差分電容位移量的轉(zhuǎn)換和細(xì)分方法及電容型線性位移測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是差分電容位移量的轉(zhuǎn)換和細(xì)分方法及電容型線性位移測(cè)量系統(tǒng)。1.用差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)求解位移量，無需調(diào)制、解調(diào)、放大器、A/D等，測(cè)量和細(xì)分簡(jiǎn)便精確；2.把差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量，其電路無需調(diào)零，無噪聲、無寄生和零漂等干擾，量程不限，它只與串接電阻有關(guān)；3.用上說方法和電路提出一種電容型線性位移測(cè)量系統(tǒng)，它是大量程的絕對(duì)位置測(cè)量，傳感器和電路都簡(jiǎn)單的全數(shù)字型、精度高、穩(wěn)定性好，能在水、油、灰塵污染等惡劣環(huán)境中使用，優(yōu)于光柵和球柵等；4.把傳感器、電路、和顯示件等集成一體的微型(MEMS)器件，精度是納米級(jí)，能精確測(cè)量MEMS的機(jī)械位置、位移、速度、振幅和頻率等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，參數(shù)變換是遙控。
【專利說明】差分電容位移量的轉(zhuǎn)換和細(xì)分方法及電容型線性位移測(cè)量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電容位移測(cè)量技術(shù)，特別涉及差分電容位移量的轉(zhuǎn)換和細(xì)分方法及電容型線性位移測(cè)量系統(tǒng)。所說的差分電容位移量的轉(zhuǎn)換有兩個(gè)目的，第一個(gè)目的是提出差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)，第二個(gè)目的是把差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量；本電容型線性位移測(cè)量系統(tǒng)是大量程、絕對(duì)位置測(cè)量、傳感器的制作和電路都簡(jiǎn)單的全數(shù)字型，且能在水、油、灰塵污染等惡劣環(huán)境中使用；還有微型(MEMS)化，精度是納米級(jí)。
【背景技術(shù)】
[0002]電容傳感器的起步早，1920年惠靈頓制造出電容測(cè)微計(jì)，可以測(cè)出10_8厘米的位移變化。摘自程錫純李彥珍朱彥芳容柵電子卡尺一文，其中容柵是柵形電容傳感器的簡(jiǎn)稱，國(guó)外通稱電容傳感器。早在1928年就有了旋轉(zhuǎn)式電容編碼器專利，美國(guó)專利號(hào)是US1674729，它的細(xì)分測(cè)量是內(nèi)插法。因電容傳感器受技術(shù)條件和測(cè)量方法所限，進(jìn)展緩慢。隨著大規(guī)模集成電路、CMOS元件和印制電路技術(shù)的發(fā)展，在20世紀(jì)70年代中電容傳感器有了很大的發(fā)展。
[0003]瑞士首創(chuàng)的把電容傳感器用于數(shù)顯量具上，獲得廣泛的應(yīng)用和成功。如增量式電容型數(shù)顯卡尺，它是測(cè)量相對(duì)位移。測(cè)量時(shí)，首先需選定好原點(diǎn)和調(diào)零。專利有 CH004241 (或 US3857092、或 DE2218824)，CH635423 (或 US4420754、或 US4743092)，CH651136(或 US4437055)，CH665714(或 US4810951、或 CN8607942)，CH670306 (或US4841225、或 CN8707060)等。
[0004]此后，日本首創(chuàng)了絕對(duì)式電容型數(shù)顯卡尺。這是絕對(duì)位置的測(cè)量，有固定的原點(diǎn)，測(cè)量時(shí)無需調(diào)零。專利有 JP078947(或 US4879508)，US4959615 (或 CN1039301)，US5225830(或 CN1067311)，JP270912，(或 US5391992、或 CN1086309)等。
[0005]雖然有了增量式和絕對(duì)式電容型數(shù)顯卡尺的成功；但是仍因測(cè)量方法所限，現(xiàn)有電容傳感器位移量的測(cè)量量程和適用范圍仍然有限，測(cè)量量程只有一公尺的范圍，僅適用于高度尺和卡尺等量具；而且精度不是很高，仍未發(fā)輝出，電容位移傳感器應(yīng)有的潛在之力。上述容柵電子卡尺一文中指出:“瓊斯探討了電容傳感器的極限靈敏度，可以測(cè)到5X10_12毫米的位移?！笨梢婋娙輦鞲衅鳒y(cè)量靈敏度的潛力還很大。它的發(fā)展已有百年歷史。顯然，沒有后起之秀的信息技術(shù)發(fā)展的快，這是受測(cè)量方法所限。然而發(fā)展的快，淘汰的也快，更新的更快。正因發(fā)展慢，這種傳統(tǒng)的制造，還方興未艾；一但改變了現(xiàn)行的測(cè)量方法，必定會(huì)有新的飛躍。
[0006]現(xiàn)有電容傳感器位移量的測(cè)量方法是，電極設(shè)計(jì)為差分式(或稱差動(dòng)式)，靠周期性改變動(dòng)電極在位移時(shí)和固定電極偶合面積的電容變化量進(jìn)行測(cè)量，其細(xì)分測(cè)量是內(nèi)插法。現(xiàn)有電容傳感器位移量的測(cè)量方法中，沒有就測(cè)量到的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn))；只能跟據(jù)預(yù)定的差分電容變化量所對(duì)應(yīng)位移量來選定。正是這種測(cè)量方法所限，電容位移傳感器的潛力不能得到應(yīng)有的發(fā)輝。[0007]現(xiàn)有的測(cè)量方法通常是采用調(diào)制、解調(diào)、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器。而這種A/D變換的方法的測(cè)量尺度范圍內(nèi)形成的細(xì)分空間有限，需要再被劃分供內(nèi)插，以便測(cè)量比標(biāo)稱細(xì)分量更為精細(xì)的量(也就是最小的分辨力)。所以，人們采用了各種內(nèi)插電路.以便獲得具有高分辨力的數(shù)據(jù).這就是細(xì)分測(cè)量的內(nèi)插法。
[0008]現(xiàn)有電容傳感器位移量的測(cè)量方法和細(xì)分測(cè)量的內(nèi)插法，都是按預(yù)定的差分電容變化量所對(duì)應(yīng)位移量來選定，因此對(duì)測(cè)量環(huán)境和測(cè)量條件要求很高，要防水、防油、防灰塵，要保證動(dòng)電極和固定電極之間的空氣介質(zhì)常數(shù)保持恒定不變，并且和預(yù)定的電容變化量所對(duì)應(yīng)的測(cè)量條件與環(huán)境完全相同，這樣才能保證按預(yù)定的差分電容變化量所選定的位移量和內(nèi)插值可靠有效。為了這種保證，于是有相應(yīng)的US5416424(或CN1114412)專利，用來減少電容位置傳感器對(duì)污染物敏感程度的電介質(zhì)覆蓋層等；還有完全密封防護(hù)式的，如CNl 529118，CN1975318 和 CN2708237 等多種專利。
[0009]其實(shí)電容傳感器在任何條件和任何介質(zhì)下都可以測(cè)量的，如US3928796和US4206401等專利，電容位移傳感器就是用于污物劇烈的沖擊環(huán)境中。只是因?yàn)楝F(xiàn)有的測(cè)量方法和細(xì)分測(cè)量的內(nèi)插法，使其對(duì)測(cè)量環(huán)境和測(cè)量條件要求很高；如果不采用這種現(xiàn)有的測(cè)量方法和細(xì)分測(cè)量?jī)?nèi)插的方法，就不需要對(duì)測(cè)量環(huán)境和測(cè)量條件有所要求。有不采用上述測(cè)量方法和細(xì)分測(cè)量的內(nèi)插方法；如US3928796和CN1240928等專利，就不是這種測(cè)量方法和細(xì)分檢測(cè)的內(nèi)插方法，但不完善，細(xì)分精度不高。
[0010]長(zhǎng)期以來，人們認(rèn)為:不可能有就測(cè)量到的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)；只能跟據(jù)預(yù)定的差分電容變化量所對(duì)應(yīng)位移量來選定的測(cè)量方法，使其測(cè)量精度不高、測(cè)量量程不大和使用范圍受到限制等；在這種測(cè)量方法下導(dǎo)致問題多元復(fù)雜化，每改進(jìn)一個(gè)問題就增加了一個(gè)復(fù)雜因素，因而愈改進(jìn)愈復(fù)雜。在CN101949682(或W02012022141)專利中對(duì)現(xiàn)有絕對(duì)式電容型位移傳感器所存在的7個(gè)問題做了改進(jìn)；其結(jié)果，從測(cè)量原理和測(cè)量電路對(duì)比一下CN101995208(或W02011018497)專利來看，不如CN101995208專利簡(jiǎn)單。在現(xiàn)有的測(cè)量方法中改進(jìn)，很難得到理想的結(jié)果；只有跳出來，才有新的簡(jiǎn)單。
[0011]本發(fā)明的第一個(gè)目的是，提出一種差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法；改變了現(xiàn)有按預(yù)定的差分電容變化量來選定的位移量的測(cè)量方法和細(xì)分方法，無需對(duì)測(cè)量環(huán)境和測(cè)量條件有所要求，細(xì)分方法很簡(jiǎn)單，不需要內(nèi)插法，而且提高了測(cè)量精度，電路簡(jiǎn)單，使用范圍也不受限制；這是差分電容位移量轉(zhuǎn)換的兩個(gè)目的之一，是提出差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法，也是本發(fā)明的第一個(gè)目的。
[0012]在US3857092專利中對(duì)差分電容位移傳感器有了詳細(xì)說明，現(xiàn)對(duì)差分電極的基本特點(diǎn)再重說一下，以便有所新的發(fā)現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)是提出了差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)。
[0013]在差分電容位移傳感器中只少有一個(gè)固定的電極為定極板，在與定極板電極相對(duì)的一邊有可移動(dòng)的動(dòng)極板，在動(dòng)極板上只少有一對(duì)分別是第一和第二的兩個(gè)電極，動(dòng)極板可沿定極板的寬度b坐標(biāo)方向與定極板相互平行的運(yùn)動(dòng)；這里，定極板的寬度b就是動(dòng)極板上一對(duì)分別是第一和第二的兩個(gè)電極與定極板電極的覆蓋寬度b (以下簡(jiǎn)稱寬度b)，也是動(dòng)極板上一對(duì)分別是第一和第二兩個(gè)電極的差分位移區(qū)間的位移距離s (以下簡(jiǎn)稱差分位移區(qū)間)。動(dòng)極板和定極板只是相對(duì)而言，可以互換。
[0014]定極板上的電極形狀相同、尺寸相同、導(dǎo)電性能也相同；組成差分測(cè)量的動(dòng)極板上電極也是形狀相同、尺寸相同、導(dǎo)電性能也相同。當(dāng)動(dòng)極板和定極板相互平行覆蓋時(shí)，動(dòng)極板上兩個(gè)電極與定極板電極相互組成一對(duì)差分電容，分別是第一個(gè)電極是差分電容C1和第二個(gè)電極是差分電容C2，當(dāng)動(dòng)極板上的第一電極和第二個(gè)電極中間位置線，與定極板上的電極中心線對(duì)應(yīng)時(shí)，這動(dòng)極板上兩個(gè)差分電容的電極與定極板的上電極所覆蓋的兩個(gè)面積相等，也就是第一差分電容C1和第二差分電容C2是相等的。
[0015]這里要特別提醒注意:在差分電容位移電容傳感器中，一對(duì)差分電容在差分位移區(qū)間的位移距離s內(nèi)，差分電容C1和C2是線性對(duì)稱推挽變化。當(dāng)差分電容位移傳感器中，動(dòng)極板上的第一個(gè)電極和第二電極中間位置線在定極板電極的中心線上，開始左移(或右移)時(shí)，其中一個(gè)差分電容的電容量因電極覆蓋面積的增大，而電容變化量按線性比例增大的同時(shí)，另一個(gè)差分電容的電容量因電極覆蓋面積的減小，而電容變化量按線性比例減?。黄渲幸粋€(gè)電極覆蓋面積的增大量和另一個(gè)電極覆蓋面積的減小量是相等的，故總的電極所覆蓋的面積是不變的；就是說動(dòng)極板上一對(duì)分別是第一和第二兩個(gè)電極相對(duì)于定極板上的電極所覆蓋的寬度b不變，也就是差分位移區(qū)間的位移距離s是不變的；這樣，所對(duì)應(yīng)的一個(gè)差分電容的電容量增大量和另一個(gè)差分電容的電容量減小量是相等的，故兩個(gè)差分電容的電容量之和(CJC2)是不變的；這就是所說的線性對(duì)稱推挽變化。
[0016]總上所說，在差分電容位移傳感器中，一對(duì)差分電容在差分位移區(qū)間的位移距離s(或?qū)挾萣)內(nèi)位移時(shí)，差分電容C1與差分電容C2之和(CfC2)是不變的；同樣的，動(dòng)極板上的兩個(gè)電極在定極板上的電極所覆蓋的寬度b也是不變的。這個(gè)覆蓋的寬度b就是上面所說的動(dòng)極板在定極板的寬度坐標(biāo)方向的差分位移區(qū)間的距離s是不變的，它是取決于電極設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和所使用的、已知不變的參數(shù)；在這個(gè)差分位移區(qū)間的距離s(或?qū)挾萣)內(nèi)位移時(shí)兩個(gè)差分電容C1與C2都隨著位移變化而變化，一個(gè)增加，另一個(gè)減少，增加量是等于減少量，只要測(cè)量條件和測(cè)量環(huán)境不變，這兩個(gè)差分電容C1與C2之和在這個(gè)差分位移區(qū)間的距離s (或?qū)挾萣)內(nèi)任何點(diǎn)是不變的。
[0017]兩個(gè)差分電容C1與C2是在差分位移區(qū)間的距離s (或?qū)挾萣)內(nèi)所測(cè)量的電容都是隨著位移變化而變化，但是在這兩個(gè)差分電容C1與C2之和在這差分位移區(qū)間內(nèi)的距離s(或?qū)挾萣)是不變的，而且在這差分位移區(qū)間的距離s (或?qū)挾萣)內(nèi)任何點(diǎn)，只要測(cè)量條件和測(cè)量環(huán)境保持不變，這兩個(gè)差分電容C1與C2之和是等同不變的；在這動(dòng)極板上的兩個(gè)電極與定極板上的電極所覆蓋的寬度b，也就是在這差分位移區(qū)間內(nèi)的位移距離s也是不變的。這正是本發(fā)明的發(fā)現(xiàn)和所用之點(diǎn)。
[0018]一個(gè)是差分位移區(qū)間的位移距離s (或?qū)挾萣)，另一個(gè)是在差分位移區(qū)間內(nèi)測(cè)量的電容變化量之和(CJC2),兩者相比正是在這個(gè)差分位移區(qū)間s(或?qū)挾萣)內(nèi)測(cè)量時(shí)，單位電容變化量的位移量(用d。表示)。在差分位移區(qū)間的距離s(或?qū)挾萣)內(nèi)任何點(diǎn)，只要測(cè)量條件和測(cè)量環(huán)境保持不變，這一單位電容變化量的位移量d。是等同不變的。有了這單位電容變化量的位移量d。，也就有了所測(cè)量到的電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)，而且這是動(dòng)態(tài)跟蹤的基準(zhǔn)，當(dāng)測(cè)量條件或測(cè)量環(huán)境變化時(shí)，測(cè)量的電容變化量(CfC2)隨著跟蹤變化，這個(gè)差分位移區(qū)間的寬度距離s (或?qū)挾萣)未變，而這單位電容變化量的位移量d。也就隨著相應(yīng)的跟隨變化；有了這動(dòng)態(tài)跟蹤的基準(zhǔn)，在差分位移區(qū)間內(nèi)位移時(shí)，由差分電容變化量求出所對(duì)應(yīng)的位移量是很方便的；無需跟據(jù)預(yù)定的差分電容變化量所對(duì)應(yīng)位置位移量來選定。因而，可省去調(diào)制、解調(diào)、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路；這樣也無需對(duì)測(cè)量環(huán)境和測(cè)量條件要求很高，不需要防水、防油、防灰塵，也不需要保證動(dòng)電極和固定電極之間的空氣介質(zhì)常數(shù)保持恒定不變等。
