差分电容位移量的转换和细分方法及电容型线性位移测量系统技术方案

本发明专利技术是差分电容位移量的转换和细分方法及电容型线性位移测量系统。1.用差分电容位移量的转换基准求解位移量，无需调制、解调、放大器、A/D等，测量和细分简便精确；2.把差分电容变化量转换为脉冲宽度量，其电路无需调零，无噪声、无寄生和零漂等干扰，量程不限，它只与串接电阻有关；3.用上说方法和电路提出一种电容型线性位移测量系统，它是大量程的绝对位置测量，传感器和电路都简单的全数字型、精度高、稳定性好，能在水、油、灰尘污染等恶劣环境中使用，优于光栅和球栅等；4.把传感器、电路、和显示件等集成一体的微型(MEMS)器件，精度是纳米级，能精确测量MEMS的机械位置、位移、速度、振幅和頻率等运动参数，参数变换是遥控。

【技术实现步骤摘要】
差分电容位移量的转换和细分方法及电容型线性位移测量系统
本专利技术涉及电容位移测量技术，特别涉及差分电容位移量的转换和细分方法及电容型线性位移测量系统。所说的差分电容位移量的转换有两个目的，第一个目的是提出差分电容位移量的转换基准，第二个目的是把差分电容变化量转换为脉冲宽度量；本电容型线性位移测量系统是大量程、绝对位置测量、传感器的制作和电路都简单的全数字型，且能在水、油、灰尘污染等恶劣环境中使用；还有微型(MEMS)化，精度是纳米级。
技术介绍
电容传感器的起步早，1920年惠灵顿制造出电容测微计，可以测出10-8厘米的位移变化。摘自程锡纯李彦珍朱彦芳容栅电子卡尺一文，其中容栅是栅形电容传感器的简称，国外通称电容传感器。早在1928年就有了旋转式电容编码器专利，美国专利号是US1674729，它的细分测量是内插法。因电容传感器受技术条件和测量方法所限，进展缓慢。随着大规模集成电路、CMOS元件和印制电路技术的发展，在20世纪70年代中电容传感器有了很大的发展。瑞士首创的把电容传感器用于数显量具上，获得广泛的应用和成功。如增量式电容型数显卡尺，它是测量相对位移。测量时，首先需选定好原点和调零。专利有CH004241(或US3857092、或DE2218824)，CH635423(或US4420754、或US4743092)，CH651136(或US4437055)，CH665714(或US4810951、或CN8607942)，CH670306(或US4841225、或CN8707060)等。此后，日本首创了绝对式电容型数显卡尺。这是绝对位置的测量，有固定的原点，测量时无需调零。专利有JP078947(或US4879508)，US4959615(或CN1039301)，US5225830(或CN1067311)，JP270912，(或US5391992、或CN1086309)等。虽然有了增量式和绝对式电容型数显卡尺的成功；但是仍因测量方法所限，现有电容传感器位移量的测量量程和适用范围仍然有限，测量量程只有一公尺的范围，仅适用于高度尺和卡尺等量具；而且精度不是很高，仍未发辉出，电容位移传感器应有的潜在之力。上述容栅电子卡尺一文中指出：“琼斯探讨了电容传感器的极限灵敏度，可以测到5×10-12毫米的位移。”可见电容传感器测量灵敏度的潜力还很大。它的发展已有百年历史。显然，没有后起之秀的信息技术发展的快，这是受测量方法所限。然而发展的快，淘汰的也快，更新的更快。正因发展慢，这种传统的制造，还方兴未艾；一但改变了现行的测量方法，必定会有新的飞跃。现有电容传感器位移量的测量方法是，电极设计为差分式(或称差动式)，靠周期性改变动电极在位移时和固定电极偶合面积的电容变化量进行测量，其细分测量是内插法。现有电容传感器位移量的测量方法中，没有就测量到的差分电容变化量转换为位移量的基准(以下简称差分电容位移量的转换基准)；只能跟据预定的差分电容变化量所对应位移量来选定。正是这种测量方法所限，电容位移传感器的潜力不能得到应有的发辉。现有的测量方法通常是采用调制、解调、放大器、A/D转换器。而这种A/D变换的方法的测量尺度范围内形成的细分空间有限，需要再被划分供内插，以便测量比标称细分量更为精细的量(也就是最小的分辨力)。