專利名稱：電容量及其相關參數的測量的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量電容器的電容量及其相關參數的裝置及方法，更具體地說，它涉及一種利用測量其中一個電極通過一個物體相對于另一電極可動的兩個電極系統間的電容量來測量可動物體的位移的裝置及方法。
在先有技術中的這類裝置中，一個電極系統的平板電極與第二個電極系統的平板電極相對但相隔地放置著，這兩個系統的電極在其各自平面內可動，因此在不改變這兩個電極系統的橫向間隔的情況下來改變一個電極系統相對另一個的位置。并具有在這兩個系統的位移發生變化時檢測電極系統間的電容量變化的裝置。
美國專利4，437，055(MEyER)公開了這種電容量位移測量裝置，其中位移傳感器包括(a)一個主平板電極，它面對許多間隔均勻的以恒定距離放置的其面較小的平板次電極，以及(b)一個電子電路裝置，用來在中央次電極兩側的次電極以預定的周期相反地充電時，以流入和流出主電極的電容電流分布變化來測量出主電極離開中心位置相對于次電極的位移。這種測量通過不斷地和周期性地改變加到中央次電極上的與現加到毗鄰的次電極上的各電壓間的平衡電壓并且在每個測量過程中流向主電極的凈電流降到零時觀察平衡電壓的幅度或相位來實現的。
為了能測量大位移，次電極系統要被重復，并且在主電極沿次電極順序推進時，為把各個充電和平衡電壓依電極序列轉移而提供一種電開關裝置。
本發明試圖提供另一種以很高精度求出物體位移而使用次電極個數少，電路不十分復雜的先進的方法。
根據本發明的第一個方面，電容位移測量裝置包括(a)兩個沿橫向彼此相隔且相對放置的電極系統，在不改變電極系統的橫向間距下，一個這種系統可相對于另一個移動，并且一個這種系統(主系統)包括一個主電極板，而另外那個電極系統(次電極系統)包括兩個類似的相隔很近的次電極板，這些次電極板總起來覆蓋住(完全或基本上完全覆蓋)整個主電極板，并且由于兩個電極系統的相對位移，該電極系統經受到主電極先與一個次電極而后與第二個次電極的重疊的不斷減少;(b)時鐘裝置，用以提供等時間間隔的序列時鐘脈沖;(c)電荷泵浦裝置，設置用于在第一種方式工作時，在預選的第一個時鐘周期內經第一個次電極向主電極提供第一預定電荷包;以便增加主電極上的電荷，以及在第二種方式工作時，在選定的第二個時鐘周期內經第二個次電極從主電極取走第二預定電荷包使主電極上的電荷減少;(d)電荷監測裝置，用以監測主電極上的電荷多少;并且用來每當在或接近第二個時鐘周期末主電極上的電荷低于預定標準時讓電荷泵浦裝置以第一種方式工作，并且每當在或接近第一個時鐘周期末主電極上的電荷高于該標準時，讓它以第二種方式工作;(e)電荷累積計數裝置，用以在每一預定的位移測量過程中累積計數出(a)經第一個次電極向主電極提供的電荷，以及(b)經第二個次電極從主電極取走的電荷，并且用于在每個測量過程末給出表示供給主電極和從主電極取出的電荷累積的電信號(N2和N1)，以及(f)一個信號轉換裝置，用來把信號N1和N2轉換成位移信號，它直接表示兩個電極系統中的一個相對另一個的位移。
在最佳實施例中，所述第一預定電荷包及第二預定電荷包均具有固定均勻大小，所述電荷累積計數裝置包括有電荷包計數裝置，它用于在各預定位移測量過程中對供給主電極的各電荷包及從其取走的各電荷包進行計數，從而在各測量過程末提供所述的電信號(N1和N2)。
其次，該裝置中設置一個位移方向裝置，以便根據兩個信號N1和N2中的哪一個較大，即根據比值N1/N2是大于還是小于1給出方向信號。
在本發明的一個最佳實施例中，每當兩個信號N1和N2中的某一個達到預定基準值時設置累積計數裝置停止累積計數以及使測量過程終止。這時由達到基準值的計數給出方向信號，而另一個計數(較小的計數)表示出所測位移的大小并且由信號轉換裝置把它們轉換以便由此得到位移信號。
根據本發明的另一特點，次電極系統在其任一端有另外一個類似的次電極，它們被以與第一和第二個次電極一樣的方式與相鄰次電極隔開，并且在主電極移過相鄰的不同相鄰次電極對時，電極開關裝置把電荷泵浦裝置依次與不同次電極對相連。
電極開關裝置最好設置成每當計數信號N1和N2的比值移過與差不多為次電極間距的一半的位移相應的預定的基準值時把電荷浦裝置從一對次電極移到下一對次電極。
根據本發明的另一個特點，提供了一個裝置用來每次在任何一次測量過程中逐步向N1和N2加大的信號的比值超出表示所監測的位移快速改變的預定值3或4時，使表示位移的輸出信號增加一個電極距離。
根據本發明的第二個方面，在包括很多時鐘周期的測量過程中利用本發明第一方面所說的兩個電極系統確定位移的方法包括(a)在充電時鐘周期內，經第一個次電極向主電極提供電荷，(b)在選定的下一個相繼的放電時鐘周期內，由第二個次電極從主電極取出電荷，(c)探測主電極上的電荷的符號(電位)何時變化并據此重復步驟(a)和(b)直到經許多時鐘周期后測量過程結束為止;(d)對在測量過程中步驟(a)所占據的時鐘周期內供給的電荷進行累積計數，并提供表示該累積電荷的信號N2;(e)對在測量過程中由步驟(b)所占據的時鐘周期內取走的電荷進行累計計數。并提供表示該累積電荷的信號;(f)在測量過程末，由比值(N1-N2)/N1求出次電極離開次電極完全或部分覆蓋住主電極的中心起始位置的位移量。