[0019]這是本發(fā)明在差分電容位移電容傳感器中的新發(fā)現(xiàn)。也是本發(fā)明人長(zhǎng)時(shí)對(duì)此發(fā)問和疑慮？本發(fā)明人長(zhǎng)時(shí)發(fā)問和疑慮的是，早在20世紀(jì)70年代差分電容位移測(cè)量就有了很大的發(fā)展，半個(gè)世紀(jì)過去了。為何這種簡(jiǎn)明、便捷和實(shí)用的測(cè)量方法長(zhǎng)期不被發(fā)現(xiàn)和使用，是本發(fā)明人思路有問題嗎？不然。通過檢索，忽然發(fā)現(xiàn):人們認(rèn)為，不可能有就測(cè)量到的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)；只能跟據(jù)預(yù)定的差分電容變化量所對(duì)應(yīng)位移量來選定的測(cè)量方法，這是被技術(shù)偏見所束縛。為何說這是被技術(shù)偏見所束縛？
[0020]其實(shí)，電容型測(cè)量方法是從感應(yīng)同步器(或稱電磁感應(yīng)型)測(cè)量方法中嫁接過來的；電容型增量式和絕對(duì)式的測(cè)量方法都和電磁感應(yīng)型相同，所不同的是電磁感應(yīng)型是在鐵磁體上腐蝕印制感應(yīng)線圈中的電磁感應(yīng)；而電容型是在介質(zhì)(絕緣體)上腐蝕印制電極上的靜電感應(yīng)。如增量式電容型US3857092專利發(fā)明人漢斯.烏爾里希.邁耶(HansU.Meyer)和絕對(duì)式電容型US4959615專利發(fā)明人尼爾斯.1.安德莫(Ni I s1.Andermo)等都有電磁感應(yīng)型位移測(cè)量方面的發(fā)明專利。人們習(xí)慣性的在這傳承固有的測(cè)量方法中改進(jìn)和發(fā)展，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，復(fù)雜更復(fù)雜…，無法跳出。只有從這復(fù)雜中跳出來，才有新的簡(jiǎn)單。跳出的過程就是克服技術(shù)偏見的過程。
[0021]現(xiàn)實(shí)生活中，人們往往很容易把問題復(fù)雜化，究其原因，最主要的因素正是大腦中已擁有的過多的知識(shí)在作祟，知識(shí)豐富有時(shí)侯未必是好事，恰恰是它束縛或阻礙了人的思維進(jìn)步。見龍柒主編世界上最偉大的50種思維方法133頁。
[0022]一項(xiàng)技術(shù)在啟蒙人們的思維的同時(shí)，也先入為主的固化了人們的思維。這種固化久而久之形成技術(shù)偏見，無法克服。本發(fā)明人早先提出的CN86106558柵形電容位移傳感器專利時(shí)就沒有想到這種簡(jiǎn)單、便捷和實(shí)用的測(cè)量方法，也正是電磁感應(yīng)型先入為主的固化。本發(fā)明人早期推廣感應(yīng)同步器數(shù)顯時(shí)，正是這先入為主的感悟撰寫出:柵形電容傳感器設(shè)想一文?，F(xiàn)在能跳出這固有的思維，克服`技術(shù)偏見，正是面對(duì)種種不公，在憤怒中的風(fēng)暴性的構(gòu)思下，才能克服這一技術(shù)偏見。具體簡(jiǎn)說于后。
[0023]本發(fā)明人是國(guó)內(nèi)最早研制面積變化型電容傳感器，最初撰寫了柵形電容傳感器設(shè)想一文曾向當(dāng)時(shí)國(guó)家科委方毅主任求助，被審議所否定。此后，在本課題上有創(chuàng)新，也是本課題在國(guó)內(nèi)最早申請(qǐng)發(fā)明專利人，但多年、多方請(qǐng)求創(chuàng)新資助是無果，也無門；而無創(chuàng)新者能多年、多方的得到重復(fù)創(chuàng)新資助，其結(jié)果只是些重復(fù)論述瑞士(SYLVAC系統(tǒng))同一個(gè)型號(hào)品種的增量式電容型數(shù)顯卡尺文章，并非創(chuàng)新。
[0024]國(guó)家在開發(fā)電容型數(shù)顯卡尺上的投資是巨大的，參與單位也是重多的，且不說結(jié)果如何；僅就國(guó)人有關(guān)瑞士(SYLVAC系統(tǒng))同一個(gè)型號(hào)品種的增量式電容型數(shù)顯卡尺的論文多得百余篇以上。
[0025]這百余篇論文中得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、或省、或部級(jí)的創(chuàng)新資助后文章有24篇，這24篇中:有多年、多方、重復(fù)獲得創(chuàng)新資助最多者的文章是，1.容柵傳感器數(shù)學(xué)模型探討；2.容柵傳感器數(shù)學(xué)模型的研究；3.容柵傳感器靜、動(dòng)態(tài)聯(lián)合數(shù)學(xué)模型；4.容柵…分析；5.容柵…初探；6.容柵…研制；7.容柵…逆設(shè)計(jì)；8.容柵…與建模；9.容柵…電路分析；10.容柵…與計(jì)算；11.容柵…分析法；12.容柵…問題的探討；13.容柵…與修正；14.容柵…譜分析等共14篇。這14篇中除合作者外，是同一位獲得創(chuàng)新資助的作者。文中所說都是瑞士(SYLVAC系統(tǒng))同一個(gè)型號(hào)品種的增量式電容型數(shù)顯卡尺。[0026]而且，上述14篇論文中除合作者外，同是一位獲得創(chuàng)新資助的作者，這位作者早期博士論文中的電容傳感器的制造方法、電容測(cè)量?jī)x器和位移調(diào)試架是他向我求助時(shí)，我給他的資料中，柵形電容式傳感器的實(shí)驗(yàn)報(bào)告(我和他人合作寫的)中所用的電容傳感器的制造方法、電容測(cè)量?jī)x器和位移調(diào)試架都相同；然而，在這位博士論文后的參考文獻(xiàn)目錄中，沒有列出上述:柵形電容式傳感器的實(shí)驗(yàn)報(bào)告一文，.......[0027]我有柵形電容位移傳感器CN86106558專利，也有電容傳感器測(cè)量電路，缺的就是創(chuàng)新資助，無法實(shí)驗(yàn)。面對(duì)有創(chuàng)新無創(chuàng)新資助，有創(chuàng)新資助無創(chuàng)新的不公；不但無處可說，還有種種難以忍受，無奈只能是干；沒錢有時(shí)間，電腦能做虛擬實(shí)驗(yàn)，人腦也行，只是人腦速度比電腦慢，慢能持續(xù)就是快。在無數(shù)個(gè)推算電極運(yùn)行圖表中，忽然發(fā)現(xiàn)，在差分位移區(qū)間
內(nèi)總是有兩個(gè)電極覆蓋的面積之和是不變的......，這才使本發(fā)明人，突發(fā)奇想的跳出了
固化的電磁感應(yīng)型測(cè)量方法，突破了技術(shù)偏見，有了本發(fā)明。但不能冒然定之，又通過數(shù)據(jù)庫，特別是英國(guó)德溫特?cái)?shù)據(jù)庫(Derwent Innovation Index_DII)的查證。這種只有付出，無收入無希望之傻事，只能是呆人所為，聰明人早就不干了 ！奇特的發(fā)明，總是有其特定的背景；只有我這樣的境遇，才能突破這種技術(shù)偏見，寫出這份說明書。
[0028]專利審查指南中指出:技術(shù)偏見，是指在某段時(shí)間內(nèi)、某個(gè)【技術(shù)領(lǐng)域】中，技術(shù)人員對(duì)某個(gè)技術(shù)問題普遍存在的、偏離客觀事實(shí)的認(rèn)識(shí)，它引導(dǎo)人們不去考慮其他方面的可能性，阻礙人們對(duì)該【技術(shù)領(lǐng)域】的研究和開發(fā)。如果發(fā)明克服了這種技術(shù)偏見，采用了人們由于技術(shù)偏見舍棄的技術(shù)手段，從而解決了技術(shù)問題，則這種發(fā)明具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，具備創(chuàng)造性。
[0029]專利審查指南要求:對(duì)于克服技術(shù)偏見的發(fā)明，說明書中還應(yīng)當(dāng)解釋為什么說，該發(fā)明克服了技術(shù)偏見。因此，有了上面的簡(jiǎn)說，用來說明現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量方法是受傳統(tǒng)思維的固化僵成的偏見，只能是愈改愈復(fù)雜，癡迷不悟，克服甚難。本發(fā)明人也只是在特定環(huán)境下，受外界的激勵(lì)才有醒悟，若沒有上說種種困境的逼迫，也是不可能克服這一技術(shù)偏見的。這是發(fā)明思維中的重要特征，只有簡(jiǎn)要的說出這全過程，才能更好的解釋為什么說本發(fā)明克服了技術(shù)偏見；本發(fā)明與技術(shù)偏見之間的差別以及為克服技術(shù)偏見所采用的技術(shù)手段，也分別給于詳述。
[0030]用“容柵”關(guān)健詞中文搜索:期刊論文287篇；學(xué)位論文41篇；會(huì)議論文31篇；圖書54種。圖書中有專人專著的透析容柵，還有國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的容柵專著等；從中未能查到一張具體電路，不知是保密，還是尚未吃透？
[0031]同濟(jì)大學(xué)張榮在碩士學(xué)位論文中指出:通過20年的研究，我國(guó)已經(jīng)了解了容柵測(cè)量系統(tǒng)的原理，并建立了數(shù)學(xué)模型，分析原理性誤差，制造誤差和處理電路引起的量化誤差和細(xì)分誤差，以及這些誤差對(duì)容柵系統(tǒng)精度的影響，同時(shí)提出了一些措施以及提高容柵系統(tǒng)精度。但是，實(shí)際容柵系統(tǒng)是一個(gè)極其復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)際模型與理想模型有很大不同，其中有許多不確定因素，而那些提高精度措施也只是停留在書面階段，沒有實(shí)際應(yīng)用。所以，在容柵測(cè)量領(lǐng)域，還有很多是懸而未決的問題等待著我們?nèi)ソ鉀Q，特別是實(shí)際可行的誤差補(bǔ)償方法。見碩士學(xué)位論文容柵編碼器研究及其應(yīng)用第6頁。
[0032]上文指出，在容柵測(cè)量領(lǐng)域，還有很多是懸而未決的問題等待著我們?nèi)ソ鉀Q，急待要解決的是實(shí)際可行的誤差補(bǔ)償方法。可見現(xiàn)行測(cè)量方法所存在的問題之多，所述急待要解決的是實(shí)際可行的誤差補(bǔ)償，正是現(xiàn)行技術(shù)的測(cè)量方法中所存在的問題，要完全理想解決只有改變現(xiàn)行的測(cè)量方法。
[0033]綜上所說本發(fā)明的第一個(gè)目的是要改變現(xiàn)行的測(cè)量方法；不是按預(yù)定的差分電容變化量來選定位移量的測(cè)量方法和細(xì)分測(cè)量方法。而是提出差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)，直接由差分電容變化量求解位移量，它是差分電容位移量的轉(zhuǎn)換的第一個(gè)目的。第二個(gè)目的是把差分電容變化量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)位移量的脈沖寬度量；也是本發(fā)明差分電容位移量轉(zhuǎn)換的第二個(gè)目的。
[0034]跟據(jù)本發(fā)明提出差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)，可以把差分電容傳感器中電容變化量直接轉(zhuǎn)換為位移量的。但是電容傳感器的測(cè)量電路，通常是把電容變化量轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量、計(jì)數(shù)和顯示的電量，常用的有電壓量、電流量、脈沖寬度量和脈沖頻率等，再由測(cè)量后的電量選定為位移量顯示，最簡(jiǎn)單的方法是用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器把電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量；如本發(fā)明人早期的CN1167371和CN1240928專利中的測(cè)量電路都是用的兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，把差分電容同時(shí)轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量進(jìn)行比較。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度量tw ^ 0.69RC，這要求兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器所用的電阻(R1和R2)相等。為此，用電位器調(diào)節(jié)兩個(gè)電阻相等而平衡，當(dāng)輸入為零時(shí)輸出也為零。缺點(diǎn)是無法解決零漂問題。
[0035]以上所說是差分電容變化量轉(zhuǎn)換的第二個(gè)目的，也是本發(fā)明要解決的第二個(gè)目的，是提出用同一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路，不是同時(shí)測(cè)量，而是先后，分別把差分電容量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量的電路，兩個(gè)脈沖寬度量的比較有單片微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)與分析比較給出結(jié)果。這種電路無需調(diào)節(jié)電位器來平衡電路的，也不存在零漂問題。這樣，把差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量的電路，不僅電路簡(jiǎn)單和解決了電路零漂問題；而且，也為大量程測(cè)量提供了方便和可能。
[0036]本發(fā)明的第三個(gè)目的，是實(shí)施本發(fā)明第一個(gè)目的和第二個(gè)目的，提出一種電容型線性位移測(cè)量系統(tǒng)；本系統(tǒng)是大量程的絕對(duì)位置測(cè)量。也是進(jìn)一步說明差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)、差分電容變 化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量和細(xì)分方法在本系統(tǒng)測(cè)量電路中的應(yīng)用；本系統(tǒng)測(cè)量電路用的是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，把電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量tw ^ 0.69RC，在定極板上串接不同的電阻，不同的電阻R就有不同的測(cè)量量程(詳情后說)，而且測(cè)量量程與極板面積無關(guān)，只與電阻R有關(guān)。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中的電阻R大小沒有限制，故測(cè)量量程也不受限制。由于采用了差分電容位移測(cè)量基準(zhǔn)和細(xì)分測(cè)量方法；改變了現(xiàn)有按預(yù)定的差分電容變化量來選定的位移量的測(cè)量方法和細(xì)分測(cè)量方法，無需對(duì)測(cè)量環(huán)境和測(cè)量條件有所要求，細(xì)分測(cè)量方法很簡(jiǎn)單，不需要內(nèi)插法，而且提高了測(cè)量精度，又能在惡劣環(huán)境中大量程的測(cè)量，并能使用于機(jī)床或其它重型機(jī)械上；它是微功耗、體積小、傳感器制造和電路都簡(jiǎn)單全數(shù)字型、無零漂、抗干擾穩(wěn)定性好和成本低等優(yōu)點(diǎn)；它優(yōu)于電磁感應(yīng)型如球柵(BallGrid)、光柵和磁柵等。
[0037]通常電容型增量式位移測(cè)量和絕對(duì)式位移測(cè)量的兩種裝置中，都包含有位移標(biāo)尺部件和讀取部件。增量位移測(cè)量的位移標(biāo)尺部件中包含有均勻排列的矩形電極，矩形電極的形狀、尺寸和導(dǎo)電性能都相同，這是保證它的同一性；矩形電極的寬度(用bs表示)相同，間隙寬度(用as表示)相同，如果只用一個(gè)矩形電極的寬度和一個(gè)間隙寬度為一周期(用ts表示)，即ts = as+bs ;這種位移標(biāo)尺也就是所說的定尺上，尚有用于標(biāo)識(shí)位移的刻度線。讀取部件中含有動(dòng)電極(動(dòng)電極的排列方示各有不同，下面結(jié)合具體時(shí)再細(xì)說)和檢測(cè)電路，也就是所說的動(dòng)尺。絕對(duì)位移測(cè)量，需要讀取部件在每個(gè)位移處讀取到的信號(hào)都不同，即要求每個(gè)刻度線上都具備可區(qū)分性。本發(fā)明的電容傳感器在絕對(duì)位置位移量的測(cè)量方面，也是一種新的探討和發(fā)明。
