[發明專利]差分電容位移量的轉換和細分方法及電容型線性位移測量系統

有效

• 申請號: 201210538940.7
• 申請日: 2012-12-12
• 公開（公告）號: CN103868442B
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發明（設計）人: 王祖斌
• 申請（專利權）人: 王祖斌
• 主分類號: G01B7/02
• 分類號: G01B7/02;G01B7/00;G01D5/241;H03K17/945
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明是差分電容位移量的轉換和細分方法及電容型線性位移測量系統。1.用差分電容位移量的轉換基準求解位移量，無需調制、解調、放大器、A/D等，測量和細分簡便精確；2.把差分電容變化量轉換為脈沖寬度量，其電路無需調零，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；3.用上說方法和電路提出一種電容型線性位移測量系統，它是大量程的絕對位置測量，傳感器和電路都簡單的全數字型、精度高、穩定性好，能在水、油、灰塵污染等惡劣環境中使用，優于光柵和球柵等；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，能精確測量MEMS的機械位置、位移、速度、振幅和頻率等運動參數，參數變換是遙控。

技術領域

本發明涉及電容位移測量技術，特別涉及差分電容位移量的轉換和細分方法及電容型線性位移測量系統。所說的差分電容位移量的轉換有兩個目的，第一個目的是提出差分電容位移量的轉換基準，第二個目的是把差分電容變化量轉換為脈沖寬度量；本電容型線性位移測量系統是大量程、絕對位置測量、傳感器的制作和電路都簡單的全數字型，且能在水、油、灰塵污染等惡劣環境中使用；還有微型(MEMS)化，精度是納米級。

背景技術

電容傳感器的起步早，1920年惠靈頓制造出電容測微計，可以測出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稱，國外通稱電容傳感器。早在1928年就有了旋轉式電容編碼器專利，美國專利號是US1674729，它的細分測量是內插法。因電容傳感器受技術條件和測量方法所限，進展緩慢。隨著大規模集成電路、CMOS元件和印制電路技術的發展，在20世紀70年代中電容傳感器有了很大的發展。

瑞士首創的把電容傳感器用于數顯量具上，獲得廣泛的應用和成功。如增量式電容型數顯卡尺，它是測量相對位移。測量時，首先需選定好原點和調零。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。

此后，日本首創了絕對式電容型數顯卡尺。這是絕對位置的測量，有固定的原點，測量時無需調零。專利有JP078947(或US4879508)，US4959615(或CN1039301)，US5225830(或CN1067311)，JP270912， (或US5391992、或CN1086309)等。

雖然有了增量式和絕對式電容型數顯卡尺的成功；但是仍因測量方法所限，現有電容傳感器位移量的測量量程和適用范圍仍然有限，測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，仍未發輝出，電容位移傳感器應有的潛在之力。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，可以測到5×10^-12毫米的位移。”可見電容傳感器測量靈敏度的潛力還很大。它的發展已有百年歷史。顯然，沒有后起之秀的信息技術發展的快，這是受測量方法所限。然而發展的快，淘汰的也快，更新的更快。正因發展慢，這種傳統的制造，還方興未艾；一但改變了現行的測量方法，必定會有新的飛躍。

現有電容傳感器位移量的測量方法是，電極設計為差分式(或稱差動式)，靠周期性改變動電極在位移時和固定電極偶合面積的電容變化量進行測量，其細分測量是內插法。現有電容傳感器位移量的測量方法中，沒有就測量到的差分電容變化量轉換為位移量的基準(以下簡稱差分電容位移量的轉換基準)；只能跟據預定的差分電容變化量所對應位移量來選定。正是這種測量方法所限，電容位移傳感器的潛力不能得到應有的發輝。

現有的測量方法通常是采用調制、解調、放大器、A/D轉換器。而這種A/D變換的方法的測量尺度范圍內形成的細分空間有限，需要再被劃分供內插，以便測量比標稱細分量更為精細的量(也就是最小的分辨力)。所以，人們采用了各種內插電路.以便獲得具有高分辨力的數據.這就是細分測量的內插法。