在最佳方法中是在預定均勻電壓下在步驟(a)供給電荷，在步驟(b)取走電荷的;所述步驟(d)包括在測量過程中對步驟(a)占據的時鐘周期數進行計數;所述步驟(e)包括在測量過程中對由步驟(b)占據的時鐘周期數進行計數。
根據本發明的第二方面的另一特點，該方法包括這么一個步驟即當供給主電極的電荷和從其取走的電荷(相關信號N2和N1)中較大的一個達到預定基準時，使測量過程停止，并且從達到該值的信號(N1或N2)產生出第一個表示次電極離開中心位置的位移方向的輸出信號，并且從較小的信號產生出表示位移大小的第二個輸出信號。
根據本發明的第二方面的另一個特點，當次電極的數目大于2時，該方法還包括在數N1和N2的比值跨過表示差不多為次電極距離一半的位移的預定閾值時向相鄰的不同次電極對轉移的步驟。
根據本發明的第二方面的另一特點，該方法還包括這么一個步驟，即在物體快速位移條件下，每次在測量過程中逐步接近N1和N2的二個信號的比值超出預定的大值3或4時，把表示位移的輸出信號改變一個次電極距離。
根據本發明的另一方面，它提供了測量各自有主次電極的兩個電容器的電容量的裝置和方法，把各個主電極暫時連結起來構成一個主電極以使用本發明的上述和下述各方面測量技術進行測量。
由下面的說明及后面的權利要求可以看出本發明的其他特點。
現在舉例并借助
實施本發明的一個卡尺測量系統。在圖中，圖1表示該測量系統的機械及電部分的概圖，構成電極的系統被正對著表示出來。
圖2(a)是放大的電極系統的正視圖，它更清楚地表示出構成該系統的相對放置的主電極及次電極和其相對尺寸。圖2(b)是表示主電極和各次電極之間的電容隨電極系統的相對位移變化的圖線。
圖3表示構成一部分圖1系統的電荷泵浦電路的修改形式的電路圖。
圖4是圖1所系統的一種改形的概圖。
現在參照各圖，圖1表示一個內測徑規系統10，它包括一個不動的測量頭12，和一個可相對運動的測量頭14以便測量物體16的內徑。例如可用手動螺絲和螺母傳動裝置17使可動測量頭14移動，并且可動測量頭與平板電極18(主電極)相連，并沿平行于間隔均勻的小平板電極20(次電極)的直線路途驅動電極18。
次電極20有如圖2所示最好的等寬度“a”，并且其相互間的距離為“h”。主電極18的寬度為“b”，并且正好覆蓋兩個次電極、因此b＝(2a+h)。主電極與次電極相距“d”，該值比““a”和“b”小，主次電極在垂直于圖面方向上的尺寸一樣。
參數“a”，“b”，“h”和“d”的典型值(以mm表示)如下，a＝2.38125(15/160″);b＝4.92;h＝0.15875(1/160″)D＝0.2當任何一個次電極逐漸從它與主電極完全重疊的位置向另一個它只與主電極部分重疊的位置移動時，根據上述“a”，“b”和“h”各參數之間的關系，在位移等于次電極寬度“a”的范圍內，次電極與主電極之間的電容量隨重疊的減少而減少，基本上是直線關系，如圖2的實線22所示。據此對于次電極間距“p”，p＝(a+h)，的剩余距離“h”電容量保持為零。在圖2中，點劃線24表示出所要電容與位移“X”(在整個次電極距離內)之間的直線關系。
如果次電極與主電極之間的電容在完全重疊時為C2，而在部分重疊時為C1，則值C1由下式給出C1＝C2(1-x/a)上述本發明的實施例基于對如下事實的理解，用電極的這種排列方法，次電極離開它與主電極完全重疊的位置的位移可根據下面的原理求出。
如果在測量過程中在預定的所加電壓下，經與主電極完全重疊的次電極(即經過電容量C2)向主電極輸送大量電荷包(N2)，那么在把比較多的電荷包(N1)在相同所加電壓條件下經相鄰的部分重疊的次電極(即經電容量C1)從主電極取走之后，留在主電極上的電荷將為零。因為電容器上的總電荷由式子“Q＝C·V”給出，(C是電容量，V是加在電容器兩端的電壓)因此可以得出，在相同電壓下，當全部電荷被取走時，則有(N1·C1)＝(N2·C2)，因此N2/N1＝C1/C2，從前面所引用的C1和C2間的關系所以得到N2/N1＝(1-X/a)因此X/a＝(N1-N2)/N1。
由于“a”為常數，所以次電極從完全重疊到部分重疊位置相對于主電極的位移可用比值(N1-N2)/N1表示。
其次，為了把由在次電極寬度“a”內的線性關系導出的位移量X(即從圖2的實線22導出的)擴大到由在整個次電極間距“(a+h)”范圍內的線性關系確定出的值(即到圖2的點劃線)，可用一個基于值“a”和“h”的乘法器來給出所要位移的輸出信號，該信號真的正比于根據次電極間距“p”的關系測出的位移。
然而，在位移大于“a”的范圍內，沒有可供乘法的信號。因此，在該位移值達到之前，從與主電極的重疊減少的次電極轉移到具有與主電極的重疊加大的下一個次電極。在數值X取得中間值時進行這種轉移。在最佳布置中，當探測出的比值N1/N2超出值2·(a+h)/a時，即在N1值超過2·(a+h)/a·N2時，進行這種轉移。