[0038]正如CN101995208(或 W0201101018497)專利說明書[0006]至[0009]中所指出
的:目前，增量位移測(cè)量的方法已經(jīng)較為成熟和普遍，而絕對(duì)位移測(cè)量技術(shù)尚處于發(fā)展階段，現(xiàn)有技術(shù)中絕對(duì)位移測(cè)量的方式主要有以下兩種:
[0039]第一種方式:利用空間復(fù)用的方式在均勻分布的電極上實(shí)現(xiàn)增量位移測(cè)量和絕對(duì)位移測(cè)量。在該種方式中，位移標(biāo)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(cè)量時(shí)，每根電極的上下兩部分加載相同信號(hào)，在切割間隙足夠小的情況下，每根電極可以看作增量測(cè)量的刻度。在絕對(duì)位移測(cè)量時(shí)，每根電極的上下兩個(gè)部分加載相位相反的信號(hào)，處于某位移下的讀取單元感應(yīng)的信號(hào)取決于讀取單元覆蓋到的電極的上下兩部分面積之差，導(dǎo)致每個(gè)位移處讀取單元輸出的信號(hào)的相位值不同，利用絕對(duì)位移與讀取單元輸出信號(hào)的相位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過獲取輸出信號(hào)的相位值，便可以獲取到絕對(duì)位移信息。
[0040]第二種方式:位移標(biāo)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(gè)位置均能夠覆蓋多道的電極。在絕對(duì)位移測(cè)量時(shí)，每一道電極均由接正極性信號(hào)和負(fù)極性信號(hào)的電極組成，在每一個(gè)位移處保證讀取單元覆蓋的電極所記載的信號(hào)的極性組合是不同的，根據(jù)位移與極性組合的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過獲取讀取信號(hào)輸出的極性組合，便可以獲取到絕對(duì)位移信息。
[0041]但是，在上述第一種方式中，是通過獲取模擬量來進(jìn)行絕對(duì)位移測(cè)量的，容易受到讀取單元的傾斜程度影響，讀取單元的實(shí)際安裝和運(yùn)動(dòng)不可能與位移標(biāo)尺單元完全平行，絕對(duì)位移的測(cè)量值會(huì)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(fù)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(jié)至指定極性的信號(hào)線上的實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。
[0042]上說是CNlO 1995208 (或W02011018497)專利中，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題加以綜合分析與比較，說明改來改去所存在的問題還是復(fù)雜，于是該專利CN101995208(或W02011018497)又進(jìn)一步做了改進(jìn)；也確實(shí)如該專利所說的電極圖形更加簡(jiǎn)單，每根電極無需要在特定位置切割，制作工藝也很簡(jiǎn)單，但需有兩種激勵(lì)信號(hào)源和特定矩形感應(yīng)區(qū)域等，每種激勵(lì)信號(hào)源有四個(gè)(或多于四個(gè))相位不同的信號(hào)，增量位移測(cè)量模式是測(cè)量位移量的小數(shù)，這仍然是傳統(tǒng)的測(cè)量方法，絕對(duì)位移測(cè)量模式是位移量的量程大，特定矩形感應(yīng)區(qū)域的數(shù)就大，因此位移測(cè)量程是有限的；位移標(biāo)尺單元和讀取單元都有多根外引的信號(hào)線，這樣運(yùn)動(dòng)件和固定件的連線也是個(gè)麻煩問題?？傊险f對(duì)比說明了現(xiàn)有技術(shù)所成在的種種問題，都是固化于現(xiàn)行測(cè)量方法所造成的，難能完全理想的解決。也就是所說的技術(shù)偏見。
[0043]本發(fā)明的第四個(gè)目的，為實(shí)施本發(fā)明第一個(gè)目的和第二個(gè)目的，把檢測(cè)電路、傳感器、顯示件和外殼(或封裝)等集成一體的微型(MEMS)器件。這類【背景技術(shù)】并入后敘
【發(fā)明內(nèi)容】
，便于對(duì)比。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0044]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的偏見與不足，提出一種差分電容位移量的轉(zhuǎn)換(轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量)和細(xì)分方法，所說的差分電容位移量的轉(zhuǎn)換包括有差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量，克服了現(xiàn)有的測(cè)量方法中，沒有就測(cè)量到的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)，只能跟據(jù)預(yù)定的差分電容變化量所對(duì)應(yīng)位移量來選定的缺陷，也就是技術(shù)偏見所造成的弊端，從而對(duì)測(cè)量環(huán)境和測(cè)量條件無特別要求。利用差分電容位移量轉(zhuǎn)換為位移量的脈沖寬度量的特點(diǎn)是可以大量程測(cè)量，測(cè)量量程與極板面積無關(guān)，而且脈沖寬度量的細(xì)分方法就是頻率細(xì)分方法，所實(shí)施的電容型線性位移測(cè)量系統(tǒng)中，傳感器制造和電路都簡(jiǎn)單的全數(shù)字型、不需要內(nèi)插法，細(xì)分精度高、它是微功耗、體積小、無零漂、抗干擾穩(wěn)定性好、成本低廉、且能在水、油、灰塵污染等惡劣測(cè)量環(huán)境中使用和擴(kuò)大了運(yùn)用范圍等優(yōu)點(diǎn)；它優(yōu)于電磁感應(yīng)型如球柵(Ball Grid)、光柵和磁柵等。還有微型(MEMS)器件，細(xì)分精度是納米級(jí)，它是MEMS的機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如位置、位移、速度、振幅和頻率等)精確測(cè)量的新途徑，測(cè)量參數(shù)的變換是遙控。本發(fā)明促使電容位移傳感器的潛力有了大的發(fā)輝。
[0045]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0046]—種差分電容位移量的轉(zhuǎn)換和細(xì)分方法，其特征是:差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法；
[0047]所述差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)是用一對(duì)差分電容的差分位移區(qū)間的位移距離s (或?qū)挾萣)與在差分位移區(qū)間內(nèi)測(cè)量的第一個(gè)差分電容C1及第二個(gè)差分電容C2之和(CJC2)相比，這一比值正是在差分位移區(qū)間內(nèi)測(cè)量時(shí)單位電容變化量的位移量(用d。表示)；在這差分位移區(qū)間的距離S(或?qū)挾萣)內(nèi)任何點(diǎn)，只要測(cè)量條件和測(cè)量環(huán)境保持不變，這一單位電容變化量的位移量d。是相同不變的。有了這單位電容變化量的位移量d。，也就有了所測(cè)量到的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)；而且是動(dòng)態(tài)跟蹤的基準(zhǔn)，當(dāng)測(cè)量條件和測(cè)量環(huán)境變化時(shí)，所測(cè)量的差分電容變化量之和(CJC2)隨著跟蹤變化，在這差分位移區(qū)間內(nèi)的距離s未變，也就是在這動(dòng)極板上的兩個(gè)電極與定極板上的電極所覆蓋的寬度b未變，而這單位電容變化`量的位移量d。，也相應(yīng)的隨著差分電容變化量之和(CJC2)的變化而跟蹤變化；有了這動(dòng)態(tài)跟蹤的基準(zhǔn)，由差分位移區(qū)間內(nèi)位移時(shí)差分電容變化量求出所對(duì)應(yīng)的位移量是很方便的，這就是克服了現(xiàn)行測(cè)量方法中沒有就測(cè)量到的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量基準(zhǔn)的技術(shù)偏見；
[0048]提起差分電容人們很自然想的是兩個(gè)電容之差，半個(gè)世紀(jì)以來，人們?cè)趥鹘y(tǒng)測(cè)量方法的固化下，從未想到利用兩個(gè)差分電容之和的上述所用，而是舍近求遠(yuǎn)的的把所測(cè)量到的差分電容變化量，跟據(jù)預(yù)定的差分電容變化量所對(duì)應(yīng)的位移量來選定，以至于對(duì)測(cè)量環(huán)境和測(cè)量條件要求很高，要防水、防油、防灰塵，要保證動(dòng)電極和固定電極之間的空氣介質(zhì)常數(shù)保持恒定不變等，而且這種測(cè)量方法的電路中有調(diào)制與解調(diào)、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器…等愈改進(jìn)愈復(fù)雜；這是人們的思維固化在傳統(tǒng)的測(cè)量方法中從改進(jìn)到發(fā)展，習(xí)慣性的由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，復(fù)雜更復(fù)雜…，無法跳出；一旦能從這復(fù)雜中跳出來，便有新的簡(jiǎn)單；
[0049]本發(fā)明人正是面對(duì)種種不公的憤怒，憤怒中突發(fā)奇想的跳出了固有的測(cè)量方法，這才能突破了技術(shù)偏見，有了本發(fā)明，也就是有了所測(cè)量到的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)后，它不僅測(cè)量方法和電路都很簡(jiǎn)單方便，也免去了對(duì)測(cè)量環(huán)境和測(cè)量條件的一些要求；能在水、油、灰塵污染等惡劣測(cè)量環(huán)境中使用和擴(kuò)大了運(yùn)用范圍，還省去了調(diào)制與解調(diào)、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等模擬量元件，有數(shù)字元件所替代的全數(shù)字化，避免了模擬量元件所帶來的干擾，特別是全數(shù)字化能使精度、分辨力和測(cè)量速度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，見林玉池主編測(cè)量控制與儀器儀表前沿技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)一書76頁:
[0050]所述細(xì)分方法是指單位位移量的電容變化量中，最小單位位移量的電容變化量，也就是分辨力，在差分位移區(qū)間內(nèi)，單位電容變化量的位移量d。的倒數(shù)是單位位移量的電容變化量(用ds表示)，如果分辨力是一微米，就選用最小單位位移量是微米，即每一微米的電容變化量ds，測(cè)量時(shí)必須能測(cè)量出每一微米的電容變化量ds，也就是能測(cè)出最小分辨力量為一微米，只要能測(cè)量出這最小單位位移量的電容變化量ds就是最小細(xì)分單位量；這也是有了所測(cè)量到的電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)，可使單位位移量的電容變化量具體化，才有如此簡(jiǎn)單的細(xì)分方法；
[0051]本發(fā)明的細(xì)分方法比現(xiàn)有技術(shù)簡(jiǎn)單，無需內(nèi)插法及預(yù)定的電容變化量所對(duì)應(yīng)位移量的大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；
[0052]所說差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法是適合所有差分電容位移傳感器的測(cè)量，不論是位置還是位移量、或長(zhǎng)度量還是角度量、或直線運(yùn)動(dòng)還是圓形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量都適用，只要是電容型差分測(cè)量都可采用本方法；此外，不論如何把電容變化量轉(zhuǎn)換為其它電量(如電壓量、電流量、脈沖寬度量和脈沖頻率等)，只要是電容型差分測(cè)量都可采用本方法，它是非常簡(jiǎn)單普遍適用的方法。
[0053]一種差分容位移量的轉(zhuǎn)換和細(xì)分方法，其特征是:包括差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量和細(xì)分方法；所說差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量是把兩個(gè)差分電容(^與(:2用同一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路，分別依次測(cè)量?jī)蓚€(gè)脈沖寬度量h~0.69R C1和t2~0.69R C2,兩個(gè)差分電容C1與C2所用的測(cè)量電路(如單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和電阻)是同一個(gè)，無需用電位器調(diào)節(jié)電路的平衡，兩個(gè)差分電容C1與C2先后測(cè)量時(shí)間之差通常最多是毫秒級(jí)，測(cè)量中兩個(gè)差分電容(；與(:2在這短暫時(shí)間內(nèi)不存在零漂問題；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度量由細(xì)分電路，分成以最小細(xì)分單位的脈沖寬度組成的一個(gè)脈沖串，這個(gè)脈沖串輸出至單片微型計(jì)算機(jī)，有單片微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)與分析比較給出結(jié)果；
[0054]所說細(xì)分電路是將一個(gè)寬度大的脈沖，分成最小細(xì)分單位的脈沖寬度的脈沖串，它是有高頻方波振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖，與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出的寬度大的脈沖，通過二輸入與門電路的輸出，就是所說的細(xì)分電路的脈沖串輸出，細(xì)分電路輸出的脈沖串中，每一個(gè)脈沖寬度取決于最小細(xì)分單位的脈沖寬度，它是分辨力中最小單位位移量的電容變化量所對(duì)應(yīng)的脈沖寬度，最小細(xì)分單位的脈沖寬度愈小，高頻方波振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖頻率愈高，這種細(xì)分就是頻率細(xì)分，改變頻率只是改變振蕩器的參數(shù)(如電阻或電容)，故頻率細(xì)分方法是最為簡(jiǎn)單的方法；這種簡(jiǎn)便有利于微納米的測(cè)量；
[0055]所說差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量的電路，不僅簡(jiǎn)單，還解決了零漂問題，也為大量程測(cè)量提供了方便和可能；這是電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量t ^ 0.69RC，在電極中串接不同的電阻，即每一個(gè)矩形電極的寬度和一個(gè)間隙寬度為一周期內(nèi)所串接的電阻不同，差分電容位移量的轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量不同，所代表的位置也就不同，在下面所述的電容型線性位移測(cè)量系統(tǒng)是本方法實(shí)施的范例中將進(jìn)一步細(xì)說。