所以，人们采用了各种内插电路.以便获得具有高分辨力的数据.这就是细分测量的内插法。现有电容传感器位移量的测量方法和细分测量的内插法，都是按预定的差分电容变化量所对应位移量来选定，因此对测量环境和测量条件要求很高，要防水、防油、防灰尘，要保证动电极和固定电极之间的空气介质常数保持恒定不变，并且和预定的电容变化量所对应的测量条件与环境完全相同，这样才能保证按预定的差分电容变化量所选定的位移量和内插值可靠有效。为了这种保证，于是有相应的US5416424(或CN1114412)专利，用来减少电容位置传感器对污染物敏感程度的电介质覆盖层等；还有完全密封防护式的，如CN1529118，CN1975318和CN2708237等多种专利。其实电容传感器在任何条件和任何介质下都可以测量的，如US3928796和US4206401等专利，电容位移传感器就是用于污物剧烈的冲击环境中。只是因为现有的测量方法和细分测量的内插法，使其对测量环境和测量条件要求很高；如果不采用这种现有的测量方法和细分测量内插的方法，就不需要对测量环境和测量条件有所要求。有不采用上述测量方法和细分测量的内插方法；如US3928796和CN1240928等专利，就不是这种测量方法和细分检测的内插方法，但不完善，细分精度不高。长期以来，人们认为：不可能有就测量到的差分电容变化量转换为位移量的基准；只能跟据预定的差分电容变化量所对应位移量来选定的测量方法，使其测量精度不高、测量量程不大和使用范围受到限制等；在这种测量方法下导致问题多元复杂化，每改进一个问题就增加了一个复杂因素，因而愈改进愈复杂。在CN101949682(或WO2012022141)专利中对现有绝对式电容型位移传感器所存在的7个问题做了改进；其结果，从测量原理和测量电路对比一下CN101995208(或WO2011018497)专利来看，不如CN101995208专利简单。在现有的测量方法中改进，很难得到理想的结果；只有跳出来，才有新的简单。本专利技术的第一个目的是，提出一种差分电容位移量的转换基准和细分方法；改变了现有按预定的差分电容变化量来选定的位移量的测量方法和细分方法，无需对测量环境和测量条件有所要求，细分方法很简单，不需要内插法，而且提高了测量精度，电路简单，使用范围也不受限制；这是差分电容位移量转换的两个目的之一，是提出差分电容位移量的转换基准和细分方法，也是本专利技术的第一个目的。在US3857092专利中对差分电容位移传感器有了详细说明，现对差分电极的基本特点再重说一下，以便有所新的发现。这一发现是提出了差分电容位移量的转换基准。在差分电容位移传感器中只少有一个固定的电极为定极板，在与定极板电极相对的一边有可移动的动极板，在动极板上只少有一对分别是第一和第二的两个电极，动极板可沿定极板的宽度b坐标方向与定极板相互平行的运动；这里，定极板的宽度b就是动极板上一对分别是第一和第二的两个电极与定极板电极的覆盖宽度b(以下简称宽度b)，也是动极板上一对分别是第一和第二两个电极的差分位移区间的位移距离s(以下简称差分位移区间)。动极板和定极板只是相对而言，可以互换。定极板上的电极形状相同、尺寸相同、导电性能也相同；组成差分测量的动极板上电极也是形状相同、尺寸相同、导电性能也相同。当动极板和定极板相互平行覆盖时，动极板上两个电极与定极板电极相互组成一对差分电容，分别是第一个电极是差分电容C1和第二个电极是差分电容C2，当动极板上的第一电极和第二个电极中间位置线，与定极板上的电极中心线对应时，这动极板上两个差分电容的电极与定极板的上电极所覆盖的两个面积相等，也就是第一差分电容C1和第二差分电容C2是相等的。这里要特别提醒注意：在差分电容位移电容传感器中，一对差分电容在差分位移区间的位移距离s内，差分电容C1和C2是线性对称推挽变化。