如果數N1和N2中的一個達到預定基準時，數N1和N2的計數設置得自動停止，則X值的確定變得比較簡單。達到該預定基準的那個數表示主電極進行位移的方向，則另一個數表示離開位移“X”等于零的完全重疊狀態的位移的大小。
為了適應那種通常的測量位移的裝置在可用時間內不能足夠快地作出響應的位移極快的變化，設置了一種快速移動探測器用來監測在任一測量過程或部分測量過程中那些不斷向N1和N2加大的數的比值，并用來每當該比值超過閾值3或4時給出輸出信號。根據情況，把這個輸出信號加到表示與次電極間距相應量的物體位移的輸出信號上或從其中減去。
現在回到圖1，主電極和次電極18，20與傳感器供電電路26相連，該電路包括與這些電極串聯的電極開關裝置28和電荷產生(泵浦)電路30。開關裝置28包括單獨的開關32-38，通過該開關可讓電荷流到各次電極20或從這些電極流走，以及一個選擇器裝置40用來隨時確定哪對開關(32，34;34，36;36，38或38，32)將被使用，以及使用中的哪對開關將被關閉。
該選擇器裝置包括一個2-4譯碼器42，該譯碼器從增/減(N字節)計數器44的兩個低位輸出得到其輸入信號來確定使用中的開關對;以及一個“左/右”轉換裝置46，該裝置從電荷產生裝置30的電路得到其輸入信號，以便根據電荷產生裝置的輸出信號的要求從被選的一對開關(如左邊的一對)轉換到另一對(如右邊的一對)。
電荷產生電路30包括串聯的(a)第一和第二運算放大器48，50，它們用電荷調節器52相連，以及(b)比較器54及(c)延遲觸發器55。
第一個放大器48有(a)一個輸入信號電路，它連在“虛地線”56和傳感器供電接線端58之間，該端子58經電極選擇器裝置28與次電極18相連，(b)一個連在電源端60(-)，62(+)之間的電源電路，(c)一個反饋電容器64和(d)一個與電容器64并聯的減少偏置的開關65。
第二個放大器50有(a)一個輸入電路，它連在虛地線56和電荷調節器52的輸出迥路之間，(b)一個供電電路，它也連在電源線端子60和62之間以及(c)一個貯存電荷的電容器66。
電荷調節器52包括(a)電容器68，(b)兩對轉換開關70，72和74，76，用來把電容器68沿某一方向接在放大器48的輸出電路和虛地線56之間，(c)一個把電容器68連到電荷調節器的輸出端的開關78，并由此把它連到放大器50的輸入上。開關72通過與開關78互連把電容器68跨過比較器的輸入電路接上。
比較器54有(a)一個連在虛地線56和第二個放大器50的輸出之間的輸入電路，(b)一個同樣連在電源接線端60，62之間的電源電路，以及(c)一個經延遲觸發器55連到與主電極18相連的供電端80的輸出電路。
虛地線56由運算放大器82提供，該運算放大器有(a)一個連接在電阻分壓器84的中心抽頭上的輸入迥路，分壓器84連在電源端60和62之間，(b)一個同樣也接在該電源端60和62之間的電源電路。
時鐘脈沖發生器86通過時鐘電路88發出等寬度的正負脈沖。
電荷產生電路30還包括一個經時鐘線88相連來接收時鐘脈沖的開關控制裝置90，它設置成能根據時鐘脈沖完成一系列開關動作，在這些動作中首先在預定的負時鐘周期內根據電荷產生電路30的輸出極性把開關70，72和74，76關上使電容器66在正時鐘周期內沿某一方向充電。而后通過關閉開關72和78把該電容器68在下一個負時鐘階段內串連在第二放大器50的端線之間以便向第二放大器輸入電路和電容器66提供電荷或從它們那兒取走電荷。
兩個記數器92和94連起來以便接收(a)由電荷產生裝置30向傳感器供電端80所加的電壓脈沖，(b)由時鐘線88所加的時鐘脈沖。計數器92設置成在一個時鐘周期內與加到端線80的正電壓脈沖有響應并且只記下該正電壓脈沖。而計數器94設置成在一個時鐘周期內與加到端80的負電壓脈沖有響應并只記下該負電壓脈沖。
把兩個計數器的輸出與選擇器96相連，并把這一單元的輸出供給乘法單元98，單元98順序向統計器件(鎖存器)100輸送數據。統計器件100把在一次測量過程中向它提供的一組信號儲存和記憶直到接收到下一個測量過程中的另一組信號。把器件100的輸出供給顯示裝置102，并且該輸出確定由顯示裝置顯示的位移的較低的位。
每個記數器有(a)一個與控制邏輯單元106相連的輸出電路，用來每當計數達到預定基準時向邏輯單元發出控制信號，以及(b)一個輸入控制電路108，用來接收每當該邏輯單元接收到從另一個計數器發生的“基準記數已達到”的信號時從邏輯單元發出的“停止計數”的信號。
邏輯單元106也有一個時鐘輸入電路110以及輸出電路112和114，用來向選擇器96及統計器件100提供控制信號。
兩個記數器92和94的輸出電路也與“次電極對”的選擇器相連，以便在每個時鐘周期內監測計數器的計數N1和N2的比值并且每當該比值N1/N2或比值N2/N1分別超出預定基準值〔2·(a+h)/a〕就向邏輯單元106提供換左或換右的輸出信號。據此，邏輯單元經輸出電路118向增/減計數器分別提供一個加大信號或一個減小信號，因此實現以適當方向從一對次電極轉移到另一對次電極。
