CN103868442B - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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。

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。

本发明的第一个目的是，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，也是本发明的第一个目的。

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间位置线在定极板电极的中心线上，开始左移(或右移)时，其中一个差分电容的电容量因电极覆盖面积的增大，而电容变化量按线性比例增大的同时，另一个差分电容的电容量因电极覆盖面积的减小，而电容变化量按线性比例减小；其中一个电极覆盖面积的增大量和另一个电极覆盖面积的减小量是相等的，故总的电极所覆盖的面积是不变的；就是说动极板上一对分别是第一和第二两个电极相对于定极板上的电极所覆盖的宽度b不变，也就是差分位移区间的位移距离s是不变的；这样，所对应的一个差分电容的电容量增大量和另一个差分电容的电容量减小量是相等的，故两个差分电容的电容量之和(C₁+C₂)是不变的；这就是所说的线性对称推挽变化。

总上所说，在差分电容位移传感器中，一对差分电容在差分位移区间的位移距离s(或宽度b)内位移时，差分电容C₁与差分电容C₂之和(C₁+C₂)是不变的；同样的，动极板上的两个电极在定极板上的电极所覆盖的宽度b也是不变的。这个覆盖的宽度b就是上面所说的动极板在定极板的宽度坐标方向的差分位移区间的距离s是不变的，它是取决于电极设计结构和所使用的、已知不变的参数；在这个差分位移区间的距离s(或宽度b)内位移时两个差分电容C₁与C₂都随着位移变化而变化，一个增加，另一个减少，增加量是等于减少量，只要测量条件和测量环境不变，这两个差分电容C₁与C₂之和在这个差分位移区间的距离s(或宽度b)内任何点是不变的。

两个差分电容C₁与C₂是在差分位移区间的距离s(或宽度b)内所测量的电容都是随着位移变化而变化，但是在这两个差分电容C₁与C₂之和在这差分位移区间内的距离s(或宽度b)是不变的，而且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，这两个差分电容C₁与C₂之和是等同不变的；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，也就是在这差分位移区间内的位移距离s也是不变的。这正是本发明的发现和所用之点。

一个是差分位移区间的位移距离s(或宽度b)，另一个是在差分位移区间内测量的电容变化量之和(C₁+C₂)，两者相比正是在这个差分位移区间s(或宽度b)内测量时，单位电容变化量的位移量(用d_c表示)。在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d_c是等同不变的。有了这单位电容变化量的位移量d_c，也就有了所测量到的电容变化量转换为位移量的基准，而且这是动态跟踪的基准，当测量条件或测量环境变化时，测量的电容变化量(C₁+C₂) 随着跟踪变化，这个差分位移区间的宽度距离s(或宽度b)未变，而这单位电容变化量的位移量d_c也就随着相应的跟随变化；有了这动态跟踪的基准，在差分位移区间内位移时，由差分电容变化量求出所对应的位移量是很方便的；无需跟据预定的差分电容变化量所对应位置位移量来选定。因而，可省去调制、解调、放大器、A/D转换器等电路；这样也无需对测量环境和测量条件要求很高，不需要防水、防油、防灰尘，也不需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等。

这是本发明在差分电容位移电容传感器中的新发现。也是本发明人长时对此发问和疑虑？本发明人长时发问和疑虑的是，早在20世纪70年代差分电容位移测量就有了很大的发展，半个世纪过去了。为何这种简明、便捷和实用的测量方法长期不被发现和使用，是本发明人思路有问题吗？不然。通过检索，忽然发现：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，这是被技术偏见所束缚。为何说这是被技术偏见所束缚？

其实，电容型测量方法是从感应同步器(或称电磁感应型)测量方法中嫁接过来的；电容型增量式和绝对式的测量方法都和电磁感应型相同，所不同的是电磁感应型是在铁磁体上腐蚀印制感应线圈中的电磁感应；而电容型是在介质(绝缘体)上腐蚀印制电极上的静电感应。如增量式电容型US3857092专利发明人汉斯.乌尔里希.迈耶(Hans U.Meyer)和绝对式电容型US4959615专利发明人尼尔斯.I.安德莫(Nils I.Andermo)等都有电磁感应型位移测量方面的发明专利。人们习惯性的在这传承固有的测量方法中改进和发展，由简单到复杂，复杂更复杂…，无法跳出。只有从这复杂中跳出来，才有新的简单。跳出的过程就是克服技术偏见的过程。

现实生活中，人们往往很容易把问题复杂化，电容传感器的发展有百余年历史，无法与信息技术发展相比，问题就是越改越复杂。只有从复杂中跳出来才有新的简单。能从这复杂中跳出来，不是简单的。总是有其某种背景。如，钢筋水泥是花师在松土时，捣碎花盆时突发奇想的发明。自来水笔是老板用鹅毛管笔签名时，一滴水掉下时灵感的发明。水壶盖上的洞孔是病房隔壁烧水房内水壶中的水沸腾时，水蒸气对壶盖顶起上下弹动的噪音，引起病人痛苦伤脑时所为。可见，很多发明都是逼出来的。