当差分电容位移传感器中，动极板上的第一个电极和第二电极中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种差分电容位移量的转换和细分方法，其特征是：它包括差分电容位移量的转换基准和细分方法；所述差分电容位移量的转换基准是用一对差分电容的差分位移区间的位移距离s或宽度b与在差分位移区间内测量的第一个差分电容C1及第二个差分电容C2之和(C1+C2)相比，这一比值正是在差分位移区间内测量时单位电容变化量的位移量用dc表示；在这差分位移区间的距离s或宽度b内任何点，只要测量条件和测量环境保持不变，这一单位电容变化量的位移量dc是相同不变的，有了这单位电容变化量的位移量dc，也就有了所测量到的差分电容变化量转换为位移量的基准，而且是动态跟踪的基准，当测量条件和测量环境变化时，测量的差分电容变化量之和(C1+C2)随着跟踪变化，在这差分位移区间内的距离s未变，也就是在这动极板上的两个电极与定极板上的电极所覆盖的宽度b未变，而这单位电容变化量的位移量dc，也相应的随着差分电容变化量之和(C1+C2)的变化而跟踪变化，有了这动态跟踪的基准，可以方便求出由差分位移区间内位移时差分电容变化量所对应的位移量；所述转换基准能在水、油、灰尘污染恶劣测量环境中使用和扩大了运用范围，还省去了调制与解调、放大器、A/D转换器模拟量元件，有数字元件所替代的全数字化，避免了模拟量元件所带来的干扰，特别是全数字化能使精度、分辨力和测量速度提高了几个数量级；所述细分方法是在差分位移区间内，单位电容变化量的位移量dc的倒数是单位位移量的电容变化量用ds表示，如果分辨力是一微米，最小单位位移量是微米，选用每一微米的电容变化量ds，测量时必须能测量出每一微米的电容变化量ds，也就是能测出最小分辨力为一微米，只要能测量出这最小单位位移量的电容变化量ds就是最小细分单位量；这是有了所测量到的电容变化量转换为位移量的基准，可使单位位移量的电容变化量具体化；无需内插法及预定的电容变化量所对应位移量的大容量的数据存储器。...

【技术特征摘要】
1.一种差分电容位移量的转换和细分方法，其特征是：它包括差分电容位移量的转换基准和细分方法；所述差分电容位移量的转换基准是用一对差分电容的差分位移区间的位移距离s或宽度b与在差分位移区间内测量的第一个差分电容C1及第二个差分电容C2之和(C1+C2)相比，这一比值正是在差分位移区间内测量时单位电容变化量的位移量用dc表示；在这差分位移区间的距离s或宽度b内任何点，只要测量条件和测量环境保持不变，这一单位电容变化量的位移量dc是相同不变的，有了这单位电容变化量的位移量dc，也就有了所测量到的差分电容变化量转换为位移量的基准，而且是动态跟踪的基准，当测量条件和测量环境变化时，测量的差分电容变化量之和(C1+C2)随着跟踪变化，在这差分位移区间内的距离s未变，也就是在这动极板上的两个电极与定极板上的电极所覆盖的宽度b未变，而这单位电容变化量的位移量dc，也相应的随着差分电容变化量之和(C1+C2)的变化而跟踪变化，有了这动态跟踪的基准，可以方便求出由差分位移区间内位移时差分电容变化量所对应的位移量；所述转换基准能在水、油、灰尘污染恶劣测量环境中使用和扩大了运用范围，还省去了调制与解调、放大器、A/D转换器模拟量元件，有数字元件所替代的全数字化，避免了模拟量元件所带来的干扰，特别是全数字化能使精度、分辨力和测量速度提高了几个数量级；所述细分方法是在差分位移区间内，单位电容变化量的位移量dc的倒数是单位位移量的电容变化量用ds表示，如果分辨力是一微米，最小单位位移量是微米，选用每一微米的电容变化量ds，测量时必须能测量出每一微米的电容变化量ds，也就是能测出最小分辨力为一微米，只要能测量出这最小单位位移量的电容变化量ds就是最小细分单位量；这是有了所测量到的电容变化量转换为位移量的基准，可使单位位移量的电容变化量具体化；无需内插法及预定的电容变化量所对应位移量的大容量的数据存储器。2.按权利要求1所说的差分电容位移量的转换和细分方法，其特征是：其用于差分电容位移传感器的测量。3.