“快速移動”電路220包括兩個同步可重新置入的兩字節計數器122，124，每個連結成可接收加到傳感器的供電端80上的輸出電壓脈沖及來自線88的時鐘脈沖，并且每個設置成每當計數器的計數增加1就向兩個計數器122，124中的一個提供重新置入的信號，并且每當其計數達到4，在其輸出電路126，128給出一個輸出(取)信號，把輸出電路與邏輯單元106相連，根據經電路126收到的信號，把增大信號傳遞給增/減計數器44，并且根據經電路128接收到的信號，把減少信號送到該計數器，因此實現以一定方向從一對次電極移到另一對。
在電荷產生電路30中(1)第一個運算放大器48起減小電路的輸入阻抗的作用，并且其增益足夠大以便有足夠大的電荷轉移效率;其次反饋電容64比與主電極完全重疊的次電極的電容C2大。它的輸入電路有連在輸入電路和電源電路線60，62之間的門保護二極管130以及與電容器并連的偏壓減小開關65在每次測量過程開始時暫時關閉。該放大器和相連的電容器68一起起電荷泵浦裝置的作用。
(2)第二個運算放大器50起電荷累積作用。在每個時鐘周期中，在該時鐘脈沖的正的階段內，電容器68充上與正用著的次電極20一樣的電荷，然后關上開關70，72或74，76，在負的階段內，電容器68上的電荷被轉移到電荷積累電容器66上，然后關上開關72和78。電容器68的電容量應當盡可能小，電容器66的電容量應當至少與電容器68的一樣大，以避免超過放大器50的振蕩電壓。該放大器的增益同樣也應當足夠大以便有所要的電荷轉移效率。
(3)開關70，72，74，76構成一個電荷調節器，如果在正時鐘階段內電關70和72是關著的，則這些開關工作使電容器68的電荷加到電容器66的電荷上并且如果在正時鐘階段74，76是關閉的，則它們工作使從電容器66上的電荷減去電容器68上的電荷。
(4)比較器54通過與由線56提供的虛零點的比較確定出到目前所收集的電荷，并向延遲觸發器55供電以便以某種極性的電壓向端子80供電。
為了保證依次把確定的電壓加到兩個使用中的次電極上，最好用CMOS技術來作電極選擇開關32-38以避開偏置問題。
如果要求較大分辨率，計數器92和94要設置成能記到基準值1024或2048(在一種裝置中，記數器可設置成從基準1024或2048往下計到零基準)。
較小的計數N2總與全重疊的次電極的C2相關，而較大的計數N1與部分重疊的次電極C1相關。
因此在求式子x/a＝(N1-N2)/N1時，把與基準相關的較小的計數N2倒過來將給出值(N1-N2)，用基準值除該數將得出值“x/a”。
以一系列簡單的雙輸入或門方便地構成選擇器96，一個對應于基準值的一個字節。把各個或門的第一個輸入連起來接收計數器92的各個字節，而且把各或門的第二個輸入連起來接收另一個計數94的各個字節。因為首先達到基準值(1024或2048)的計數器的字節將都為零，或門的輸出字節將是由其他計數器供給的字節，并將給出在用上述方法求式子X/a＝(N1-N2)/N1中用的較小的計數。判明首先達到基準的計數器的信號給出位移方向信號。
設置乘法器98用于把選擇器96提供的輸出信號轉換成與圖2中特征點劃線24相應的值。在這種設計中，它便于求出電極的各種參數，即根據關系“a＝15h”選取次電極的寬度“a”和間距“h”，因此乘法器“a/(a+h)”就變成“15/16，把16與(-1)相加并把結果移4個字節可以(16-1)/16求出該值。這樣以最小設備使乘法過程簡化。
可以知道當該裝置工作時(a)每個測量過程將包括范圍在1024到2048(或要求較高分辨率時范圍在2048到4096)的許多時鐘周期，(b)在每一時鐘周期內，增/減計數器44的狀態將確定出被用的次電極對，以及(c)在時鐘周期末，電極充電端58和80間的電位的符號將確定出下個時鐘周期內被充電的選取的次電極對(左或右)。
在測量過程的頭一個時鐘周期內，與主電極18全部重疊的次電極20(如選定對的左邊的電極)將首先(最好，但不必要)充電來通過電極組件的電容量C2向主電極提供電荷。
在時鐘末，充電端80的電位要使左/右轉換電路46選擇鄰近的(如右邊的)與主電極重疊得較多的次電極，以便在下個時鐘周期內反向充電，并且在下個時鐘周期的正階段內使電荷調節器52的電容器68相對放大器48的輸出反接。
因此在下個時鐘周期內，由于在正階段內向電容器68反向充電，所以在負時鐘階段內從主電極18以該電極組件較小電容量c1經右邊的次電極把電荷取走。
因為在相同電壓下這樣取走的電荷比開始向主電極充的電荷少，所以在第二個時鐘周期末，端點80的電位還沒變號。因此在下個時鐘周期內轉換電路46維持右邊的次電極以便充電。
因此在第三個時鐘周期內進一步把電荷從主電板經右邊的次電極(電容C1)取走。要是在第三個時鐘周期末施加相同條件，當繼續從主電極經右邊的次電極取走電極時，在第四個時鐘周期內將保留該右邊的次電極。
然而，如果在第三周期末端點80的電位變號，則左/右轉換電路46投入運行，使主電極的充電再一次轉移到左邊的次電極，并且在下個負時鐘階段內再次以向主電極以電容量C2充電的方式使電容器68充電。
每次向主電極充電時，記數器92的計數加1，并且每次從主電極取走電荷時，計數器94的計數加1。重復這個過程直至較大計數的計數器達到基準值1024，這時終止另一個計數器的計數，并且如上述，運行該裝置使根據兩個計數器的哪一個達到基準計數時給出位移方向信號，并且位移大小信號取決于較小計數的值。
