄰兩組之間有一個節(jié)距T的間隙，主標尺的反射電極(10)為側(cè)倒的T形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性位移傳感器，其特征在于反射電極(10)的間距與發(fā)射電極(12)的節(jié)距T相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電容性位移傳感器，其特征在于接收電極(11)為矩形，其長度是發(fā)射電極(12)的節(jié)距T的整數(shù)倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電容性位移傳感器，其特征在于接收電極(11)的兩端分別比發(fā)射電極(12)的兩外端短T/2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性位移傳感器，其特征在于主標尺和副標尺采用電子陶瓷或電子玻璃作基體和交叉應(yīng)用厚膜電路與薄膜電路的制作工藝進行制作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性位移傳感器，其特征在于采用兩片集成電路(22)、(23)的形式制作電子電路，其中一片集成電路(22)用于產(chǎn)生發(fā)射電極(12)信號和接收接收電極(11)的信號，并將接收電極(11)信號放大、解調(diào)，完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，另一片集成電路(23)則進行數(shù)據(jù)處理和實現(xiàn)各種功能。
專利摘要一種關(guān)于測量長度和角度用的數(shù)顯量具或測量儀器的電容性傳感器，它包括主標尺和副標尺，將副標尺的同一節(jié)距T內(nèi)相鄰的發(fā)射電極分別排列在接收電極的兩側(cè)，且在一個節(jié)距T內(nèi)仍包含所有發(fā)射不同信號的發(fā)射電極，相鄰的發(fā)射電極間沿位移測量方向的幾何間隙為零，主標尺的反射電極為側(cè)倒的T形，反射電極的間距與發(fā)射電極的節(jié)距T相等，這種排列方法可有效地消除反射電極和發(fā)射電極之間的誤差，降低主標尺和標尺的制作難度和成本。
文檔編號G01B5/02GK2355300SQ9825077
公開日1999年12月22日 申請日期1998年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月18日
發(fā)明者趙志強, 趙飆, 李毅 申請人:趙飆, 趙志強, 李毅