一项技术在启蒙人们的思维的同时，也先入为主的固化了人们的思维。这种固化久而久之形成技术偏见，无法克服。本发明人早先提出的CN86106558栅形电容式位移传感器专利时就没有想到这种简单、便捷和实用的测量方法，正是电磁感应型先入为主的固化。本发明人早期推广感应同步器数显时，也正是这先入为主的感悟撰写出：栅形电容传感器设想一文。现在能跳出这固有的思维，克服技术偏见，正是不忘设想初心的努力，面对重重困难，突发奇想的跳出了固有的测量方法，克服这一技术偏见。

本发明人是国内最早研制面积变化型电容传感器，瑞士(SYLVAC系统)电容型数显卡尺的问世说明，栅形电容传感器设想是对的。此后申请了栅形电容式位移传感器CN86106558专利等，本发明人是本课题在国内最早申请发明专利人。

国家在开发电容型数显卡尺上的投资是巨大，参与单位众多，仅就国人有关瑞士(SYLVAC系统) 同一个型号品种的增量式电容型数显卡尺的论文多得百余篇以上。

这百余篇论文中有，1.容栅传感器数学模型探討；2.容栅传感器数学模型的研究；3.容栅传感器静、动态联合数学模型；4.容栅…分析；5.容栅…初探；6.容栅…研制；7.容栅…逆设计；8.容栅…与建模；9.容栅…电路分析；10.容栅…与计算；11.容栅…分析法；12.容栅…问题的探討；13.容栅…与修正；14.容栅…谱分析等。

上述14篇论文中除合作者外，同是一位获得创新资助的作者。

我有，栅形电容式位移传感器CN86106558专利，也有电容传感器测量电路，缺的是资金，无法实验。本着坚忍不拔、锲而不舍的精神，不忘初心的努力，在重重困难中，突然发现，在差分位移区间内总是有两个电极覆盖的面积之和是不变的结果，使本发明人，突发奇想的跳出了固化的电磁感应型测量方法，突破了技术偏见，有了本发明。但不能贸然定之，又通过数据库，特别是英国德温特数据库 (Derwent Innovation Index_DII)的查证。特别是跟踪追遡了一百年的美国专利，只有用两个差分电容 C₁与差分电容C₂之和(C₁+C₂)，没有用两个差分电容的极板的覆盖面积相加的总和。这种检索，虽无收入，却有乐趣和振奋。在检索中发现，本发明专利CN86106558栅形电容式位移传感器(名称具体是下位概念)，与中国金奖发明专利CN03117204.0栅式位移传感器(名称一般是上位概念)相比，都是游标型的细分。 CN03117204.0的特征和功能在CN86106558中有。CN86106558还有的特征和功能在CN03117204.0中没有。CN86106558的申请日(1986.09.09)在先。CN03117204.0(申请日2003.01.20)是重庆市知识产权局推荐获奖。CN86106558没有院士和单位的推荐，未获奖。2008年国家知识产权局组织中国中通诚评估公司对金奖专利CN03117204.0(仅对CN03117204.0专利而言)评估价值为1.3亿元人民币；并获得国家“863”国防科工委项目等经费支持已超过千万元，和2010年获国家科学技术发明二奖，还将组建龙栅科技有限公司等等权威性的奖评。此外，本发明CN86106558专利，同样优于游标型的细分的美国专利US4654524 (或欧洲EP111642或德国DE3382706优先权申请日1982年9月20日)。

专利审查指南中指出：技术偏见，是指在某段时间内、某个技术领域中，技术人员对某个技术问题普遍存在的、偏离客观事实的认识，它引导人们不去考虑其他方面的可能性，阻碍人们对该技术领域的研究和开发。如果发明克服了这种技术偏见，采用了人们由于技术偏见舍弃的技术手段，从而解决了技术问题，则这种发明具有突出的实质性特点和显著的进步，具备创造性。

专利审查指南要求：对于克服技术偏见的发明，说明书中还应当解釋为什么说，该发明克服了技术偏见。因此，有了上面的简说，用来说明现有技术的测量方法是受传统思维的固化僵成的偏见，只能是愈改愈复杂，痴迷不悟，克服甚难。本发明人也只是在特定环境下，受外界的激励才有醒悟，才 克服这一技术偏见的。这是发明思维中的重要特征，只有简要的说出这全过程，才能更好的解釋为什么说本发明克服了技术偏见；本发明与技术偏见之间的差别以及为克服技术偏见所采用的技术手段，也分别给于详述。

用“容栅”关健词中文搜索：期刊论文287篇；学位论文41篇；会议论文31篇；图书54种。图书中有专人专著的透析容栅，还有国家自然科学基金项目的容栅专著等；从中未能查到一张具体电路，不知是保密，还是尚未吃透？