[0056]所說差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量的電路和細(xì)分方法，適合所有差分電容位移傳感器的測(cè)量，它把電容量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量中沒有放大器等模擬量元件，全是數(shù)字量元件抗干擾性好，電路簡(jiǎn)單，無需電位器調(diào)零，也無零漂，所有干擾和寄生(或附加)電容都相同，比較時(shí)也就不存在，它是非常簡(jiǎn)單普遍適用的方法，可以用嵌入式系統(tǒng)對(duì)脈沖寬度進(jìn)行捕捉/比較，使單片微型計(jì)算機(jī)外圍控制電路更為簡(jiǎn)單，制成差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量專用集成控制件的用途廣泛，如CN86106551、CN1167371和CN1240928等專利(這都是本發(fā)明人的早期發(fā)明)的電路皆可選用。
[0057]所說差分電容位移量的轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量和細(xì)分方法是適合所有差分電容位移傳感器的測(cè)量，不論是位置還是位移量、或長(zhǎng)度量還是角度量、或直線運(yùn)動(dòng)還是圓形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量都適用，只要是電容型差分的位置或位移測(cè)量都可采用本方法。
[0058]下面所述的電容型線性位移測(cè)量系統(tǒng)是差分電容位移量的轉(zhuǎn)換和細(xì)分方法實(shí)施的范例。
[0059]一種用差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法與一種差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量和細(xì)分方法所實(shí)施的電容型線性位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征是:它包括有電容傳感器、電容傳感器的電容偶合和電氣連接方式、絕對(duì)位置的測(cè)量和細(xì)分方法、及其測(cè)量電路所組成；通過所述線性位移測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)一步說明所述的差分電容位移量的轉(zhuǎn)換(轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量)和細(xì)分方法的應(yīng)用；
[0060]所述電容傳感器有小數(shù)組電容傳感器和大數(shù)組電容傳感器，小數(shù)組電容傳感器是選用CN86106558專利的電容傳感器(這是本發(fā)明人的早期發(fā)明)，動(dòng)極板有上四組電極，在定極板上一個(gè)矩形電極的寬度1^和間隙寬度\為一周期(ts = as+bs)內(nèi)，組成八對(duì)差分位移電極組輪換進(jìn)行的八個(gè)線性差分位移測(cè)量區(qū)間，這八個(gè)線性差分位移測(cè)量區(qū)間的輪換，由這動(dòng)板上四組電極與定極板電極所組成的電容量的狀態(tài)特征所選定；大數(shù)組電容傳感器和小數(shù)組電容傳感器的電極組數(shù)與排列完全相同，所不同只是定極板和動(dòng)極板上大數(shù)組電極寬度和間隙寬度參數(shù)是小數(shù)組電極寬度和間隙寬度參數(shù)的八倍，且大數(shù)組定極板上的電極是每相鄰的三個(gè)電極為一組，共并一端與定極板上背面的電阻相連接，電阻另一端接在定極板上背面的接地端，定極板上的電極是每相鄰的三個(gè)電極共并連的一個(gè)電阻阻值是各不相同，不同的阻值是用來保證絕對(duì)位移測(cè)量的所有大數(shù)組電容傳感器在每個(gè)位移處讀取到的信號(hào)是不同的；
``[0061]所說的CN86106558專利中的電容傳感器動(dòng)極板電極是左右兩側(cè)集中排列，左側(cè)集中的是A和C兩組，右側(cè)集中的是B和D兩組，其缺點(diǎn)是當(dāng)動(dòng)極板電極和定極板電極之間，在運(yùn)動(dòng)方向不平行的傾斜時(shí)，影響其精度，本發(fā)明對(duì)此的改進(jìn)是把動(dòng)極板電極左右兩側(cè)集中排列改為A、C、B、D和C、A、D、B的分散排列排列；這樣當(dāng)動(dòng)極板電極和定極板電極之間，在運(yùn)動(dòng)方向不平行的傾斜時(shí)，對(duì)精度的影響不大；
[0062]所說電容傳感器的電容偶合和電氣連接方式是，在動(dòng)極板上小數(shù)組的四組電極接線端接至所說的測(cè)量電路，動(dòng)極板上小數(shù)組的四組電極與定極板上小數(shù)組的電極是電容偶合，定極板上小數(shù)組所有電極的一端共連在一起由印制電極板的背面連至接地端；在動(dòng)極板上大數(shù)組的四組電極接線端也是接至所說的測(cè)量電路，動(dòng)極板上大數(shù)組的四組電極與定極板上大數(shù)組的電極是電容偶合，定極板上大數(shù)組電極是每相鄰的三個(gè)電極為一組，共并一端在印制電極板的背面與電阻相連接，電阻另一端也是在印制電極板的背面連至接地端，所說接地端是通過被測(cè)量位移量的機(jī)床或機(jī)械的滑動(dòng)金屬件與測(cè)量電路的電源接地端相連接。[0063]所說絕對(duì)位置的測(cè)量和細(xì)分方法是有大數(shù)組和小數(shù)組的組合及其差分電容位移量的轉(zhuǎn)換(轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量)和細(xì)分方法；所說大數(shù)組是有周期數(shù)和大數(shù)段的組合；所說小數(shù)組是有小數(shù)段和尾數(shù)的組合；
[0064]所說大數(shù)段在周期數(shù)之后，大數(shù)段是在大數(shù)組電容傳感器定極板上一個(gè)矩形電極的寬度和間隙寬度為一周期(或稱節(jié)距)內(nèi)，由八個(gè)線性差分位移測(cè)量區(qū)間組成的，用N表示，N分別為0、1、2...7，在大數(shù)段八個(gè)線性差分位移測(cè)量區(qū)間中，所選定的第N個(gè)區(qū)間的區(qū)間數(shù)，有測(cè)量時(shí)所測(cè)量的大數(shù)組的四組電容值比較所確定，也就是所說的大數(shù)組的四組電極與定極板電極所組成的電容量的狀待征所選定；大數(shù)段超出一個(gè)矩形電極的寬度和間隙寬度為一周期(或稱節(jié)距)時(shí)，由定極板上的電極中每相鄰的三個(gè)電極共并連的一個(gè)電阻阻值是各不相同來區(qū)分；不同的阻值就是三個(gè)電極不同的周期數(shù)；
[0065]所說周期數(shù)，是在定極板上的電極中，每相鄰的三個(gè)電極共并連的一個(gè)電阻阻值是Rm，每一個(gè)電阻阻值Rm中三個(gè)電極的周期數(shù)，分別是第一個(gè)電極的周期數(shù)用FE_m表示，F(xiàn)E-m = 3Xm+0 = 3Xm、第二個(gè)電極的周期數(shù)用SE-m表示，SE-m = 3Xm+1和第三個(gè)電極的周期數(shù)用TE-m表示，TE_m = 3Xm+2;其中m是區(qū)別不同電阻阻值(Rm)中的腳注m，分別為0、1、2、3…等自然數(shù)；當(dāng)m = O時(shí)，第一個(gè)電極的周期數(shù)FE-O = O、第二個(gè)電極的周期數(shù)SE-O = I和第三個(gè)電極的周期數(shù)SE-O = 2 ;當(dāng)m= I時(shí)，F(xiàn)E-1 = 3,SE-1 = 4和TE-1 = 5 ；當(dāng) m = 2 時(shí)，F(xiàn)E-2 = 6、SE-2 = 7 和 TE-2 = 8 ；…等；這 m、FE-m, SE-m 和 TE-m 值的判別，有小數(shù)組的四組電容值之和與大數(shù)組的四組電容值之和的比值來確定；
[0066]所說周期數(shù)，是在定極板上的電極中，每相鄰的三個(gè)電極共并連的一個(gè)電阻Rm，并非是唯一的，也可兩個(gè)或四個(gè)電極共并連的一個(gè)電阻Rm，可跟據(jù)測(cè)量中最佳狀態(tài)來確定；
[0067]所說小數(shù)組是大數(shù)段的余數(shù)，小數(shù)組電容傳感器在定極板上，一個(gè)矩形電極的寬度和間隙寬度為一周期(或稱節(jié)距)內(nèi)，由小數(shù)組的八個(gè)線性差分位移測(cè)量區(qū)間組成的，用η表示，η分別是0、1、2…7，所說小數(shù)段八個(gè)線性差分位移測(cè)量區(qū)間中所選定的第η個(gè)區(qū)間的區(qū)間數(shù)，有測(cè)量時(shí)所測(cè)量的小數(shù)組的四組電容值比較所確定，也就是所說的小數(shù)組的四組動(dòng)電極與定極板電極所組成的電容量的狀態(tài)特征所選定；超出小數(shù)組電容傳感器在定極板上一個(gè)矩形電極的寬度和間隙寬度為一周期(或稱節(jié)距)時(shí)便是大數(shù)組；
[0068]所說小數(shù)段后的余數(shù)是尾數(shù)；所說尾數(shù)是用差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法來求解和細(xì)分；
[0069]所述差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)是用一對(duì)差分位移區(qū)間的位移距離s與在差分位移區(qū)間內(nèi)測(cè)量的第一個(gè)差分電容C1及第二個(gè)差分電容C2之和(CJC2)相比，這一比值正是在差分位移區(qū)間內(nèi)測(cè)量時(shí)單位電容變化量的位移量d。；在差分位移區(qū)間的距離S內(nèi)任何點(diǎn)，只要測(cè)量條件和測(cè)量環(huán)境保持不變，這一單位電容變化量的位移量d。是相同不變的。有了這單位電容變化量的位移量d。，也就有了所測(cè)量到的電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)；而且是動(dòng)態(tài)跟蹤的基準(zhǔn)，當(dāng)測(cè)量條件和測(cè)量環(huán)境變化時(shí)，所測(cè)量的差分電容變化量之和(CJC2)隨著跟蹤變化，差分位移區(qū)間的寬度距離s未變，也就是在這動(dòng)極板上的兩個(gè)電極與定極板上的電極所覆蓋的寬度b未變，而這單位電容變化量的位移量d。，也相應(yīng)隨著差分電容變化量之和(CJC2)的變化而跟蹤變化；
[0070]所說尾數(shù)細(xì)分方法是 用一對(duì)差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)中的，單位位移量的電容變化量ds中最小單位量的電容變化量，如選用最小單位位移量是微米，即每一微米的電容變化量ds，測(cè)量時(shí)必須能測(cè)量出每一微米的電容變化量ds，也就是能測(cè)出最小分辨量為一微米，只要能測(cè)量出這最小單位位移量的電容變化量ds，就是最小細(xì)分單位量；
[0071]所說大數(shù)組和小數(shù)組的組合的次序是，先有大數(shù)組中確定周期數(shù)中每相鄰的三個(gè)電極共并連的一個(gè)電阻阻值是Rm，由電阻Rm中確定三個(gè)電極的周期數(shù)，若是第一個(gè)電極FE=3Xm、或第二個(gè)電極是SE-m = 3Xm+l、或第三個(gè)電極是TE = 3Xm+2,其中m就是電阻Rm中的腳注m，判別好這m、FE-m、SE-m和TE_m值，此后確定大數(shù)段N，大數(shù)段N的余數(shù)是小數(shù)組，再從小數(shù)組中確定小數(shù)段n，最后是選定小數(shù)段的余數(shù)是尾數(shù)，尾數(shù)是用差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法來求解和細(xì)分；
[0072]所說絕對(duì)位置的測(cè)量方法是大數(shù)組測(cè)量和小數(shù)組測(cè)量的組合；如果不用大數(shù)組電容傳感器測(cè)量，僅有小數(shù)組電容傳感器測(cè)量，這就是增量式電容型位移測(cè)量；
[0073]電容傳感器的測(cè)量電路是把電容變化量轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量、計(jì)數(shù)和顯示的電量，常用的有電壓量、電流量、脈沖寬度量和脈沖頻率等，這里用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器把電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量為例說明如下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度量用t表示，即t ^ 069RC。式中C是電容量也就檢測(cè)時(shí)的電容變化量，R是電阻與電容C串連，改變電阻R大小就是改變電容C的充或放的電流大小，也就是改變輸出脈沖寬度量t，在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中電阻R的阻值大，輸出脈沖寬度量t，就大，這也是一種放大；在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中電阻R的阻值是不受限制的，它是有最小細(xì)分單位位移量的電容變化量ds以及所能測(cè)量出這最小單位位移量的電容變化量ds電路的綜合考慮所選定；
[0074]所說測(cè)量電路是包括有差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量和細(xì)分方法；其中有單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、脈沖寬度細(xì)分電路、時(shí)序開關(guān)電路和單片微型計(jì)算機(jī)所組成；
[0075]所說單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是兩個(gè)精密單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，分別用來把小數(shù)組電容傳感器和大數(shù)組電容傳感器的電 容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度變化量，它有單片微型計(jì)算機(jī)分別控制小數(shù)組和大數(shù)組的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)，并由時(shí)序開關(guān)電路，先測(cè)量四組并聯(lián)電容之和(簡(jiǎn)稱先四組之和)，此后分四次測(cè)量三組并聯(lián)電容之和(簡(jiǎn)稱后四次三組之和)的方式，分別控制小數(shù)組的四組電容傳感器和大數(shù)組的四組電容傳感器的依次測(cè)量，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度量，由脈沖寬度細(xì)分電路分成一個(gè)脈沖串輸至單片微型計(jì)算機(jī)，其中小數(shù)組細(xì)分后的脈沖串的每一個(gè)脈沖寬度，是取決于最小細(xì)分單位的脈沖寬度；
[0076]所說先四組之和與后四次三組之和的方式，不是唯一的，也可全三組之和或其它組合方式由單片微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算也能得出各組電容值；
[0077]所說最小細(xì)分單位的脈沖寬度脈沖是有高頻方波振蕩器產(chǎn)生；或有單片微型計(jì)算機(jī)提供。
[0078]所說脈沖寬度細(xì)分電路是把單個(gè)寬度的大的脈沖細(xì)分為脈沖串，便于單片微型計(jì)算機(jī)計(jì)量單個(gè)脈沖的寬度，也可以用嵌入式系統(tǒng)對(duì)脈沖寬度進(jìn)行捕捉/比較，使單片微型計(jì)算機(jī)外圍控制電路更為簡(jiǎn)單；
[0079]所說時(shí)序開關(guān)電路的先測(cè)量四組之和，與后四次三組之和與差的方式是指先測(cè)量四組并聯(lián)電容量之和，后分四次測(cè)量三組并聯(lián)電容量之和，最后再用四組并聯(lián)電容量之和減去三組并聯(lián)電容量之和的差，分別求出每組電容量；這有單片微型計(jì)算機(jī)來完成；
[0080]所說單片微型計(jì)算機(jī)是用于小數(shù)組電容傳感器和大數(shù)組電容傳感器的四組電容測(cè)量的時(shí)序控制檢測(cè)、檢測(cè)后的存儲(chǔ)、小數(shù)組和大數(shù)組的四組電容值的比較、計(jì)算、控制和輸出顯不等。
[0081]本發(fā)明的第四個(gè)目的，為實(shí)施本發(fā)明第一個(gè)目的和第二個(gè)目的，把檢測(cè)電路、傳感器、顯示件和外殼(或封裝)集成一體的微型(MEMS)器件。電容傳感器的檢測(cè)電路就是集成電路，它和電容傳感器的電極加工藝相同，已是成熟技術(shù)。問題是能否微型化，也就是所說的MHMT ?