如果需要，次電極系統可以只有圖1和圖2所示的四個電極中的三個，這時電極選擇裝置28只有四個開關32-38中的相應的三個。
如果需要，可通過在每側增加一個以上類似的次電極組和設計成在需要增大/減小主電極和次電極系統的相對位移時使電極開關裝置28沿擴充的次電極列陣的長度順序開關來擴大次電極系統。
另一方面，用一種設計得在位移大小變化時恰當地從一個主電極到另一個開關的開關裝置使主電極系統重復。
在電荷產生電路30的改形中，略去了包括偏置減小開關65和開關76在內的連結。用直接連接代替反饋電容器64，由開關132而不是通過直接連結把放大器48的輸出與開關70相接。圖3表示出該修改的電荷產生電路。
用這種修改的電路時，在正時鐘階段內首先關上開關132，78和72，并且在它們被依次打開之后，在負時鐘階段內把開關70和74關上。
在正時鐘階段內，利用開關132的關閉，而不接通處于虛零線56的放大器48的輸出，使主電極上的電壓達到電源線60和62中之一的電壓。當開關132，78和72全都是關閉的時候，電容器68上的電荷被轉移到電容器66，但與放大器50的偏置相應的電荷仍留在電容器68上。
在負時鐘階段內，隨著開關70和74的關閉，根據電容器66上當時累積的電荷的極性，電源電壓60-62使從相關次電極來的放大器48的輸入或者向正方向或者向負方向移動相同的量。因此電容器68上的電荷將改變大小，等于電源的正電壓(fv)與電容C2的乘積，或者等于電源的負電壓(-V)與電容C2的乘積。
在上述例子中所用電極系統是被設計成在相間的各自平面內移動的平面電極。在根據本發明的其他位移測量系統中，電極系統相間地繞一園柱路徑分布，并且被布置得繞這園柱路徑相對運動，這樣可測量轉動位移。
在圖1的電子系統的進一步的修改形式中，主電極18與充電端點58相連，開關32到38用一些驅動器代替，這些驅動器可以把某一極性電壓加到所選定的電極20上。根據延遲觸發器55輸出的極性以及從增/減計數器44收到的信號，用選擇器40控制該驅動器。
主、次電極系統最好用印刷電路制作技術制作。并且每個電極系統都有多個類似的用已知方法并連的電極，為的是減少因電極系統對不準帶來誤差的可能性(這將改變該電極系統間的間距“d”)。
用本發明的技術可以測量具有主次電極的兩個電容器的電容量的比，把兩個主電極連起來實際上形成一個主電極，然后通過一個次電極向主電極充電，并且隨后從主電極通過另一個次電極以上述方式把電荷取走，求出比值(N1-N2)/N1，因此就求出兩個電容量的比。
本發明的方法可用于測量任何一個以某種預定的方法與電容器系統的電容量的變化相關的參數，例如，該系統可測量壓力(直接或間接地)或轉動。
在上述系統中，由從主電極經具有較小可變電容C1的次電極取走的電荷包數用的時間來確定理想、高分辨率的測量周期，以便與經具有較大不變電容C2的次電極供給主電極的電荷包數(從而整個電荷)相等。
在實踐中，測量周期是非常實際和可變的，因此，會使測量數在給定的時間間隔內受到嚴格限制和不確定。例如，在次電極尺寸分辨率為1/4000的情況下，需要十二字節的分辨率(即2的12次方＝4096)。這意味著在測量過程末計數之和(N1+N2)可在6144與8192之間變化。在時鐘頻率為30kHz時，每秒鐘僅可進行約4至6次測量，這對于工業應用顯然不夠用。
因此，在圖1所示實際系統中，把測量周期控制在這樣一個值，使其能以相當高的重復速率進行測量。依靠在預定值(如在26＝256)下限制從主電極取出的電荷包(N1)的計數可實現上述速率。但是，計數周期如此縮短的弊端在于系統的分辨率及測量精度都不如以上所述的理想情況高。
作為這種縮短的后果，在測量周期末時存在供給和取走一定凈電荷量，該電荷量的殘余電荷小于值(V·C2)，并涉及低于所需測量的低值字節(二進制數字)。
根據本發明的另一特征，用以下方法確定凈電荷在順序時鐘周期內向具有較大不變電容(C1)的次電極加上逐漸減小幅度的順序電壓脈沖，每個這樣的脈沖具有基于對仍處在主電極上的凈電荷的方向的方向，并用于使該凈電荷進一步向零值減小，順序電壓脈沖根據2X反向減小，這里X具有連續值1，2，3，4，5，6等(即為字節法則數列)。
因此，在圖1的系統中，供給和取自主電極18的電荷包由延遲觸發器裝置55的輸出電壓V來確定，依靠順序乘法器1/2，1/4、1/8、1/16、1/32等針對序列電壓脈沖減小該電壓。從由適當數字輸入信號驅動的數模轉換器(DAC)便利地獲得這些電壓。
在圖4概圖中示出了圖1系統的這種改形。
如圖4所示，延遲雙觸發器55的輸出連接至DAC200的輸入，并確定DAC輸出電壓的屬性。DAC的輸出電路連接至主電極18并供給該電極一個其電位由一個數字輸入信號確定的電壓，該信號由DAC控制裝置202供給DAC，控制裝置202又從邏輯單元106和時鐘脈沖發生器86接收其輸入信號。
DAC控制裝置202還具有二個輸出電路，這二個輸出電路再分別與左右轉換裝置46的輸入電路及邏輯單元106相連。
這種附加電路以下述方式工作，以提高圖1裝置測量的分辨率。