同济大学张荣在硕士学位论文中指出：通过20年的研究，我国已经了解了容栅测量系统的原理，并建立了数学模型，分析原理性误差，制造误差和处理电路引起的量化误差和细分误差，以及这些误差对容栅系统精度的影响，同时提出了一些措施以及提高容栅系统精度。但是，实际容栅系统是一个极其复杂系统，实际模型与理想模型有很大不同，其中有许多不确定因素，而那些提高精度措施也只是停留在书面阶段，没有实际应用。所以，在容栅测量领域，还有很多是悬而未决的问题等待着我们去解决，特别是实际可行的误差补偿方法。见硕士学位论文容栅编码器研究及其应用第6页。

上文指出，在容栅测量领域，还有很多是悬而未决的问题等待着我们去解决，急待要解决的是实际可行的误差补偿方法。可见现行测量方法所存在的问题之多，所述急待要解决的是实际可行的误差补偿，正是现行技术的测量方法中所存在的问题，要完全理想解决只有改变现行的测量方法。

综上所说本发明的第一个目的是要改变现行的测量方法；不是按预定的差分电容变化量来选定位移量的测量方法和细分测量方法。而是提出差分电容位移量的转换基准，直接由差分电容变化量求解位移量，它是差分电容位移量的转换的第一个目的。第二个目的是把差分电容变化量转换为对应位移量的脉冲宽度量；也是本发明差分电容位移量转换的第二个目的。

跟据本发明提出差分电容位移量的转换基准，可以把差分电容传感器中电容变化量直接转换为位移量的。但是电容传感器的测量电路，通常是把电容变化量转换为便于测量、计数和显示的电量，常用的有电压量、电流量、脉冲宽度量和脉冲频率等，再由测量后的电量选定为位移量显示，最简单的方法是用单稳态触发器把电容变化量转换为脉冲宽度量；如本发明人早期的CN1167371和CN1240928专利中的测量电路都是用的两个单稳态触发器，把差分电容同时转换为脉冲宽度量进行比较。单稳态触发器的输出脉冲宽度量t_w≈0.69RC，这要求两个单稳态触发器所用的电阻(R₁和R₂)相等。为此，用电位器调节两个电阻相等而平衡，当输入为零时输出也为零。缺点是无法解决零漂问题。

以上所说是差分电容变化量转换的第二个目的，也是本发明要解决的第二个目的，是提出用同一个单稳态触发器电路，不是同时测量，而是先后，分别把差分电容量转换为脉冲宽度量的电路，两个脉冲宽度量的比较有单片微型计算机进行计数与分析比较给出结果。这种电路无需调节电位器来平衡电路的，也不存在零漂问题。这样，把差分电容变化量转换为脉冲宽度量的电路，不仅电路简单和解决了电路零漂问题；而且，也为大量程测量提供了方便和可能。

本发明的第三个目的，是实施本发明第一个目的和第二个目的，提出一种电容型线性位移测量系统；本系统是大量程的绝对位置测量。也是进一步说明差分电容位移量的转换基准、差分电容变化量转换为脉冲宽度量和细分方法在本系统测量电路中的应用；本系统测量电路用的是单稳态触发器，把电容变化量转换为脉冲宽度量t_w≈0.69RC，在定极板上串接不同的电阻，不同的电阻R就有不同的测量量程(详情后说)，而且测量量程与极板面积无关，只与电阻R有关。在单稳态触发器中的电阻R大小没有限制，故测量量程也不受限制。由于采用了差分电容位移测量基准和细分测量方法；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测量方法，无需对测量环境和测量条件有所要求，细分测量方法很简单，不需要内插法，而且提高了测量精度，又能在恶劣环境中大量程的测量，并能使用于机床或其它重型机械上；它是微功耗、体积小、传感器制造和电路都简单全数字型、无零漂、抗干扰稳定性好和成本低等优点；它优于电磁感应型如球栅(Ball Grid)、光栅和磁栅等。

通常电容型增量式位移测量和绝对式位移测量的两种装置中，都包含有位移标尺部件和读取部件。增量位移测量的位移标尺部件中包含有均匀排列的矩形电极，矩形电极的形状、尺寸和导电性能都相同，这是保证它的同一性；矩形电极的宽度(用b_s表示)相同，间隙宽度(用a_s表示)相同，如果只用一个矩形电极的宽度和一个间隙宽度为一周期(用t_s表示)，即t_s＝a_s+b_s；这种位移标尺也就是所说的定尺上，尚有用于标识位移的刻度线。读取部件中含有动电极(动电极的排列方示各有不同，下面结合具体时再细说) 和检测电路，也就是所说的动尺。绝对位移测量，需要读取部件在每个位移处读取到的信号都不同，即要求每个刻度线上都具备可区分性。本发明的电容传感器在绝对位置位移量的测量方面，也是一种新的探讨和发明。

正如CN101995208(或WO201101018497)专利说明书[0006]至[0009]中所指出的：目前，增量位移测量的方法已经较为成熟和普遍，而绝对位移测量技术尚处于发展阶段，现有技术中绝对位移测量的方式主要有以下两种：