[0082]在戴聿昌著MEMS介紹一文中指出MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)(micro electromechanical system)的縮寫,它定義為包含電子和或/機(jī)械“部件”的功能性單元,其特征尺寸從IOOnm到Imm不等。也有一些人簡(jiǎn)單地限制MEMS器件的整體尺寸小于一立方厘米。更重要是，多部件、復(fù)雜功能、系統(tǒng)集成以及能夠批量生產(chǎn)。MEMS是他們宏觀世界對(duì)應(yīng)物的微型化、便宜的版本。其功能相同或者更好。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟到了可由純研究過渡到開發(fā)商業(yè)產(chǎn)品的程度。MEMS產(chǎn)品的可維持性在小批量(小于10000單位/年)情況，需要高的單位價(jià)(大于100美元/單位)，而更佳的可維持性則是在大批量(大于1000000單位/年)情況下，使用低一些的單位價(jià)格(小于10美元/單位)。市場(chǎng)的需要仍然是成功進(jìn)行MEMS開發(fā)的重要的經(jīng)濟(jì)因素。(見周兆英王中林林立偉主編微系統(tǒng)和納米技術(shù)一書271、280 和 281 頁)。
[0083]跟據(jù)上說的多部件、復(fù)雜功能、系統(tǒng)集成、器件的整體尺寸以及批量與單位價(jià)格等要求，本發(fā)明所說的差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)、所說的差分電變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量的電路和所說的細(xì)分方法等是適合用本發(fā)明人早期的CN86106551、CNl 167371和CN1240928專利的傳感器、顯示件和殼體集成為一體的微型器件。通過這三種微型器件具體說明它是符合上說要求的，具體如下；
[0084]微型電容式精密位置瞄準(zhǔn)器一種用差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法與一種差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量和細(xì)分方法所實(shí)施的微型電容式精密位置瞄準(zhǔn)器，其特征是:它包括有所說單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、所說脈沖寬度細(xì)分電路、單片微型計(jì)算機(jī)、CN86106551專利的傳感器、`顯示件和殼體集成為一體的微型電容式精密位置瞄準(zhǔn)器。
[0085]在林玉池主編測(cè)量控制與儀器儀表前沿技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)一書76頁中指出:傳感器的微型化要求將傳感器、放大器、補(bǔ)償電路等集成在同一芯片上，即采用集成技術(shù)，既可減小體積，又增加抗干擾能力。數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)把模擬儀器的精度、分辨力和測(cè)量速度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，.......[0086]微型電容式精密位置瞄準(zhǔn)器，用本發(fā)明的差分電容位移量的轉(zhuǎn)換(轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量)和細(xì)分方法實(shí)測(cè)求定位移量，現(xiàn)有技術(shù)是按預(yù)定的差分電容變化量所對(duì)應(yīng)位移量來選定的，兩者相比，前者是實(shí)測(cè)后的精確計(jì)算值高于后者的近似值；這是提高精度因素之一；
[0087]微型電容式精密位置瞄準(zhǔn)器用了本發(fā)明的差分電變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量的電路，不僅是電路簡(jiǎn)單，而是把模擬量的測(cè)量改為數(shù)字量的測(cè)量，是提高測(cè)量的精度、分辨力和速度的更為重要因素，少說一點(diǎn)這一改進(jìn)在精度方面只少能提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，這是提高精度因素之二；
[0088]由于微型電容式精密位置瞄準(zhǔn)器體積小于I立方厘米，所有對(duì)被測(cè)電容量影響的附加無用的電容量大為減小，動(dòng)電極與定電極之間距離可由10微米降為I微米，這能在精度方面的提高只少是一個(gè)數(shù)量級(jí)，這是提高細(xì)分和精度的因素之三；[0089]本發(fā)明的差分電變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量的電路無零漂等噪聲影響、能消除所有的附加無用的電容量，這是提高精度的因素之四；
[0090]本發(fā)明細(xì)分精度取決于頻率細(xì)分，頻率細(xì)分方法是比內(nèi)插法的細(xì)分簡(jiǎn)便可靠，細(xì)分精度聞，這是提聞精度的因素之五；
[0091]本發(fā)明人早期用分立元件實(shí)施CN86106551專利，制成的CWM-DR系列電容式位置瞄準(zhǔn)器的精度已是微米級(jí)。當(dāng)時(shí)售價(jià)不低于100美元/單位。詳見“工具技術(shù)” 1993(01)pp.43_45。
[0092]綜上所說5項(xiàng)提高精度因素，把CWM-DR系列電容式位置瞄準(zhǔn)器集成微型后，本發(fā)明微型電容式精密位置瞄準(zhǔn)器的細(xì)分精度，可由微米級(jí)提高為納米級(jí)(從10納米到I納米)。也說明了這種位置瞄準(zhǔn)器是符合集成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的要求。這是由于本發(fā)明有了差分電容位移量的轉(zhuǎn)換(轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量)和細(xì)分的新方法，促使電容位移傳感器的潛力有所發(fā)輝。現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量方法很難實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
[0093]本微型電容式精密位置瞄準(zhǔn)器有粗測(cè)和精瞄；粗測(cè)電極寬度較大用來指示調(diào)節(jié)范圍，精瞄電極寬度較小用來精密瞄準(zhǔn)定位，還有細(xì)分位移量的數(shù)字指示；有一維和二維瞄準(zhǔn)定位、有單點(diǎn)、多點(diǎn)、特殊點(diǎn)和特種方式的定位等，詳見CN86106551專利。
[0094]微型CMOS電容接近開關(guān)一種差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量和細(xì)分方法所實(shí)施的微型CMOS電容接近開關(guān)，其特征是:它包括有把CNl 167371專利的電路中兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的改為一個(gè)所說的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、所說脈沖寬度細(xì)分電路、單片微型計(jì)算機(jī)和殼體集成為一體的微型CMOS電容接近開關(guān)。其特點(diǎn)是體積相當(dāng)于三極管或霍爾元件的大小，但答應(yīng)件無需像霍爾元件所要求的必需是磁性體，而是任何金屬和非金屬物質(zhì)皆可用作答應(yīng)件，且低電壓和微功耗等，其適應(yīng)面比霍爾元件廣。
[0095]微型電容編碼器一種用差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法與一種差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量和細(xì)分方法所實(shí)施的微型電容編碼器，其特征是:它包括有所說單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、所說脈沖寬度細(xì)分電路、單片微型計(jì)算機(jī)、CN1240928專利的傳感器、顯示件和殼體集成為一體的微型電容編碼器。它和微型電容式精密位置貓準(zhǔn)器一樣，細(xì)分精度可提聞為納米級(jí)。
[0096]對(duì)MEMS的機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如位移、速度、振幅和頻率等)進(jìn)行精確測(cè)試已經(jīng)成為MEMS發(fā)展的迫切要求。微機(jī)械的特征尺寸一般為毫米級(jí)至亞微米量級(jí)，遠(yuǎn)小于宏觀機(jī)械，故微機(jī)械的動(dòng)態(tài)特性很容易被測(cè)試過程干擾。由于光學(xué)測(cè)試方法是非接觸測(cè)量，同時(shí)又具有分辨率好和精度高等特點(diǎn)，目前已成為微機(jī)械量測(cè)試領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。一系列應(yīng)用光學(xué)測(cè)試方法的MEMS動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試儀器，如激光多普勒測(cè)振儀(LDV)、頻閃顯微干涉系統(tǒng)(SMIS)、計(jì)算微視覺系統(tǒng)(CMVS)和光纖邁克爾孫干涉儀等都被廣泛研究并已投入實(shí)際應(yīng)用。摘自林玉池主編測(cè)量控制與儀器儀表前沿技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)一書95頁
[0097]本發(fā)明的上說微型器件能滿足上說測(cè)試條件和要求。本發(fā)明微型器件的動(dòng)極板或定極板(動(dòng)極板和定極板是相對(duì)而言，可以互換。)的電極可腐制在被測(cè)件所要測(cè)量的一面，或制成簿帶狀如同膠帶紙樣貼在被測(cè)件所要測(cè)量的一面，或動(dòng)極板直接固定在被測(cè)件上，電容傳感器本來就是非接觸測(cè)量，這樣微型化測(cè)量時(shí)不干擾微機(jī)械的動(dòng)態(tài)特性，本發(fā)明微型器件能滿足上說分辨率好和精度高等要求，通過單片微型計(jì)算機(jī)的軟件可以把單一的位置測(cè)量變成位置、位移、速度、振幅和頻率等多參數(shù)的測(cè)量，而且在集成電路中加上無線接收部件，用遙控器的發(fā)射件遙控測(cè)量參數(shù)的變換或多參數(shù)同時(shí)測(cè)量。
[0098]所說的微型電容式精密位置瞄準(zhǔn)器和微型電容編碼器，其特征是動(dòng)極板或定極板(動(dòng)極板和定極板是相對(duì)而言，可以互換。)的電極可腐制在被測(cè)件所要測(cè)量的一面，或制成簿帶狀如同膠帶紙樣貼在被測(cè)件所要測(cè)量的一面，或動(dòng)極板直接固定在被測(cè)件上，這種非接觸測(cè)量，不干擾微機(jī)械的動(dòng)態(tài)特性，通過單片微型計(jì)算機(jī)的軟件把單一的位置測(cè)量變成位移、位置、速度、振幅和頻率等多參數(shù)的測(cè)量，在集成電路中加上無線接收部件，用遙控器的發(fā)射件遙控測(cè)量參數(shù)的變換或多參數(shù)同時(shí)測(cè)量。
[0099]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果分別如下:
[0100]I在差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法方面是；
[0101]1.1半個(gè)世紀(jì)以來，人們?cè)趥鹘y(tǒng)測(cè)量方法的固化下:認(rèn)為，不可能有就測(cè)量到的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)；只能跟據(jù)預(yù)定的差分電容變化量所對(duì)應(yīng)位移量來選定的測(cè)量方法，這是被技術(shù)偏見所束縛。本發(fā)明人起初也是被這技術(shù)偏見所束縛，只是在種種困境逼迫下的醒悟，發(fā)現(xiàn)了不是沒有差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)；不僅有，而且還很簡(jiǎn)單；獲得這一基準(zhǔn)的方法很簡(jiǎn)單，用這一方法求解位移量也很簡(jiǎn)單。
[0102]在CN101949682(或W02012022141)專利說明書[0010]中指出:現(xiàn)有的絕對(duì)式容柵位移傳感器需要以微控器(MCU)為核心，軟件依賴于低效率的試探方法，外圍需要復(fù)雜的模/數(shù)、正弦波形電極等技術(shù)支持，常規(guī)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)確實(shí)可滿足上述軟、硬要求，但要將該系統(tǒng)集成(做成單片ASIC)安裝在手持式的測(cè)量工具上，得到同時(shí)滿足低成本、小體積、微工耗且能規(guī)?；a(chǎn)的產(chǎn)品，并非易事。
[0103]以上CN101949682專利中所述和前面的CN101995208 (或W02011018497)專利中也指出(見本說明書的[0038]至[0041]的引用)，現(xiàn)有技術(shù)的問題和困難等都說明了在半個(gè)世紀(jì)時(shí)間內(nèi)，人們對(duì)這一技術(shù)問題普遍存在的偏離了客觀事實(shí)的認(rèn)為，不可能有就測(cè)量到的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)；只能跟據(jù)預(yù)定的差分電容變化量所對(duì)應(yīng)位移量來選定的測(cè)量方法。這是技術(shù)偏見。本發(fā)明克服了這種技術(shù)偏見。有了所測(cè)量到的電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)后，完全不要上說的這些元件，也不存在上說的困難之事，相比之下。本發(fā)明的測(cè)量原理和方法都很簡(jiǎn)單。
[0104]1.2現(xiàn)有電容傳感器位移量的測(cè)量方法和細(xì)分測(cè)量的內(nèi)插法，都是按預(yù)定的差分電容變化量所對(duì)應(yīng)位移量來選定，因此對(duì)測(cè)量環(huán)境和測(cè)量條件要求很高，要防水、防油、防灰塵，要保證動(dòng)電極和固定電極之間的空氣介質(zhì)常數(shù)保持恒定不變，并且和預(yù)定的差分電容變化量所對(duì)應(yīng)的測(cè)量條件與環(huán)境完全相同，這樣才能保證按預(yù)定的差分電容變化量所選定的位移量和內(nèi)插值可靠有效。這種測(cè)量方法對(duì)測(cè)量精度、測(cè)量量程和測(cè)量環(huán)境和測(cè)量條件都有限制。正如同濟(jì)大學(xué)張榮在碩士學(xué)位論文容柵編碼器研究及其應(yīng)用一文中指出(見本說明書的[0031]的引用):在容柵測(cè)量領(lǐng)域，還有很多是懸而未決的問題等待著我們?nèi)ソ鉀Q，特別是實(shí)際可行的誤差補(bǔ)償方法?？梢?，現(xiàn)有的測(cè)量方法在精度方面誤差補(bǔ)償?shù)绕惹械却鉀Q。有了差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)求解位移量的方法，上說問題都能得到完全很好的解決。也不存在像現(xiàn)有技術(shù)那樣愈改進(jìn)愈復(fù)雜的問題。