在全部測量過程的初始階段中(即在參照圖1所述的測量過程中)，按照由延遲觸發器55的輸出方向確定的方向將幅度V的不變電壓脈沖加到主電極上。
當在測量過程初始階段中，計數器92、94其中之一到達預定數值并將該條件經相關計數器輸出電路104傳送給邏輯單元106時，邏輯電路106便據此向DAC控制裝置202提供各控制信號，這些信號用來(a)識別已達到數值的計數器92、94，(b)在順序時鐘周期內觸發逐漸減小的數字信號的自動產生。
響應計數器識別信號，DAC控制裝置202向左右轉換裝置46提供一個信號，用于選定完全覆蓋主電極18并進而具有最大電容的次電極。
響應順序數字輸入信號，DAC200在順序時鐘周期內向主電極18提供順序幅度為(V·1/2)、(V·1/4)、(V·1/8)、(V·1/16)、(V·1/32)、(V·1/64)、(V·1/128)和(V·1/256)的電壓，這里V是在測量過程的較早階段(duolslope)中由DAC200提供的輸出電壓。
DAC輸出電壓的方向由觸發器55輸出電壓的方向來確定，該觸發器在測量過程的第二階段工作方式與過程較早階段的相同，即提供一個其方向由經二個次電極加至和取自主電極18的電荷凈值方向確定的信號。
由此，在計數器92、94其中之一已到達數值之后，DAC向主電極18加上幅度為(V·1/2)的電壓，具有不變最大電容C2的次電極20通過其開關32-38與電荷泵浦電路30的輸入端58相連。由觸發器55的輸出確定的電壓方向用于使主電極上的凈電荷大小朝零值減小。在該電壓脈沖不使觸發器輸出電壓脈沖改變符號的情況下，DAC在下一時鐘脈沖周期內向主電極18提供相同方向但大小為(V·1/4)的電壓脈沖。
同樣，在該新電壓脈沖不使觸發器輸出電壓變號時，DAC在下一時鐘周期內向主電極18提供相同方向但大小為(V·1/8)的電壓。
但是，在該電壓脈沖使觸發器輸出顛倒其方向(表示加至和取自主電極的凈電荷值已變號)時，大小為(V·1/16)的DAC電壓脈沖則已變號，主電極上的凈電荷再次在相反的方向向零值減小。
以類似的方式，該過程繼續向主電極逐漸減小值為(V·1/32)、(V·1/64)、(V·1/128)和(V·1/256)的順電壓脈沖，這些電壓的符號根據觸發器55的輸出的符號變化。
監測單元204接收作為輸入信號的控制信號(由DAC控制裝置202提供)，送給DAC200和延遲觸發器55的輸出信號，并且(a)保持這些控制信號和由觸發器輸出在相關的時鐘周期內確定的各自符號這二者不變，(b)針對這些控制信號根據賦于它們的符號對相關各值1/2、1/4……1/256進行累積計數。所以，實際上其間在測量過程中將電荷加至主電極18(由此測量尺寸)的整個周期用下式表示(N2+符號系列1/2、1/4、…1/256的累積)。
在圖4的系統中，若用具有八個字節的計數器92，94將值N2確定為小數點前八進制范圍，則附加元件200、202等能在小數點前的八位數被由監測單元204供給的小數點后的八位數字相配，使系統精度翻倍。
監測單元204的輸出供給顯示單元102，以提供出現在小數點后的小數數字的顯示。在上述本發明實施例中，在確定值N2中，送至和取自主電極18的電荷的輸送已在預定均勻電荷包中在所加預定不變電壓影響下進行，各計數裝置92、94已完成加上各監測的電荷包的1的計數。即各計數器的比例因子為1。
但本發明的基本前提是，當在測量過程末，通過具有較小電容C1的次電極取走的總電荷等于通過具有其最大電容C2次電極施加的總電荷的情況下，進行測量。亦即(V·N1·C1)＝(V·N2C2)也可表達為另一形式(N·V1)·(C1)＝(V·N2)·(C2)由此，可理解到若使相關計數器的比例因子變化適當，則可用不同施加和取走電荷的電壓，以便補償分別用于施加和取走電荷的電壓變化。
例如，在施加僅為通常施加電荷至電極的電壓的三分之一的電壓下，從主電極18取走電荷，與比例因子為1的94相比，計數器92的比例因子為3。所以，對于加至主電極18的各電荷包，計數器92在其計數中記下增量3，而對于從該電極取走的各電荷包，計數器94在其計數中僅記下減量1。
此外，若使各計數器92、94的比例因子變化適當，則可利用不同大小的電壓來將順序電荷包加到主電極18上，用不同大小的電壓將電荷包從該電極取走，以便使各計數器只記下加到該電極上的總電荷和從該電極取走的總電荷。
以相同方式，若使各計數器92、94的比例因子變化適當，則可用不同的時間周期施加和取走電壓，以便其僅對施加和取走的總電荷進行累積計數。
在上述具體實施例中，依靠螺旋裝置來調節卡規測量頭12、14的分開，這種螺旋裝置可用其它裝置替代。例如，依靠簡單手指的按壓測量頭便可相對另一側量頭自由移動。
參照圖1可理解到所述系統，當計數器92、94其中之一到達數值時，測量過程終止，下一測量過程開始。但當逐漸減小的電壓的DAC過程已終止時，下一側量開始。
可認識到本說明書后部所述擴充的測量系統可以相同方式用來測量二個電容，而與機械位移測量無關。
權利要求