第一种方式：利用空间复用的方式在均匀分布的电极上实现增量位移测量和绝对位移测量。在该种方式中，位移标尺单元中的一串均匀分布的电极都被切割成上下两部分，奇数电极条的切割位置满足周期正弦曲线，偶数电极条的切割位置满足周期余弦曲线。在增量位移测量时，每根电极的上下两部分加载相同信号，在切割间隙足够小的情况下，每根电极可以看作增量测量的刻度。在绝对位移测量时，每根电极的上下两个部分加载相位相反的信号，处于某位移下的读取单元感应的信号取决于读取单元覆盖到的电极的上下两部分面积之差，导致每个位移处读取单元输出的信号的相位值不同，利用绝对位移与读取单元输出信号的相位之间的对应关系，通过获取输出信号的相位值，便可以获取到绝对位移信息。

第二种方式：位移标尺单元中包含并行的多道均匀分布的电极，读取单元在每个位置均能够覆盖多道的电极。在绝对位移测量时，每一道电极均由接正极性信号和负极性信号的电极组成，在每一个位移处保证读取单元覆盖的电极所记载的信号的极性组合是不同的，根据位移与极性组合的对应关系，通过获取读取信号输出的极性组合，便可以获取到绝对位移信息。

但是，在上述第一种方式中，是通过获取模拟量来进行绝对位移测量的，容易受到读取单元的倾斜程度影响，读取单元的实际安装和运动不可能与位移标尺单元完全平行，绝对位移的测量值会因读取单元的倾斜程度而不同，抗干扰能力差；并且，每根电极都需要在特定位置切割，制作工艺比较复杂，成本高。在第二种方式中，由于需要包含多道的电极，电极数量较多，成本较高，将各电极连结至指定极性的信号线上的实现较复杂。

上说是CN101995208(或WO2011018497)专利中，对现有技术所存在的问题加以综合分析与比较，说明改来改去所存在的问题还是复杂，于是该专利CN101995208(或WO2011018497)又进一步做了改进；也确实如该专利所说的电极图形更加简单，每根电极无需要在特定位置切割，制作工艺也很简单，但需有两种激励信号源和特定矩形感应区域等，每种激励信号源有四个(或多于四个)相位不同的信号，增量位移测量模式是测量位移量的小数，这仍然是传统的测量方法，绝对位移测量模式是位移量的量程大，特定矩形感应区域的数就大，因此位移测量程是有限的；位移标尺单元和读取单元都有多根外引的信号线，这样运动件和固定件的连线也是个麻烦问题。总之，上说对比说明了现有技术所成在的种种问题，都是固化于现行测量方法所造成的，难能完全理想的解决。也就是所说的技术偏见。

本发明的第四个目的，为实施本发明第一个目的和第二个目的，把检测电路、传感器、显示件和外壳(或封装)等集成一体的微型(MEMS)器件。这类背景技术并入后叙发明内容，便于对比。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的偏见与不足，提出一种差分电容位移量的转换(转换基准和转换为脉冲宽度量)和细分方法，所说的差分电容位移量的转换包括有差分电容位移量的转换基准和差分电容变化量转换为脉冲宽度量，克服了现有的测量方法中，没有就测量到的差分电容变化量转换为位移量的基准，只能跟据预定的差分电容变化量所对应位移量来选定的缺陷，也就是技术偏见所造成的弊端，从而对测量环境和测量条件无特别要求。利用差分电容位移量转换为位移量的脉冲宽度量的特点是可以大量程测量，测量量程与极板面积无关，而且脉冲宽度量的细分方法就是频率细分方法，所实施的电容型线性位移测量系统中，传感器制造和电路都简单的全数字型、不需要内插法，细分精度高、它是微功耗、体积小、无零漂、抗干扰稳定性好、成本低廉、且能在水、油、灰尘污染等恶劣测量环境中使用和扩大了运用范围等优点；它优于电磁感应型如球栅(Ball Grid)、光栅和磁栅等。还有微型(MEMS)器件，细分精度是纳米级，它是MEMS的机械运动参数(如位置、位移、速度、振幅和頻率等)精确测量的新途径，测量参数的变换是遥控。本发明促使电容位移传感器的潜力有了大的发辉。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：

一种差分电容位移量的转换和细分方法，其特征是：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d_c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d_c是相同不变的。有了这单位电容变化量的位移量d_c，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，所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d_c，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，由差分位移区间内位移时差分电容变化量求出所对应的位移量是很方便的，这就是克服了现行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基准的技术偏见；

提起差分电容人们很自然想的是两个电容之差，半个世纪以来，人们在传统测量方法的固化下，从未想到利用两个差分电容之和的上述所用，而是舍近求远的的把所测量到的差分电容变化量，跟据预定的差分电容变化量所对应的位移量来选定，以至于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等，而且这种测量方法的电路中有调制与解调、放大器、A/D转换器…等愈改进愈复杂；这是人们的思维固化在传统的测量方法中从改进到发展，习惯性的由简单到复杂，复杂更复杂…，无法跳出；一旦能从这复杂中跳出来，便有新的简单；