[0105]1.3本發(fā)明能在水、油、灰塵污染等惡劣環(huán)境中使用。無需防水、防油、防灰塵、和保證動(dòng)電極和固定電極之間的空氣介質(zhì)常數(shù)保持恒定不變等條件所限。這說明本發(fā)明擴(kuò)大了電容傳感器的使用范圍。[0106]1.4現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量電路大都采用調(diào)制、解調(diào)、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器等電路；這是模擬電路，其缺點(diǎn)是易受干擾和失真。本發(fā)明測(cè)量電路可不用上說模擬電路，全是數(shù)字電路，不存在干擾和失真問題。這說明本發(fā)明不僅簡(jiǎn)單，也為電容傳感器的位移或位置測(cè)量全數(shù)字化，提出了簡(jiǎn)易可行的方法。數(shù)字量?jī)x器比模擬量?jī)x器的精度、分辨力和測(cè)量速度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。制造業(yè)的第三次產(chǎn)業(yè)革命的目標(biāo)是數(shù)字化。
[0107]1.5現(xiàn)有電容位移傳感器位移量的測(cè)量方法和細(xì)分測(cè)量的內(nèi)插法都是按預(yù)定的電容變化量來選定位置位移量，這種測(cè)量方法要求單片微型計(jì)算機(jī)有容量很大的查詢表存儲(chǔ)器；本發(fā)明不存在這種問題。這樣相比本發(fā)明對(duì)單片微型計(jì)算機(jī)的要求也是簡(jiǎn)單的。
[0108]1.6在差分位移測(cè)量中用一對(duì)差分電容的差分位移區(qū)間的位移距離s(或?qū)挾萣)與在差分位移區(qū)間內(nèi)測(cè)量的第一個(gè)差分電容C1及第二個(gè)差分電容C2之和(CjC2)相比，這一比值正是在差分位移區(qū)間內(nèi)測(cè)量時(shí)單位電容變化量的位移量(用d。表示)；在這差分位移區(qū)間的距離s(或?qū)挾萣)內(nèi)任何點(diǎn)，只要測(cè)量條件和測(cè)量環(huán)境保持不變，這一單位電容變化量的位移量d。是相同不變的。有了這單位電容變化量的位移量d。，也就有了所測(cè)量到的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)；而且是動(dòng)態(tài)跟蹤基準(zhǔn)量，再用這基準(zhǔn)由差分位移區(qū)間內(nèi)位移時(shí)電容變化量求出所對(duì)應(yīng)的位移量；這一檢測(cè)方法適合所有差分電容傳感器，只要是電容型差分位移測(cè)量都可采用本方法，它是非常簡(jiǎn)單普遍適用的方法。
[0109]1.7本發(fā)明是用所說的動(dòng)態(tài)跟蹤基準(zhǔn)量求解位移量后，使單位位移的電容變化量具體化，便于細(xì)分，特別是頻率細(xì)分最為簡(jiǎn)便，無需A/D轉(zhuǎn)換器等復(fù)雜電路；只要能測(cè)量出最小單位位移的電容變化量，就是最小分辨力。
[0110]1.8由于本發(fā)明有了差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法，通過單片微型計(jì)算機(jī)的軟件把單一的位置測(cè)量變成位置、位移、速度、振幅和頻率等多參數(shù)的測(cè)量，在集成電路中加上無線接收部件，用遙控器的發(fā)射件遙控測(cè)量參數(shù)的變換。這在現(xiàn)有按預(yù)定的差分電容變化量所對(duì)應(yīng)位移量來選定的測(cè)量方法，是不可能把單一的位移測(cè)量變成位置、位移、速度、振幅和頻率等多參數(shù)的測(cè)量。
[0111]2在差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬量和細(xì)分方法方面是；
[0112]2.1本發(fā)明用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路把度差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量是最為簡(jiǎn)單的電路，它是數(shù)字電路抗干擾性好；也為大量程測(cè)量提供了方便和可能。這是電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量t~0.69RC，在電極中串接不同的電阻，即每一個(gè)矩形電極的寬度和一個(gè)間隙寬度為一周期內(nèi)所串接的電阻不同，差分電容位移量的轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量不同，所代表的位置也就不同。
[0113]2.2現(xiàn)有技術(shù)把差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬量需要用兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，要有調(diào)節(jié)平衡的電位器；其零飄問題難以解決；本發(fā)明共用了一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分別依次測(cè)量，兩個(gè)差分電容((^與(:2)所用的測(cè)量元件(如單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和電阻)完全相同，無需用電位器調(diào)節(jié)電路的平衡，兩個(gè)差分電容((^與(:2)先后測(cè)量時(shí)間之差通常最多是毫秒級(jí)，測(cè)量中兩個(gè)差分電容(C1與C2)在這短暫時(shí)間內(nèi)不存在零漂問題。
[0114]2.3本發(fā)明的細(xì)分測(cè)量方法只要能測(cè)量出最小單位位移量的電容變化量ds就是最小的細(xì)分量，對(duì)應(yīng)于測(cè)量電路是能測(cè)量出最小細(xì)分單位的脈沖寬度，這最小細(xì)分單位的脈沖寬度就是細(xì)分電路分成的每一個(gè)單位的脈沖寬度，也就是高頻方波振蕩器產(chǎn)生的每一個(gè)單位的脈沖，故這種細(xì)分方法就是頻率細(xì)分方法，非常簡(jiǎn)單；也有利于微納米的測(cè)量。頻率細(xì)分方法是現(xiàn)有細(xì)分方法中最為簡(jiǎn)單的一種。
[0115]2.4本發(fā)明適合所有差分電容位移傳感器的測(cè)量，它把電容量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量中沒有放大器等模擬量元件，全是數(shù)字量元件抗干擾性好，電路測(cè)量時(shí)無需電位器調(diào)零，也無零漂，所有干擾和寄生(或附加)電容都相同，比較時(shí)也就不存在，它是非常簡(jiǎn)單普遍適用的方法，可以用嵌入式系統(tǒng)對(duì)脈沖寬度進(jìn)行捕捉/比較，使單片微型計(jì)算機(jī)外圍控制電路更為簡(jiǎn)單，制成差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量專用集成控制件的用途廣泛，如CN8610655UCN1167371和CN1240928等專利的傳感器、皆可選用。
[0116]2.5用本發(fā)明的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器把度差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度電路，與CN86106551、CN1167371和CN1240928專利的傳感器、顯示件和殼體集成為一體的微型器件。
[0117]2.6對(duì)MEMS的機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如位移、速度、振幅和頻率等)進(jìn)行精確測(cè)試已經(jīng)成為MEMS發(fā)展的迫切要求?，F(xiàn)在只能用光學(xué)顯微系統(tǒng)等。本發(fā)明集成的微型器件，如微型電容式精密位置瞄準(zhǔn)器和微型電容編碼器等可填補(bǔ)這一空缺。
[0118]3在用差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法，以及差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量和細(xì)分方法所實(shí)施的電容型線性位移測(cè)量系統(tǒng)方面是:
[0119]3.1本發(fā)明的電極圖形只是矩形一種，規(guī)則簡(jiǎn)單，工藝也簡(jiǎn)單，成本低廉；定極板可制成卷到卷的柔性印制板以適應(yīng)不同測(cè)量長(zhǎng)度所需；電阻元件可與印制板制成一體。最簡(jiǎn)單的工藝是定極板上背面的電阻可用分立元件焊接。
[0120]3.2本發(fā)明的小數(shù)組電容傳感器和大數(shù)組電容傳感器中動(dòng)極板上分別只有四組電極組、但在定極板上一個(gè)矩形電極的寬度和間隙寬度的一個(gè)周期(或稱節(jié)距)內(nèi)，一對(duì)差分電容線性位移測(cè)量區(qū)間有八組，對(duì)比US3857092專利中有十組電極組、一對(duì)差分電容線性位移測(cè)量區(qū)間只有五組，而且在這五組中，每一對(duì)差分電容線性位移測(cè)量區(qū)間內(nèi)，尚存有相鄰電極之間的間隙寬度所造成的非線性；這是由于相鄰電極的依次轉(zhuǎn)換的必然結(jié)果；但在本發(fā)明所選用CN86106558專利中的電極是前后跳躍轉(zhuǎn)換，不存在相鄰電極之間的間隙寬度所造成的非線性，在這八組的一對(duì)差分電容線性位移測(cè)量區(qū)內(nèi)都是線性的。兩者相比本發(fā)明是電極組少、組成一對(duì)差分電容線性位移測(cè)量區(qū)間多，且都是線性位移測(cè)量區(qū)；但在US3857092專利中是電極組數(shù)多、而組成一對(duì)差分電容線性位移測(cè)量區(qū)間少，且有非線性位移測(cè)量區(qū)。本發(fā)明所用的電路也比US3857092專利的電路簡(jiǎn)單。
[0121]3.3現(xiàn)有技術(shù)，為了消除相鄰電極的依次轉(zhuǎn)換時(shí)，因相鄰電極之間的間隙寬度所造成的非線性，在CN98126245專利中將電極的一行排列改為兩行排列，原是一行排列的相鄰電極分隔成上下兩行，跳過相鄰電極之間的間隙寬度，使每個(gè)電極有了應(yīng)有的寬度，即實(shí)際寬度和標(biāo)稱寬度相同，原是依次轉(zhuǎn)換變?yōu)樯舷绿S轉(zhuǎn)換，提高了線性度；但是動(dòng)電極與固定電極差分位移相對(duì)覆蓋的起點(diǎn)是零覆蓋量(即尚未覆蓋)，這樣仍有邊緣效應(yīng)所引起的非線性；本發(fā)明所用CN86106558專利中的動(dòng)電極與固定電極差分位移相對(duì)覆蓋的起點(diǎn)不是零覆蓋量，而是選定在覆蓋量大于或等于動(dòng)電極與固定電極相對(duì)覆蓋之間的垂直距離，也就是電極之間的距離，這就不存在邊緣效應(yīng)所引起的非線性，保證了一對(duì)差分電容線性位移測(cè)量區(qū)內(nèi)都是線性的。
[0122]3.4本發(fā)明這種在一對(duì)差分電容線性位移測(cè)量區(qū)內(nèi)斬頭除尾，取其中間最好的線性部分用于位移測(cè)量段(詳見圖4說明)，保證了最佳線性位移測(cè)量的方法是現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量方法無法做到的。而且在一個(gè)矩形電極的寬度和間隙寬度為一周期(或稱節(jié)距)內(nèi)，有八組一對(duì)線性差分位移測(cè)量區(qū)間段組成的，只是由于電極的這種特殊排列，在運(yùn)行中自然行成，無需像已知技術(shù)，如CN101949682(或W02012022141)和CN101995208 (或W02011010184970)等專利那樣要外加不同相位的激勵(lì)信號(hào)，使其電路復(fù)雜化。本發(fā)明的傳感器也是使其電路簡(jiǎn)單因素之一。
[0123]3.5在CN98126245專利中將電極的一行排列改為兩行排列，原是一行排列的相鄰電極分隔成上下兩行，這就使其電極的連線由8根增加到16根是個(gè)困難之事，本發(fā)明小數(shù)組電容傳感器和大數(shù)組電容傳感器的四組電極的連線各自只有4根，共有8根；連線方式也很簡(jiǎn)單。
[0124]3.6現(xiàn)有絕對(duì)位移測(cè)量技術(shù)中有精密測(cè)量(簡(jiǎn)稱精測(cè))和粗略測(cè)量(簡(jiǎn)稱粗測(cè))，也就是本發(fā)明所說的小數(shù)組和大數(shù)組，粗測(cè)區(qū)的電極面積與位移量程有關(guān)，量程越大，粗測(cè)區(qū)的電極面積就越大，檢測(cè)電路也復(fù)雜，現(xiàn)有絕對(duì)位移測(cè)量的量程是有限的，現(xiàn)有電容數(shù)型顯量具的量程只有I公尺左右；本發(fā)明的大數(shù)組占用定極板上的電極面積很小，只是在定極板上每相鄰的三個(gè)電極共并一個(gè)電阻阻值各不相同的電阻，接有不同阻值的電極就是大數(shù)組不同周期數(shù)的電極，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器內(nèi)的電阻阻值不受限制，故而其量程范圍不受限制，量程大小與電極面積無關(guān)，電路也很簡(jiǎn)單。
[0125]3.7現(xiàn)有技術(shù)中電容傳感器的電容偶合方式是，先有檢測(cè)電路至動(dòng)極板電極與定極板電極的一次偶合，有定極板上電極與電極的電氣連接后，再有定極板上電極與動(dòng)極板電極的二次電容偶合方式，又回饋至動(dòng)極板上檢測(cè)電路，這樣兩次電容偶合方式是兩個(gè)電容串連，電容變化量減少，占用極板面積大；本發(fā)明是一次電容偶合方式?jīng)]有這個(gè)問題，而且，通過被測(cè)量位移量的機(jī)床或機(jī)械的滑動(dòng)金屬件與測(cè)量電路的電源接地端相連接方式，已被CN86106551專利所實(shí)施的CWM-DR系列電容式位置瞄準(zhǔn)器，用于機(jī)床工作臺(tái)四點(diǎn)瞄準(zhǔn)定位的實(shí)際效果所證實(shí)是可行的。這比現(xiàn)有技術(shù)中的反射式群聚型簡(jiǎn)單。
[0126]3.8本發(fā)明定極板上每相鄰的三個(gè)電極共并連的一個(gè)電阻阻值各不相同的電阻相連接，電阻另一端接地，這個(gè)電阻是焊接在定極板上的電極印制電路板的背面，不影響動(dòng)極板與定極板的相互平行運(yùn)動(dòng)，定極板上無電源連線，只是電阻的一個(gè)接地端接至被測(cè)量位移量的機(jī)床或機(jī)械的金屬件上，動(dòng)極板上電源接地端也是通過被測(cè)量位移量的機(jī)床或機(jī)械的滑動(dòng)金屬件與電阻的一個(gè)接地端相連，通常被測(cè)量位移量的機(jī)床或機(jī)械都有接地線的，這樣本發(fā)明的測(cè)量電路也是有名符其實(shí)的實(shí)際接地線，這對(duì)防止雜散干擾等是有益的；也防止了地電位的漂移。
[0127]3.9在電容量的測(cè)量方面是先四個(gè)之和，后四次三個(gè)之和的相減方式的測(cè)量，可消除所有不要的并聯(lián)寄生的附加電容?，F(xiàn)有技術(shù)中為了消除所有不要的并聯(lián)寄生的附加電容，通常是采用補(bǔ)償、校正、屏蔽和隔離等方法。這里未加任何措施，只是測(cè)量的方法有所不同，可見其非常簡(jiǎn)單。
[0128]3.10小數(shù)組電容傳感器和大數(shù)組電容傳感器的四組電容量是同時(shí)分別各自由一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器依次轉(zhuǎn)換測(cè)量，這樣小數(shù)組電容傳感器或大數(shù)組電容傳感器的四組或三組電容量的先后測(cè)量電路完全相同；先后測(cè)量時(shí)間之差都只是毫秒級(jí)，無調(diào)節(jié)平衡零點(diǎn)問題，也不存在零漂或溫漂等問題。這與現(xiàn)有克服零漂或溫漂等問題的電路相比，顯然是簡(jiǎn)單的。