1.一種電容量位移測量裝置，它包括(a)兩個彼此相對橫向相間的電極系統，不改變電極系統的橫向間距一個這種系統可相對于另一個這種系統位移，並且一個這種系統(主系統)包括一個主電極板，而另一個電極系統(次系統)包括兩個類似的間距很小的次電極板，它們總起來覆蓋(完全、或基本上完全覆蓋)住整個主電極板，並且由于兩個電極系統的相對位移該系統經受到主電極先與一個次電極而后與第二個次電極的重疊的逐步減少；(b)時鐘裝置，用來提供連續等周期的一系列時鐘脈沖(c)電荷泵浦裝置，設置用于在第一種方式工作時在選定的第一時鐘周期內經第一個次電極向主電極提供第一預定的電荷包，由此使主電極上的電荷增加，並且在第二種方式工作時于選定的第二時鐘周期內經第二個次電極從主電極取走第二預定的電荷包，因此使主電極上的電荷減少；(d)電荷監測裝置，用來監測主電極上的電荷的水平，以及用來每當在該第二個時鐘脈沖周期末主電極上的電荷已降到預定基準值以下時使電荷泵浦裝置以第一種方式運行，並且用來每當在該第一個時鐘周期末主電極上的電荷已超過該基準值時使該電荷泵浦系統以第二種方式工作；(e)電荷累積計數裝置，用于對在每一個預定的位移測量過程中累積計下(a)經第一個次電極向主電極提供的電荷、(b)經第二個次電極從主電極取走的電荷，以及用于在每個測量過程末給出表示供給主電極的和從主電極取走的各電荷包累積數的電信號(N2和N1)；以及(f)信號轉換裝置，用來把信號N1和N2轉換成直接表示兩個電極系統中的一個相對于另一個的位移的位移信號。
2.根據權利要求1的裝置，其中，所述第一預定電荷包和第二預定電荷包均為不變均勻大小，所述電荷累積計數裝置包括有電荷包計數裝置，用于在各預定位移測量過程中對加至和取自主電極的各電荷包進行計數，以便在各測量過程末提供所述電信號(N1和N2)。
3.根據權利要求1或2的裝置，其中位移方向裝置對二個信號N1和N2有響應，並且根據這兩個信號N1和N2中的那一個較大給出位移方向信號。
4.根據權利要求1、2或3的裝置，其中累積計數裝置用于每當兩個信號N1和N2中的某一個先達到預定的基準值時讓累積計數停止並終止測量過程，並根據那個計數先達到基準值給出方向信號，而根據另一個較小的累積計數給出位移位號。
5.根據以上任何權利要求的裝置，其中次電極系統在其每一端有另外一些類似的以第一和第二次電極一樣的形式隔開的次電極，並且設置電極開關裝置用于在主電極使相鄰的不同毗鄰的次電極對移動時把電荷泵浦裝置依次與不同對次電極對相連。
6.根據權利要求5的裝置，其中設置電極開關裝置用于每當計數信號N1和N2的比值移過與差不多為次電極的間隔的一半的位移相應的預定基準時把電荷泵浦裝置從一對次電極移到另一對次電極。
7.根據權利要求5或6的裝置，其中設置對在任何測量過程中分別不斷向值N1和N2增加的兩個信號有響應的裝置用于每當這兩個信號的比值超過表示所監測的位移快速變化的預定閾值3或4時產生出一個′快速移動′信號，並且其中每當這兩個信號超出預定的閾值時使快速移動信號相應地把表示所監測的位移的輸出信號增加或減少一個次電極的距離。
8.根據權利要求4、或從屬于4時的5、6或7的裝置，其中在各個所述測量過程末，(a)所述電荷泵浦裝置在順序的時鐘周期內以逐步變小的電荷運送速率對電荷進行傳送(供給或取走);(b)所述電荷泵浦裝置或以第三方式或以第四方式工作，在該第三方式中，電荷泵浦裝置在選定的第三時鐘周期內經所述第一次電極(具有與主電極一起的最大電容值)將電荷供給主電極;在該第四種方式中，泵浦裝置在選定的第四時鐘周期內經所述第一次電極將電荷從主電極取走;(c)所述電荷監測裝置使電荷泵浦裝置每當在所述第四時鐘周期末時工作在所述第三方式工作(這時主電極上的電荷已低于預定數值)，並且每當在所述第三時鐘周期末時工作在所述第四方式(這時主電極上的電荷已高于數值);(d)所述電荷累積計數裝置對經所述第一次電極加至和取自主電極的電荷進行累積計數;包括一個附加信號產生裝置，它響應方式變化以及所述電荷泵浦裝置以第三和第四方式將電荷加至和取自主電極的速率，由此產生代表在進行測量過程時主電極上的剩余電荷的累積信號。
9.根據權利要求1或5中所說的電極系統確定物體位移的方法，該方法在一個包括很多時鐘周期的測量過程中包括以下步驟(a)在選定的第一個時鐘周期內經第一個次電極向主電極提供電荷，由此增加主電極上的電荷;(b)在選定的隨后的第二個時鐘周期內經第二個次電極從主電極取走電荷，因此使主電極上的電荷減少;(c)探測什么時候主電極上的電荷變號，並讓上面的步驟(a)和(b)重復直到經許多時鐘周期后達到該測量過程末;(d)計下在測量過程中，由步驟(a)所占的時鐘周期數N1;(e)計下在測量過程中由步驟(b)占的時鐘周期數N2，以及(f)在測量過程末，由比值(N1-N2)/N1求出次電極離開它們覆蓋(完全或基本上完全)主電極的中心起始位置的位移。
10.根據權利要求9的方法，其中在步驟(a)供給電荷及在步驟(b)取出電荷是在預定均勻電壓下進行的;所述步驟(d)包括對在測量過程中由步驟(a)占據的時鐘周期數進行計數;所述步驟(e)包括對在測量過程中步驟(b)占據的時鐘周期進行計數。