本发明人正是面对种种困难，突发奇想的跳出了固有的测量方法，这才能突破了技术偏见，有了本发明，也就是有了所测量到的差分电容变化量转换为位移量的基准后，它不仅测量方法和电路都很简单方便，也免去了对测量环境和测量条件的一些要求；能在水、油、灰尘污染等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转换器等模拟量元件，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，见林玉池 主编 测量控制与仪器仪表前沿技术及发展趋势一书76页；

所述细分方法是指单位位移量的电容变化量中，最小单位位移量的电容变化量，也就是分辨力，在差分位移区间内，单位电容变化量的位移量d_c的倒数是单位位移量的电容变化量(用d_s表示)，如果分辨力是一微米，就选用最小单位位移量是微米，即每一微米的电容变化量d_s，测量时必须能测量出每一微米的电容变化量d_s，也就是能测出最小分辨力量为一微米，只要能测量出这最小单位位移量的电容变化量d_s就是最小细分单位量；这也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，才有如此简单的细分方法；

本发明的细分方法比现有技术简单，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；

所说差分电容位移量的转换基准和细分方法是适合所有差分电容位移传感器的测量，不论是位置还是位移量、或长度量还是角度量、或直线运动还是圆形旋转运动的测量都适用，只要是电容型差分测量都可采用本方法；此外，不论如何把电容变化量转换为其它电量(如电压量、电流量、脉冲宽度量和脉冲频率等)，只要是电容型差分测量都可采用本方法，它是非常简单普遍适用的方法。

一种差分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，分别依次测量两个脉冲宽度量t₁≈0.69R C₁和t₂≈0.69R C₂，两个差分电容C₁与C₂所用的测量电路(如单稳态触发器和电阻)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(如电阻或电容)，故频率细分方法是最为简单的方法；这种简便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，不仅简单，还解决了零漂问题，也为大量程测量提供了方便和可能；这是电容变化量转换为脉冲宽度量t≈0.69RC，在电极中串接不同的电阻，即每一个矩形电极的宽度和一个间隙宽度为一周期内所串接的电阻不同，差分电容位移量的转换为脉冲宽度量不同，所代表的位置也就不同，在下面所述的电容型线性位移测量系统是本方法实施的范例中将进一步细说。

所说差分电容变化量转换为脉冲宽度量的电路和细分方法，适合所有差分电容位移传感器的测量，它把电容量转换为脉冲宽度量中没有放大器等模拟量元件，全是数字量元件抗干扰性好，电路简单，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，比较时也就不存在，它是非常简单普遍适用的方法，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，制成差分电容变化量转换为脉冲宽度量专用集成控制件的用途广泛，如CN86106551、CN1167371和 CN1240928等专利(这都是本发明人的早期发明)的电路皆可选用。

所说差分电容位移量的转换为脉冲宽度量和细分方法是适合所有差分电容位移传感器的测量，不论是位置还是位移量、或长度量还是角度量、或直线运动还是圆形旋转运动的测量都适用，只要是电容型差分的位置或位移测量都可采用本方法。

下面所述的电容型线性位移测量系统是差分电容位移量的转换和细分方法实施的范例。

一种用差分电容位移量的转换基准和细分方法与一种差分电容变化量转换为脉冲宽度量和细分方法所实施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、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；通过所述线性位移测量系统进一步说明所述的差分电容位移量的转换(转换基准和转换为脉冲宽度量)和细分方法的应用；

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CN86106558 专利的电容传感器(这是本发明人的早期发明)，动极板有上四组电极，在定极板上一个矩形电极的宽度 b_s和间隙宽度a_s为一周期(t_s＝a_s+b_s)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；

所说的CN86106558专利中的电容传感器动极板电极是左右两侧集中排列，左侧集中的是A和C 两组，右侧集中的是B和D两组，其缺点是当动极板电极和定极板电极之间，在运动方向不平行的倾斜时，影响其精度，本发明对此的改进是把动极板电极左右两侧集中排列改为A、C、B、D和C、A、D、B的分散排列排列；这样当动极板电极和定极板电极之间，在运动方向不平行的倾斜时，对精度的影响不大；

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(转换基准和转换为脉冲宽度量)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的，用N表示，N分别为0、1、2…7，在大数段八个线性差分位移测量区间中，所选定的第N个区间的区间数，有测量时所测量的大数组的四组电容值比较所确定，也就是所说的大数组的四组电极与定极板电极所组成的电容量的状待征所选定；大数段超出一个矩形电极的宽度和间隙宽度为一周期(或称节距)时，由定极板上的电极中每相邻的三个电极共并连的一个电阻阻值是各不相同来区分；不同的阻值就是三个电极不同的周期数；