[0129]3.11現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量電路都是采用調(diào)制、解調(diào)和放大器等電路；這是模擬電路，其缺點(diǎn)是易受干擾和失真。本發(fā)明電路全是數(shù)字電路，不存在干擾和失真問題。數(shù)字量?jī)x器比模擬量?jī)x器的精度、分辨力和測(cè)量速度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。制造業(yè)的第三次產(chǎn)業(yè)革命的目標(biāo)是數(shù)字化。就此本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比也是簡(jiǎn)單的。
[0130]3.12如上所說本系統(tǒng)中，傳感器制造和電路都簡(jiǎn)單的全數(shù)字型、不需要內(nèi)插法，細(xì)分精度高、它是微功耗、體積小、無零漂、抗干擾穩(wěn)定性好、成本低廉、且能在水、油、灰塵污染等惡劣測(cè)量環(huán)境中使用和擴(kuò)大了運(yùn)用范圍等優(yōu)點(diǎn)；它優(yōu)于電磁感應(yīng)型如球柵(BallGrid)、光柵和磁柵等。
[0131]4在用差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法，以及差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量和細(xì)分方法所實(shí)施的微型器件是:把檢測(cè)電路、傳感器、顯示件和外殼(或封裝)集成一體的微型器件(電容式精密位置瞄準(zhǔn)器、CMOS電容接近開關(guān)和電容編碼器)方面是:
[0132]4.1本發(fā)明集成的微型器件，使差分電容位移傳感器的測(cè)量精度提高至納米級(jí)。這是本發(fā)明促使電容位移傳感器的潛力有所發(fā)輝。
[0133]4.2本發(fā)明集成的微型器件，對(duì)MEMS的機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如位移、速度、振幅和頻率等)的精確測(cè)量提供一種經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便新途徑。
[0134]4.3本發(fā)明集成的微型CMOS電容接近開關(guān)低電壓、微功耗、金屬件和非金屬件都能答應(yīng)等，其適應(yīng)面比霍爾元件廣。其它相同方面不再重說。
[0135]總之，本發(fā)明的測(cè)量原理和測(cè)量方法簡(jiǎn)單、細(xì)分測(cè)量方法是頻率細(xì)分法最為簡(jiǎn)單、特別是大量程的測(cè)量方法比現(xiàn)有技術(shù)更為簡(jiǎn)單，電容傳感器極板電極圖形簡(jiǎn)單、工藝簡(jiǎn)單、電路中沒有調(diào)制、解調(diào)、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和內(nèi)插電路等，使其電路也很簡(jiǎn)單，這些都說明制造很簡(jiǎn)單，成本低廉；現(xiàn)有技術(shù)中的邊緣效應(yīng)與非線性、熱燥聲、零漂、干擾、附加的寄生電容等都一一的得到克服和解決，這些都說明它線性好、抗干擾強(qiáng)、穩(wěn)定性好；而且能適應(yīng)水、油、灰塵等各種惡劣環(huán)境中使用，這是本發(fā)明克服技術(shù)偏見，改變了測(cè)量方法所獲得的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)；從而擴(kuò)大了運(yùn)用范圍、適應(yīng)面廣，為重型機(jī)床或機(jī)械使用電容傳感器進(jìn)行位移測(cè)量提供了可能；比現(xiàn)有技術(shù)所使用的球柵(Ball Grid)制造簡(jiǎn)單、成本低廉、體積小和微功耗無電源拖線。
[0136]本發(fā)明就現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題都以最簡(jiǎn)單的方法加以解決。任何基本的東西都是簡(jiǎn)單的，愈是簡(jiǎn)單，就愈有普遍實(shí)用價(jià)值。本發(fā)明的方法與電路能實(shí)施四種(CN86106558、CN86106551、CNl 167371和CN1240928專利)系列產(chǎn)品的應(yīng)用，充分說明了它的普遍實(shí)用性。
[0137]跟據(jù)本發(fā)明人的檢索:所述差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)是用一對(duì)差分電容的差分位移區(qū)間的位移距離s(或?qū)挾萣)與在差分位移區(qū)間內(nèi)測(cè)量的第一個(gè)差分電容C1及第二個(gè)差分電容C2之和(CJC2)相比，這一比值正是在差分位移區(qū)間內(nèi)測(cè)量時(shí)單位電容變化量的位移量(用d。表示)；有了這單位電容變化量的位移量d。，也就有了所測(cè)量到的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)；而且是動(dòng)態(tài)跟蹤的基準(zhǔn)，用這一基準(zhǔn)求解差分位移量的方法和最小細(xì)分方法是本發(fā)明在差分電容位移電容傳感器測(cè)量中的發(fā)現(xiàn)和首次提出。
[0138]在上說容柵電子卡尺一文中指出:“瓊斯探討了電容傳感器的極限靈敏度，可以測(cè)到5X10_12毫米的位移?！笨梢婋娙輦鞲衅鳒y(cè)量靈敏度的潛力還很大；現(xiàn)在只是受測(cè)量方法所限，本發(fā)明在測(cè)量方法上的改進(jìn)也為電容傳感器的發(fā)展開辟了新途徑。
[0139]本發(fā)明所說的測(cè)量原理和方法突破傳統(tǒng)，電容傳感器和測(cè)量電路都是獨(dú)立自主的創(chuàng)新。電容傳感器有高阻抗和微功耗等優(yōu)點(diǎn)，以及本發(fā)明有了差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)求解位移量的方法和頻率細(xì)方法等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)微納米測(cè)量和納米技術(shù)的發(fā)展是有所促進(jìn)的。特別是把電容傳感器和測(cè)量電路集成一體的微型化，使其細(xì)分精度提高至納米級(jí)，是對(duì)MEMS的機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如位移、速度、振幅和頻率等)進(jìn)行精確測(cè)量的補(bǔ)缺。而且使其單一功能測(cè)量變?yōu)槎喙δ軠y(cè)量和遙控；也比現(xiàn)有技術(shù)的一系列應(yīng)用光學(xué)測(cè)試方法的MEMS動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試儀器，如激光多普勒測(cè)振儀(LDV)、頻閃顯微干涉系統(tǒng)(SMIS)、計(jì)算微視覺系統(tǒng)(CMVS)和光纖邁克爾孫干涉儀等要經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便。
【專利附圖】

【附圖說明】、
[0140]圖1是一對(duì)差分電極的電容傳感器運(yùn)行示意圖。
[0141]圖2是CN86106558專利的電容傳感器電極的排列圖。
[0142]圖3是CN86106558專利的電容傳感器電極排列的改進(jìn)圖。
[0143]圖4是本發(fā)明電容傳感器電極差分電極運(yùn)行圖。
[0144]圖5是本發(fā)明電容傳感器定極板電極排列佈置圖。
[0145]圖6是本發(fā)明電容傳感器動(dòng)極板電極排列佈置圖。
[0146]圖7是本發(fā)明用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器把電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖的寬度量電路框圖。
[0147]圖8是本發(fā)明電容型線性位移測(cè)量系統(tǒng)電路框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0148]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更為清楚，這里結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0149]圖1是一對(duì)差分電極的電容傳感器運(yùn)行示意圖。圖中10是定極板的電極。21和22分別是動(dòng)極板的電極。定極板的電極10與動(dòng)極板的電極21和22是組成一對(duì)差分電極的電容傳感器示意圖。b(或s)是電極的寬度(或差分位移區(qū)間的距離s)。a是相鄰電極的絕緣寬度?？紤]到電極寬度b是大于相鄰電極的絕緣寬度a，而且a值很小故將其忽略。在US3857092專利中圖1的相鄰電極之間的絕緣寬度未標(biāo)注a，就是考慮它很小而忽略。X1和X2分別表式動(dòng)極板左移和右移的位移量。
[0150]圖1 (a)是定極板電極10的中心線在動(dòng)極板電極21和電極22的中間位置圖。圖中定極板電極10分別與動(dòng)極板電極21之間的差分電容用C1表示，與動(dòng)極板電極22之間的差分電容用C2表示。在這種位置下，定極板電極10與動(dòng)極板電極21的覆蓋面積和與動(dòng)極板電極22的覆蓋面積相等；差分電容C1和差分電容C2對(duì)應(yīng)相等。
[0151]圖1(b)是動(dòng)極板電極21和電極22左移X1的位置，在這種位置下，定極板電極10與動(dòng)極板電極21的覆蓋面積小于與動(dòng)極板電極22的覆蓋面積；差分電容C1對(duì)應(yīng)小于差分電容C2 ;但是定極板電極10與動(dòng)極板電極21的覆蓋面積減少量和與動(dòng)極板電極22的覆蓋面積增加量是等同的；故差分電容C1和差分電容C2之和(Cl+C2)是不變的，這就是差分的特點(diǎn)。
[0152]圖1 (c)是動(dòng)極板電極21和電極22右移X2的位置，在這種位置下，同上之理差分電容C2是小于差分電容C1,但是,這差分電容C1和差分電容C2之和(Ci+C2)仍然是不變的。
[0153]就圖1(a)、(b)和(C)三個(gè)圖，說明了在差分位移區(qū)間的寬度s(或?qū)挾萣)內(nèi)，左移或右移時(shí)，雖然差分電容C1和差分電容C2都有變化，但是只要測(cè)量條件和測(cè)量環(huán)境不變，差分電容C1和差分電容C2之和(Cl+C2)是不變的；在在差分位移區(qū)間的距離S (或?qū)挾萣)內(nèi)任何點(diǎn)，這一對(duì)差分電容的動(dòng)極板上電極與定極板的上電極所覆蓋的距離S (或?qū)挾萣)也是不變的。利用差分電容C1和差分電容C2之和(Cl+C2)在差分位移區(qū)間的距離S (或?qū)挾萣)內(nèi)不變的特點(diǎn)，就能求出單位電容變化量的位移量d。如下:
【權(quán)利要求】
1.一種差分電容位移量的轉(zhuǎn)換和細(xì)分方法，其特征是:它包括差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法； 所述差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)是用一對(duì)差分電容的差分位移區(qū)間的位移距離S(或?qū)挾萣)與在差分位移區(qū)間內(nèi)測(cè)量的第一個(gè)差分電容C1及第二個(gè)差分電容C2之和(CjC2)相比，這一比值正是在差分位移區(qū)間內(nèi)測(cè)量時(shí)單位電容變化量的位移量(用d。表示)；在這差分位移區(qū)間的距離S (或?qū)挾萣)內(nèi)任何點(diǎn)，只要測(cè)量條件和測(cè)量環(huán)境保持不變，這一單位電容變化量的位移量d。是相同不變的。有了這單位電容變化量的位移量d。，也就有了所測(cè)量到的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)；而且是動(dòng)態(tài)跟蹤的基準(zhǔn)，當(dāng)測(cè)量條件和測(cè)量環(huán)境變化時(shí)，測(cè)量的差分電容變化量之和(CJC2)隨著跟蹤變化，在這差分位移區(qū)間內(nèi)的距離s未變，也就是在這動(dòng)極板上的兩個(gè)電極與定極板上的電極所覆蓋的寬度b未變，而這單位電容變化量的位移量d。，也相應(yīng)的隨著差分電容變化量之和(CJC2)的變化而跟蹤變化；有了這動(dòng)態(tài)跟蹤的基準(zhǔn)，由差分位移區(qū)間內(nèi)位移時(shí)差分電容變化量求出所對(duì)應(yīng)的位移量是很方便的，這就是克服了現(xiàn)行測(cè)量方法中沒有就測(cè)量到的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量基準(zhǔn)的技術(shù)偏見； 傳統(tǒng)測(cè)量方法是舍近求遠(yuǎn)的把所測(cè)量到的差分電容變化量，跟據(jù)預(yù)定的差分電容變化量所對(duì)應(yīng)的位移量來選定，以至于對(duì)測(cè)量環(huán)境和測(cè)量條件要求很高，要防水、防油、防灰塵，要保證動(dòng)電極和固定電極之間的空氣介質(zhì)常數(shù)保持恒定不變等，而且這種測(cè)量方法的電路中有調(diào)制與解調(diào)、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器…等愈改進(jìn)愈復(fù)雜；本發(fā)明克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法的技術(shù)偏見，有了所測(cè)量到的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)后，它不僅測(cè)量方法和電路都很簡(jiǎn)單方便，也免去了對(duì)測(cè)量環(huán)境和測(cè)量條件的一些要求；能在水、油、灰塵污染等惡劣測(cè)量環(huán)境中使用和擴(kuò)大了運(yùn)用范圍，還省去了調(diào)制與解調(diào)、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等模擬量元件，有數(shù)字元件所替代的全數(shù)字化，避免了模擬量元件所帶來的干擾，特別是全數(shù)字化能使精度、分辨力和測(cè)量速度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)； 所述細(xì)分方法是在差分位移區(qū)間內(nèi)，單位電容變化量的位移量d。的倒數(shù)是單位位移量的電容變化量(用ds表示)，如果分辨力是一微米，就選用最小單位位移量是微米，即每一微米的電容變化量ds，測(cè)量時(shí)必須能測(cè)量出每一微米的電容變化量ds，也就是能測(cè)出最小分辨力量為 一微米，只要能測(cè)量出這最小單位位移量的電容變化量ds就是最小細(xì)分單位量；這是有了所測(cè)量到的電容變化量轉(zhuǎn)換為位移量的基準(zhǔn)，可使單位位移量的電容變化量具體化，才有如此簡(jiǎn)單的細(xì)分方法；無需內(nèi)插法及預(yù)定的電容變化量所對(duì)應(yīng)位移量的大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