11.根據權利要求9或10的方法，它包括在累積中所記下的供給及取自主電極的電荷(從而相關的信號N2和N2)中較大者達到預定基準值時讓測量過程停止的步驟，並且該方法從達到該基準值的數產生出第一個表示次電極離開中心位置的位移方向的輸出信號，並且從較小的第二個數產生出表示位移大小的輸出信號。
12.根據權利要求9、10或11的方法，在次電極的個數大于兩個時它包括當數N1和N2的比值跨過表示約為次電極間距一半的位移的預定值時從該第一和第二個次電極轉移到不同的相鄰次電極對的步驟。
13.根據權利要求9、10或11的方法，在電極系統快速位移條件下該方法包括一個步驟，即每當兩個不斷趨近N1和N2的信號的比值在任一測量過程中超過預定的大值3或4時，就把表示所監測的位移的輸出信號改變一個次電極間距。
14.根據權利要求11、或從屬于權利要求11時的權利要求12或13的方法，在所述各測量過程后還包括以下附加步驟(a)在順序時鐘周期內以逐步減小的電荷傳送速率或以第三方式或以第四方式傳送電荷，在所述第三方式中，所述電荷泵浦裝置在選定的第三時鐘周期內經所述第一次電極(具有與主電極一起的最大電容量)向主電極供給電荷，在所述第四方式中，所述電荷泵浦裝置在選定的第四時鐘周期內經所述第一次電極把電荷取出主電極;(b)檢測什么時候主電極上電荷變號，據此將所述第三和第四方式相互轉換，從而逐步向零值減少主電極上的電荷;(c)響應所述方式變化和所述逐步減小的傳送速率，產生一個表示在進行測量過程末時留在主電極上的剩余電荷的信號。
15.一種基本上如前面借助附圖所說的和如附圖所表示的裝置。
16.一種基本如前借助附圖所描述的和用附圖表示的方法。
17.一種裝置，它包括在本說明中所闡述的特點的任何新穎的和創造性的不同于在上面任何一個權利要求中所闡述的組合的組合。
18.一種方法，它包括在本說明中所闡述的特點的任何新穎的和創造性的組合，這種組合不同于在上面任何一個權利要求中闡述的組合。
19.一種電容量測量裝置，包括(a)兩個待測電容的電容器，每個都有主電極和次電極，把兩個主電極暫時連起來形成一個主電極;(b)時鐘裝置，用來提供一系列連續的等時鐘周期的時鐘脈沖;(c)電荷泵浦裝置，它被設置用來在第一種方式工作時在選定的第一個時鐘周期內經第一個次電極向主電極提供第一預定的電荷包，由此加大主電極上的電量，以及在第二種方式工作時在選定的第二個時鐘周期內經第二個次電極從主電極上取走第二預定的電荷包，結果是減少主電極上的電荷;(d)電荷監測裝置，用來監測主電極上的電荷的水平，並且用來每當在該第二個時鐘末主電極上的電荷降到低于預定基準值時，讓電荷泵浦裝置以第一種方式工作，並且每當在第一時鐘周期末主電極上的電荷超過該基準值時讓該電荷泵浦裝置以第二種方式工作;(e)電荷累積計數裝置，用于在每個測量過程中累積記下(a)由第一個次電極向主電極提供的電荷，以及(b)經第二個次電極從主電極取走的電荷，並且它用于在每個測量過程末給出表示供給主電極和從它取走的各電荷累積數的電信號(N1和N2);以及(f)信號轉換裝置，用來把信號N1和N2轉換成直接表示兩個電容器的電容量比的信號。
20.根據權利要求19的方法，其中所述第一預定電荷包和所述第二預定電荷包均有不變均勻大小，所述電荷累積裝置包括有電荷包計數裝置，它用于在各預定位移測量過程中對各加至和取自主電極的電荷包進行計數，從而在所述各測量過程末提供所述電信號(N2和N1)。
21.一種確定兩個電容器的電容量的比的方法，每個電容器有主電極和次電極，各主電極暫時互相連起來形成一個主電極，在包括很多時鐘周期的測量過程中，該方法包括以下步驟(a)在選取的第一個時鐘周期里經第一個次電極向主電極提供電荷，因此增加主電極上的電荷;(b)在選取的接連的第二個時鐘周期內經第二個次電極從主電極上取走電荷，因此使主電極上的電荷減少;(c)探測主電極上的電荷什么時候變號，並讓上述步驟(a)和(b)重復直到經許多時鐘周期后達到測量過程末;(d)在測量過程中記下由步驟(a)所占的時鐘周期中提供的電荷，並提供表示該累積電荷的信號N2;(e)在測量過程中累積記下由步驟(b)所占的時鐘周期中取出的電荷，並提供表示累積電荷的信號N1;(f)在測量過程末由比值(N1-N2)/N1求出這兩個電容器的電容量的比值。
22.根據權利要求21的方法，其中在步驟(a)施加電荷和在步驟(b)取走電荷是在預定均勻電壓下進行的;所述步驟(d)包括在測量過程中對步驟(a)占據的時鐘周期數進行計數;所述步驟(e)包括在測量過程中對步驟(b)占據的時鐘周期數進行計數。
全文摘要
位移測量裝置有主電極和相隔很近并合起來把主電極全蓋住的第一、二次電極，主、次電極可相對運動而不改變其橫向間距。用電荷泵浦裝置在選定的第一時鐘周期內經第一次電極向主電極提供電荷并在選定的第二時鐘周期內經第二次電極從主電極取走電荷。主電極電荷變號時從一種工作方式自動轉換到另一種，由此主電極電荷連續增加再減小到低值。記下測量中供給主電極及從其取走的電荷包數并得出位移信號，該系統可用于求兩個電容器電容比。
文檔編號G01R27/26GK1041216SQ89107070
公開日1990年4月11日 申請日期1989年9月14日 優先權日1988年9月14日
發明者羅伯·萬·德·沃爾克 申請人:羅伯·萬·德·沃爾克