一种差分电容位移量的转换和细分方法，其特征是：包括差分电容变化量转换为脉冲宽度量和细分方法；所说差分电容变化量转换为脉冲宽度量是把两个差分电容C1与C2用同一个单稳态触发器电路，分别依次转换为两个脉冲宽度量t1≈0.69RC1和t2≈0.69RC2，两个差分电容C1与C2所用的测量电路是同一个，无需用电位器调节电路的平衡，两个差分电容C1与C2先后测量时间之差通常最多是毫秒级，测量中两个差分电容C1与C2在这短暫时间内不存在零漂问题；单稳态触发器的输出脉冲宽度量由细分电路，分成以最小细分单位的脉冲宽度组成的一个脉冲串，这个脉冲串输出至单片微型计算机，有单片微型计算机进行计数与分析比较给出结果；所说细分电路是将一个宽度大的脉冲，分成最小细分单位的脉冲宽度的脉冲串，它是有高频方波振荡器产生的高频脉冲，与单稳态触发器的输出的宽度大的脉冲，通过二输入与门电路的输出，就是所说的细分电路的脉冲串输出，细分电路输出的脉冲串中，每一个脉冲宽度取决于最小细分单位的脉冲宽度，它是分辨力中最小单位位移量的电容变化量所对应的脉冲宽度，最小细分单位的脉冲宽度愈小，高频方波振荡器产生的高频脉冲频率愈高，这种细分就是频率细分，改变频率只是改变振荡器的参数，有利于微纳米的测量；所说差分电容变化量转换为脉冲宽度量的电路中没有放大器模拟量元件，全是数字量元件，无需电位器调零，也无零漂，所有干扰和寄生，或附加电容都相同，可以用嵌入式系统对脉冲宽度进行捕捉/比较，使单片微型计算机外围控制电路更为简单。4.按权利要求3所说的差分电容位移量的转换和细分方法，其特征是：其用于差分电容位移传感器的测量。5.一种实施权利要求3的差分电容位移量的转换和细分方法的微型CMOS电容接近开关，其特征是：它包括有把电路中两个单稳态触发器的改为一个所说的单稳态触发器、脉冲宽度细分电路、单片微型计算机和壳体集成为一体的微型CMOS电容接近开关。6.一种实施权利要求1或权利要求3，所述的差分电容位移量的转换和细分方法的电容型线性位移测量系统，其特征是：它包括有电容传感器小数组和大数组、电容传感器的电容偶合和电气连接方式、绝对位置的测量和细分方法、及其测量电路所组成；所述电容传感器有小数组电容传感器和大数组电容传感器，小数组电容传感器是选用动极板有上四组电极，在定极板上一个矩形电极的宽度bs和间隙宽度as为一周期ts＝as+bs内，组成八对差分位移电极组轮换进行的八个线性差分位移测量区间，这八个线性差分位移测量区间的轮换，由这动板上四组电极与定极板电极所组成的电容量的状态特征所选定；大数组电容传感器和小数组电容传感器的电极组数与排列完全相同，所不同只是定极板和动极板上大数组电极宽度和间隙宽度参数是小数组电极宽度和间隙宽度参数的八倍，且大数组定极板上的电极是每相邻的三个电极为一组，共并一端与定极板上背面的电阻相连接，电阻另一端接在定极板上背面的接地端，定极板上的电极是每相邻的三个电极共并连的一个电阻阻值是各不相同，不同的阻值是用来保证绝对位移测量的所有大数组电容传感器在每个位移处读取到的信号是不同的；所说电容传感器的电容偶合和电气连接方式是，在动极板上小数组的四组电极接线端接至所说的测量电路，动极板上小数组的四组电极与定极板上小数组的电极是电容偶合，定极板上小数组所有电极的一端共连在一起由印制电极板的背面连至接地端；在动极板上大数组的四组电极接线端也是接至所说的测量电路，动极板上大数组的四组电极与定极板上大数组的电极是电容偶合，定极板上大数组电极是每相邻的三个电极为一组，共并一端在印制电极板的背面与电阻相连接，电阻另一端也是在印制电极板的背面连至接地端，所说接地端是通过被测量位移量的机床或机械的滑动金属件与测量电路的电源接地端相连接；所说绝对位置的测量和细分方法是有大数组和小数组的组合及其差分电容位移量的转换，转换基准与转换为脉冲宽度量和细分方法；所说大数组是有周期数和大数段的组合；所说小数组是有小数段和尾数的组合；所说大数段在周期数之后，大数段是在大数组电容传感器定极板上一个矩形电极的宽度和间隙宽度为一周期或称节距内，由八个线性差分位移测量区间组成...

【专利技术属性】
技术研发人员：王祖斌，
申请(专利权)人：王祖斌，
类型：发明
国别省市：安徽,34