2.一種差分電容位移量的轉(zhuǎn)換和細(xì)分方法，其特征是:包括差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量和細(xì)分方法；所說差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量是把兩個(gè)差分電容(^與(:2用同一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路，分別依次轉(zhuǎn)換為兩個(gè)脈沖寬度量h~0.69RQ和t2~0.69RC2，兩個(gè)差分電容C1與C2所用的測(cè)量電路(如單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和電阻)是同一個(gè)，無需用電位器調(diào)節(jié)電路的平衡，兩個(gè)差分電容C1與C2先后測(cè)量時(shí)間之差通常最多是毫秒級(jí)，測(cè)量中兩個(gè)差分電容(；與(:2在這短暫時(shí)間內(nèi)不存在零漂問題；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度量由細(xì)分電路，分成以最小細(xì)分單位的脈沖寬度組成的一個(gè)脈沖串，這個(gè)脈沖串輸出至單片微型計(jì)算機(jī)，有單片微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)與分析比較給出結(jié)果； 所說細(xì)分電路是將一個(gè)寬度大的脈沖，分成最小細(xì)分單位的脈沖寬度的脈沖串，它是有高頻方波振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖，與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出的寬度大的脈沖，通過二輸入與門電路的輸出，就是所說的細(xì)分電路的脈沖串輸出，細(xì)分電路輸出的脈沖串中，每一個(gè)脈沖寬度取決于最小細(xì)分單位的脈沖寬度，它是分辨力中最小單位位移量的電容變化量所對(duì)應(yīng)的脈沖寬度，最小細(xì)分單位的脈沖寬度愈小，高頻方波振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖頻率愈高，這種細(xì)分就是頻率細(xì)分，改變頻率只是改變振蕩器的參數(shù)(如電阻或電容)，頻率細(xì)分方法是最為簡(jiǎn)單的方法，有利于微納米的測(cè)量； 所說差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量的電路中沒有放大器等模擬量元件，全是數(shù)字量元件抗干擾性好，電路簡(jiǎn)單，無需電位器調(diào)零，也無零漂，所有干擾和寄生(或附加)電容都相同，比較時(shí)也就不存在，它是非常簡(jiǎn)單普遍適用的方法，可以用嵌入式系統(tǒng)對(duì)脈沖寬度進(jìn)行捕捉/比較，使單片微型計(jì)算機(jī)外圍控制電路更為簡(jiǎn)單，制成差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量專用集成控制件的用途廣泛。
3.一種實(shí)施權(quán)利要求1和權(quán)利要求2的電容型線性位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征是:它包括有電容傳感器、電容傳感器的電容偶合和電氣連接方式、絕對(duì)位置的測(cè)量和細(xì)分方法、及其測(cè)量電路所組成； 所述電容傳感器有小數(shù)組電容傳感器和大數(shù)組電容傳感器，小數(shù)組電容傳感器是選用CN86106558專利的電容傳感器，動(dòng)極板有上四組電極，在定極板上一個(gè)矩形電極的寬度bs和間隙寬度\為一周期(ts = as+bs)內(nèi)，組成八對(duì)差分位移電極組輪換進(jìn)行的八個(gè)線性差分位移測(cè)量區(qū)間，這八個(gè)線性差分位移測(cè)量區(qū)間的輪換，由這動(dòng)板上四組電極與定極板電極所組成的電容量的狀態(tài)特征所選定；大數(shù)組電容傳感器和小數(shù)組電容傳感器的電極組數(shù)與排列完全相同，所不同只是定極板和動(dòng)極板上大數(shù)組電極寬度和間隙寬度參數(shù)是小數(shù)組電極寬度和間隙寬度參數(shù)的八倍，且大數(shù)組定極板上的電極是每相鄰的三個(gè)電極為一組，共并一端與定極板上背面的電阻相連接，電阻另一端接在定極板上背面的接地端，定極板上的電極是每相鄰的三個(gè)電極共并連的一個(gè)電阻阻值是各不相同，不同的阻值是用來保證絕對(duì)位移測(cè)量的所有大數(shù)組電容傳感器在每個(gè)位移處讀取到的信號(hào)是不同的； 所說電容傳感器的電容偶合和電氣連接方式是，在動(dòng)極板上小數(shù)組的四組電極接線端接至所說的測(cè)量電路，動(dòng)極板`上小數(shù)組的四組電極與定極板上小數(shù)組的電極是電容偶合，定極板上小數(shù)組所有電極的一端共連在一起由印制電極板的背面連至接地端；在動(dòng)極板上大數(shù)組的四組電極接線端也是接至所說的測(cè)量電路，動(dòng)極板上大數(shù)組的四組電極與定極板上大數(shù)組的電極是電容偶合，定極板上大數(shù)組電極是每相鄰的三個(gè)電極為一組，共并一端在印制電極板的背面與電阻相連接，電阻另一端也是在印制電極板的背面連至接地端，所說接地端是通過被測(cè)量位移量的機(jī)床或機(jī)械的滑動(dòng)金屬件與測(cè)量電路的電源接地端相連接; 所說絕對(duì)位置的測(cè)量和細(xì)分方法是有大數(shù)組和小數(shù)組的組合及其差分電容位移量的轉(zhuǎn)換(轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量)和細(xì)分方法；所說大數(shù)組是有周期數(shù)和大數(shù)段的組合；所說小數(shù)組是有小數(shù)段和尾數(shù)的組合； 所說大數(shù)段在周期數(shù)之后，大數(shù)段是在大數(shù)組電容傳感器定極板上一個(gè)矩形電極的寬度和間隙寬度為一周期(或稱節(jié)距)內(nèi)，由八個(gè)線性差分位移測(cè)量區(qū)間組成的，用N表示，N分別為0、1、2...7，在大數(shù)段八個(gè)線性差分位移測(cè)量區(qū)間中，所選定的第N個(gè)區(qū)間的區(qū)間數(shù)，有測(cè)量時(shí)所測(cè)量的大數(shù)組的四組電容值比較所確定，也就是所說的大數(shù)組的四組電極與定極板電極所組成的電容量的狀待征所選定；大數(shù)段超出一個(gè)矩形電極的寬度和間隙寬度為一周期(或稱節(jié)距)時(shí)，由定極板上的電極中每相鄰的三個(gè)電極共并連的一個(gè)電阻阻值是各不相同來區(qū)分；不同的阻值就是三個(gè)電極不同的周期數(shù)； 所說周期數(shù)，是在定極板上的電極中，每相鄰的三個(gè)電極共并連的一個(gè)電阻阻值是Rm，每一個(gè)電阻阻值Rm中三個(gè)電極的周期數(shù)，分別是第一個(gè)電極的周期數(shù)用FE-m表示，F(xiàn)E-m =3Xm+0 = 3Xm、第二個(gè)電極的周期數(shù)用SE-m表示,SEn = 3Xm+1和第三個(gè)電極的周期數(shù)用TE-m表示，TE_m = 3Xm+2 ;其中m是區(qū)別不同電阻阻值(Rm)中的腳注m，分別為O、1、2、3…等自然數(shù)；當(dāng)m = O時(shí),第一個(gè)電極的周期數(shù)FE-O = O、第二個(gè)電極的周期數(shù)SE-O = I和第三個(gè)電極的周期數(shù)SE-O = 2 ;當(dāng)m = I時(shí),FE-1 = 3、SE_1 = 4和TE-1 = 5 ;當(dāng)m = 2時(shí)，F(xiàn)E-2 = 6、SE-2 = 7和TE-2 = 8 ；…等；這m、FE-m, SE-m和TE-m值的判別，有小數(shù)組的四組電容值之和與大數(shù)組的四組電容值之和的比值來確定； 所說周期數(shù)，是在定極板上的電極中，每相鄰的三個(gè)電極共并連的一個(gè)電阻Rm，并非是唯一的，也可兩個(gè)或四個(gè)電極共并連的一個(gè)電阻Rm，可跟據(jù)測(cè)量中最佳狀態(tài)來確定； 所說小數(shù)組是大數(shù)段的余數(shù)，小數(shù)組電容傳感器在定極板上，一個(gè)矩形電極的寬度和間隙寬度為一周期(或稱節(jié)距)內(nèi)，由小數(shù)組的八個(gè)線性差分位移測(cè)量區(qū)間組成的，用η表示，η分別是0、1、2...7，所說小數(shù)段八個(gè)線性差分位移測(cè)量區(qū)間中所選定的第η個(gè)區(qū)間的區(qū)間數(shù)，有測(cè)量時(shí)所測(cè)量的小數(shù)組的四組電容值比較所確定，也就是所說的小數(shù)組的四組動(dòng)電極與定極板電極所組成的電容量的狀態(tài)特征所選定；超出小數(shù)組電容傳感器在定極板上一個(gè)矩形電極的寬度和間隙寬度為一周期(或稱節(jié)距)時(shí)便是大數(shù)組； 所說小數(shù)段后的余數(shù)是尾數(shù)；所說尾數(shù)是用差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法來求解和細(xì)分； 所說大數(shù)組和小數(shù)組的組合的次序是，先有大數(shù)組中確定周期數(shù)中每相鄰的三個(gè)電極共并連的一個(gè)電阻阻值是Rm，由電阻Rm中確定三個(gè)電極的周期數(shù)，若是第一個(gè)電極FE =3Xm、或第二個(gè)電極是SE-m = 3Xm+l、或第三個(gè)電極是TE = 3Xm+2,其中m就是電阻Rm中的腳注m，判別好這m、FE-m、S`E-m和TE_m值，此后確定大數(shù)段N，大數(shù)段N的余數(shù)是小數(shù)組，再從小數(shù)組中確定小數(shù)段n，最后是選定小數(shù)段的余數(shù)是尾數(shù)，尾數(shù)是用差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法來求解和細(xì)分； 所說絕對(duì)位置的測(cè)量方法是大數(shù)組測(cè)量和小數(shù)組測(cè)量的組合；如果不用大數(shù)組電容傳感器測(cè)量，僅有小數(shù)組電容傳感器測(cè)量，這就是增量式電容型位移測(cè)量； 所說測(cè)量電路是包括有差分電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量和細(xì)分方法；其中有單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、脈沖寬度細(xì)分電路、時(shí)序開關(guān)電路和單片微型計(jì)算機(jī)所組成； 所說單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是兩個(gè)精密單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，分別用來把小數(shù)組電容傳感器和大數(shù)組電容傳感器的電容變化量轉(zhuǎn)換為脈沖寬度變化量，它有單片微型計(jì)算機(jī)分別控制小數(shù)組和大數(shù)組的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)，并由時(shí)序開關(guān)電路的先測(cè)量四組并聯(lián)電容之和(簡(jiǎn)稱先四組之和)，此后分四次測(cè)量三組并聯(lián)電容之和(簡(jiǎn)稱后四次三組之和)的方式，分別控制小數(shù)組的四組電容傳感器和大數(shù)組的四組電容傳感器的依次測(cè)量，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度量，由脈沖寬度細(xì)分電路分成一個(gè)脈沖串輸至單片微型計(jì)算機(jī)，其中小數(shù)組細(xì)分后的脈沖串的每一個(gè)脈沖寬度，是取決于最小細(xì)分單位的脈沖寬度； 所說最小細(xì)分單位的脈沖寬度脈沖是有高頻方波振蕩器產(chǎn)生；或有單片微型計(jì)算機(jī)提供； 所說脈沖寬度細(xì)分電路是把單個(gè)寬度大的脈沖細(xì)分為脈沖串，便于單片微型計(jì)算機(jī)計(jì)量單個(gè)脈沖的寬度，也可以用嵌入式系統(tǒng)對(duì)脈沖寬度進(jìn)行捕捉/比較，使單片微型計(jì)算機(jī)外圍控制電路更為簡(jiǎn)單； 所說時(shí)序開關(guān)電路的先測(cè)量四組之和，與后四次三組之和與差的方式是指先測(cè)量四組并聯(lián)電容量之和，后分四次測(cè)量三組并聯(lián)電容量之和，最后再用四組并聯(lián)電容量之和減去三組并聯(lián)電容量之和的差，分別求出每組電容量，這有單片微型計(jì)算機(jī)來完成； 所說單片微型計(jì)算機(jī)是用于小數(shù)組電容傳感器和大數(shù)組電容傳感器的四組電容測(cè)量的時(shí)序控制檢測(cè)、檢測(cè)后的存儲(chǔ)、小數(shù)組和大數(shù)組的四組電容值的比較、計(jì)算、控制和輸出顯不等。
4.一種實(shí)施權(quán)利要求1和權(quán)利要求2的微型電容式精密位置瞄準(zhǔn)器，其特征是:它包括有所說單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、所說脈沖寬度細(xì)分電路、單片微型計(jì)算機(jī)、CN86106551專利的傳感器、顯不件和殼體集成為一體的微型電容式精密位置貓準(zhǔn)器。
5.一種實(shí)施權(quán)利要求2的微型CMOS電容接近開關(guān)，其特征是:它包括有把CNl 167371專利的電路中兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的改為一個(gè)所說的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、所說脈沖寬度細(xì)分電路、單片微型計(jì)算機(jī)和殼體集成為一體的微型CMOS電容接近開關(guān)。
6.一種實(shí)施權(quán)利要求1和權(quán)利要求2的微型電容編碼器，其特征是:它包括有所說單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、所說脈沖寬度細(xì)分電路、單片微型計(jì)算機(jī)、CN1240928專利的傳感器、顯示件和殼體集成為一體的微型電容編碼器。
7.按權(quán)利要求1所說的差分電容位移量的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)和細(xì)分方法其特征是:適合所有差分電容位移傳感器的測(cè)量，不論是位置還是位移量、或長(zhǎng)度量還是角度量、或直線運(yùn)動(dòng)還是圓形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量都適用，只要是電容型差分的位置或位移測(cè)量都可采用本方法；此外，不論如何把電容變化量轉(zhuǎn) 換為其它電量(如電壓量、電流量、脈沖寬度量和脈沖頻率等)，只要是電容型差分測(cè)量都可采用本方法.
8.按權(quán)利要求2所說的差分電容位移量的轉(zhuǎn)換為脈沖寬度量和細(xì)分方法其特征是:適合所有差分電容位移傳感器的測(cè)量，不論是位置還是位移量、或長(zhǎng)度量還是角度量、或直線運(yùn)動(dòng)還是圓形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量都適用，只要是電容型差分的位置或位移測(cè)量都可采用本方法。
9.按權(quán)利要求3所說的CN86106558專利中的電容傳感器動(dòng)極板電極是左右兩側(cè)集中排列其特征是:把CN86106558專利中的電容傳感器動(dòng)極板電極是左右兩側(cè)集中排列，左側(cè)集中的是A和C兩組，右側(cè)集中的是B和D兩組，改為A、C、B、D和C、A、D、B的分散排列。
10.按權(quán)利要求4和6所說的微型電容式精密位置瞄準(zhǔn)器和微型電容編碼器，其特征是動(dòng)極板或定極板(動(dòng)極板和定極板是相對(duì)而言，可以互換。)的電極可腐制在被測(cè)件所要測(cè)量的一面，或制成簿帶狀如同膠帶紙樣貼在被測(cè)件所要測(cè)量的一面，或動(dòng)極板直接固定在被測(cè)件上，這種非接觸測(cè)量，不干擾微機(jī)械的動(dòng)態(tài)特性，通過單片微型計(jì)算機(jī)的軟件把單一的位置測(cè)量變成位置、位移、速度、振幅和頻率等多參數(shù)的測(cè)量，在集成電路中加上無線接收部件，用遙控器的發(fā)射件遙控測(cè)量參數(shù)的變換或多參數(shù)同時(shí)測(cè)量。
【文檔編號(hào)】H03K17/945GK103868442SQ201210538940
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月12日
【發(fā)明者】王祖斌 申請(qǐng)人:王祖斌