所说周期数，是在定极板上的电极中，每相邻的三个电极共并连的一个电阻阻值是Rm，每一个电阻阻值Rm中三个电极的周期数，分别是第一个电极的周期数用FE-m表示，FE-m＝3×m+0＝3×m、第二个电极的周期数用SE-m表示，SE-m＝3×m+1和第三个电极的周期数用TE-m表示，TE_m＝3×m+2；其中 m是区别不同电阻阻值(Rm)中的脚注m，分别为0、1、2、3…等自然数；当m＝0时，第一个电极的周期数FE-0＝0、第二个电极的周期数SE-0＝1和第三个电极的周期数SE-0＝2；当m＝1时，FE-1＝3、SE-1＝4和 TE-1＝5；当m＝2时，FE-2＝6、SE-2＝7和TE-2＝8；…等；这m、FE-m、SE-m和TE-m值的判别，有小数组的四组电容值之和与大数组的四组电容值之和的比值来确定；

所说周期数，是在定极板上的电极中，每相邻的三个电极共并连的一个电阻Rm，并非是唯一的，也可两个或四个电极共并连的一个电阻Rm，可跟据测量中最佳状态来确定；

所说小数组是大数段的余数，小数组电容传感器在定极板上，一个矩形电极的宽度和间隙宽度为一周期(或称节距)内，由小数组的八个线性差分位移测量区间组成的，用n表示，n分别是0、1、2…7，所说小数段八个线性差分位移测量区间中所选定的第n个区间的区间数，有测量时所测量的小数组的四组电容值比较所确定，也就是所说的小数组的四组动电极与定极板电极所组成的电容量的状态特征所选定；超出小数组电容传感器在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)时便是大数组；

所说小数段后的余数是尾数；所说尾数是用差分电容位移量的转换基准和细分方法来求解和细分；

所述差分电容位移量的转换基准是用一对差分位移区间的位移距离s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d_c；在差分位移区间的距离s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d_c是相同不变的。有了这单位电容变化量的位移量d_c，也就有了所测量到的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，所测量的差分电容变化量之和(C₁+C₂)随着跟踪变化，差分位移区间的宽度距离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d_c，也相应随着差分电容变化量之和(C₁+C₂) 的变化而跟踪变化；

所说尾数细分方法是用一对差分电容位移量的转换基准中的，单位位移量的电容变化量d_s中最小单位量的电容变化量，如选用最小单位位移量是微米，即每一微米的电容变化量d_s，测量时必须能测量出每一微米的电容变化量d_s，也就是能测出最小分辨量为一微米，只要能测量出这最小单位位移量的电容变化量d_s，就是最小细分单位量；

所说大数组和小数组的组合的次序是，先有大数组中确定周期数中每相邻的三个电极共并连的一个电阻阻值是Rm，由电阻Rm中确定三个电极的周期数，若是第一个电极FE＝3×m、或第二个电极是 SE-m＝3×m+1、或第三个电极是TE＝3×m+2，其中m就是电阻Rm中的脚注m，判别好这m、FE-m、SE-m 和TE-m值，此后确定大数段N，大数段N的余数是小数组，再从小数组中确定小数段n，最后是选定小数段的余数是尾数，尾数是用差分电容位移量的转换基准和细分方法来求解和细分；

所说绝对位置的测量方法是大数组测量和小数组测量的组合；如果不用大数组电容传感器测量，仅有小数组电容传感器测量，这就是增量式电容型位移测量；

电容传感器的测量电路是把电容变化量转换为便于测量、计数和显示的电量，常用的有电压量、电流量、脉冲宽度量和脉冲频率等，这里用单稳态触发器把电容变化量转换为脉冲宽度量为例说明如下，单稳态触发器的输出脉冲宽度量用t表示，即t≈069RC。式中C是电容量也就检测时的电容变化量，R是电阻与电容C串连，改变电阻R大小就是改变电容C的充或放的电流大小，也就是改变输出脉冲宽度量t，在单稳态触发器中电阻R的阻值大，输出脉冲宽度量t，就大，这也是一种放大；在单稳态触发器中电阻 R的阻值是不受限制的，它是有最小细分单位位移量的电容变化量d_s以及所能测量出这最小单位位移量的电容变化量d_s电路的综合考虑所选定；

所说测量电路是包括有差分电容变化量转换为脉冲宽度量和细分方法；其中有单稳态触发器、脉冲宽度细分电路、时序开关电路和单片微型计算机所组成；

所说单稳态触发器是两个精密单稳态触发器，分别用来把小数组电容传感器和大数组电容传感器的电容变化量转换为脉冲宽度变化量，它有单片微型计算机分别控制小数组和大数组的单稳态触发器的触发，并由时序开关电路，先测量四组并联电容之和(简称先四组之和)，此后分四次测量三组并联电容之和 (简称后四次三组之和)的方式，分别控制小数组的四组电容传感器和大数组的四组电容传感器的依次测量，单稳态触发器的输出脉冲宽度量，由脉冲宽度细分电路分成一个脉冲串输至单片微型计算机，其中小数组细分后的脉冲串的每一个脉冲宽度，是取决于最小细分单位的脉冲宽度；

