[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。