所说先四组之和与后四次三组之和的方式，不是唯一的，也可全三组之和或其它组合方式由单片微型计算机的运算也能得出各组电容值；

所说最小细分单位的脉冲宽度脉冲是有高频方波振荡器产生；或有单片微型计算机提供。

所说脉冲宽度细分电路是把单个宽度的大的脉冲细分为脉冲串，便于单片微型计算机计量单个脉冲的宽度，也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；

所说时序开关电路的先测量四组之和，与后四次三组之和与差的方式是指先测量四组并联电容量之和，后分四次测量三组并联电容量之和，最后再用四组并联电容量之和减去三组并联电容量之和的差，分别求出每组电容量；这有单片微型计算机来完成；

所说单片微型计算机是用于小数组电容传感器和大数组电容传感器的四组电容测量的时序控制检测、检测后的存储、小数组和大数组的四组电容值的比较、计算、控制和输出显示等。

本发明的第四个目的，为实施本发明第一个目的和第二个目的，把检测电路、传感器、显示件和外壳(或封装)集成一体的微型(MEMS)器件。电容传感器的检测电路就是集成电路，它和电容传感器的电极加工艺相同，已是成熟技术。问题是能否微型化，也就是所说的MEMT？

在戴聿昌著MEMS介绍一文中指出MEMS是微机电系统(micro electro mechanicalsystem) 的缩写，它定义为包含电子和或/机械“部件”的功能性单元，其特征尺寸从100nm到1mm不等。也有一些人简单地限制MEMS器件的整体尺寸小于一立方厘米。更重要是，多部件、复杂功能、系统集成以及能够批量生产。MEMS是他们宏观世界对应物的微型化、便宜的版本。其功能相同或者更好。这项技术已经成熟到了可由纯研究过渡到开发商业产品的程度。MEMS产品的可维持性在小批量(小于10000单位/年) 情况，需要高的单位价(大于100美元/单位)，而更佳的可维持性则是在大批量(大于1000000单位/年) 情况下，使用低一些的单位价格(小于10美元/单位)。市场的需要仍然是成功进行MEMS开发的重要的经济因素。(见周兆英王中林林立伟主编微系统和纳米技术一书271、280和281页)。

跟据上说的多部件、复杂功能、系统集成、器件的整体尺寸以及批量与单位价格等要求，本发明所说的差分电容位移量的转换基准、所说的差分电变化量转换为脉冲宽度量的电路和所说的细分方法等是适合用本发明人早期的CN86106551、CN1167371和CN1240928专利的传感器、显示件和壳体集成为一体的微型器件。通过这三种微型器件具体说明它是符合上说要求的，具体如下；

微型电容式精密位置瞄准器一种用差分电容位移量的转换基准和细分方法与一种差分电容变化量转换为脉冲宽度量和细分方法所实施的微型电容式精密位置瞄准器，其特征是：它包括有所说单稳态触发器、所说脉冲宽度细分电路、单片微型计算机、CN86106551专利的传感器、显示件和壳体集成为一体的微型电容式精密位置瞄准器。

在林玉池主编测量控制与仪器仪表前沿技术及发展趋势一书76页中指出：传感器的微型化要求将传感器、放大器、补偿电路等集成在同一芯片上，即采用集成技术，既可减小体积，又增加抗干扰能力。数字技术的出现把模拟仪器的精度、分辨力和测量速度提高了几个数量级，......。

微型电容式精密位置瞄准器，用本发明的差分电容位移量的转换(转换基准和转换为脉冲宽度量) 和细分方法实测求定位移量，现有技术是按预定的差分电容变化量所对应位移量来选定的，两者相比，前者是实测后的精确计算值高于后者的近似值；这是提高精度因素之一；

微型电容式精密位置瞄准器用了本发明的差分电变化量转换为脉冲宽度量的电路，不仅是电路简单，而是把模拟量的测量改为数字量的测量，是提高测量的精度、分辨力和速度的更为重要因素，少说一点这一改进在精度方面只少能提高一个数量级，这是提高精度因素之二；

由于微型电容式精密位置瞄准器体积小于1立方厘米，所有对被测电容量影响的附加无用的电容量大为减小，动电极与定电极之间距离可由10微米降为1微米，这能在精度方面的提高只少是一个数量级，这是提高细分和精度的因素之三；

本发明的差分电变化量转换为脉冲宽度量的电路无零漂等噪声影响、能消除所有的附加无用的电容量，这是提高精度的因素之四；

本发明细分精度取决于频率细分，频率细分方法是比内插法的细分简便可靠，细分精度高，这是提高精度的因素之五；

本发明人早期用分立元件实施CN86106551专利，制成的CWM-DR系列电容式位置瞄准器的精度已是微米级。当时售价不低于100美元/单位。详见“工具技术”1993(01)pp.43-45。

综上所说5项提高精度因素，把CWM-DR系列电容式位置瞄准器集成微型后，本发明微型电容式精密位置瞄准器的细分精度，可由微米级提高为纳米级(从10纳米到1纳米)。也说明了这种位置瞄准器是符合集成微机电系统(MEMS)的要求。这是由于本发明有了差分电容位移量的转换(转换基准和转换为脉冲宽度量)和细分的新方法，促使电容位移传感器的潜力有所发辉。现有技术的测量方法很难实现这一目标。

本微型电容式精密位置瞄准器有粗测和精瞄；粗测电极宽度较大用来指示调节范围，精瞄电极宽度较小用来精密瞄准定位，还有细分位移量的数字指示；有一维和二维瞄准定位、有单点、多点、特殊点和特种方式的定位等，详见CN86106551专利。

微型CMOS电容接近开关一种差分电容变化量转换为脉冲宽度量和细分方法所实施的微型CMOS 电容接近开关，其特征是：它包括有把CN1167371专利的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、所说脉冲宽度细分电路、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。其特点是体积相当于三极管或霍尔元件的大小，但答应件无需像霍尔元件所要求的必需是磁性体，而是任何金属和非金属物质皆可用作答应件，且低电压和微功耗等，其适应面比霍尔元件广。

微型电容编码器一种用差分电容位移量的转换基准和细分方法与一种差分电容变化量转换为脉冲宽度量和细分方法所实施的微型电容编码器，其特征是：它包括有所说单稳态触发器、所说脉冲宽度细分电路、单片微型计算机、CN1240928专利的传感器、显示件和壳体集成为一体的微型电容编码器。它和微型电容式精密位置瞄准器一样，细分精度可提高为纳米级。

对MEMS的机械运动参数(如位移、速度、振幅和頻率等)进行精确测试已经成为MEMS发展的迫切要求。微机械的特征尺寸一般为毫米级至亚微米量级，远小于宏观机械，故微机械的动态特性很容易被测试过程干扰。由于光学测试方法是非接触测量，同时又具有分辨率好和精度高等特点，目前已成为微机械量测试领域的研究热点。一系列应用光学测试方法的MEMS动态参数测试仪器，如激光多普勒测振仪 (LDV)、頻闪显微干涉系统(SMIS)、计算微视觉系统(CMVS)和光纤迈克尔孙干涉仪等都被广泛研究并已投入实际应用。摘自林玉池主编测量控制与仪器仪表前沿技术及发展趋势一书95页

本发明的上说微型器件能满足上说测试条件和要求。本发明微型器件的动极板或定极板(动极板和定极板是相对而言，可以互换。)的电极可腐制在被测件所要测量的一面，或制成簿带状如同胶带纸样贴在被测件所要测量的一面，或动极板直接固定在被测件上，电容传感器本来就是非接触测量，这样微型化测量时不干扰微机械的动态特性，本发明微型器件能满足上说分辨率好和精度高等要求，通过单片微型计算机的软件可以把单一的位置测量变成位置、位移、速度、振幅和頻率等多参数的测量，而且在集成电路中加上无线接收部件，用遥控器的发射件遥控测量参数的变换或多参数同时测量。

所说的微型电容式精密位置瞄准器和微型电容编码器，其特征是动极板或定极板(动极板和定极板是相对而言，可以互换。)的电极可腐制在被测件所要测量的一面，或制成簿带状如同胶带纸样贴在被测件所要测量的一面，或动极板直接固定在被测件上，这种非接触测量，不干扰微机械的动态特性，通过单片微型计算机的软件把单一的位置测量变成位移、位置、速度、振幅和頻率等多参数的测量，在集成电路中加上无线接收部件，用遥控器的发射件遥控测量参数的变换或多参数同时测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果分别如下：

1在差分电容位移量的转换基准和细分方法方面是；

1.1半个世纪以来，人们在传统测量方法的固化下：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，这是被技术偏见所束缚。本发明人起初也是被这技术偏见所束缚，发现了不是没有差分电容变化量转换为位移量的基准；不仅有，而且还很简单；获得这一基准的方法很简单，用这一方法求解位移量也很简单。

在CN101949682(或WO2012022141)专利说明书[0010]中指出：现有的绝对式容栅位移传感器需要以微控器(MCU)为核心，软件依赖于低效率的试探方法，外围需要复杂的模/数、正弦波形电极等技术支持，常规的单片机应用系统确实可满足上述軟、硬要求，但要将该系统集成(做成单片ASIC)安装在手持式的测量工具上，得到同时满足低成本、小体积、微工耗且能规模化生产的产品，并非易事。

以上CN101949682专利中所述和前面的CN101995208(或WO2011018497)专利中也指出(见本说明书的[0038]至[0041]的引用)，现有技术的问题和困难等都说明了在半个世纪时间内，人们对这一技术问题普遍存在的偏离了客观事实的认为，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。这是技术偏见。本发明克服了这种技术偏见。有了所测量到的电容变化量转换为位移量的基准后，完全不要上说的这些元件，也不存在上说的困难之事，相比之下。本发明的测量原理和方法都很简单。

1.2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，并且和预定的差分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。这种测量方法对测量精度、测量量程和测量环境和测量条件都有限制。正如同济大学张荣在硕士学位论文容栅编码器研究及其应用一文中指出(见本说明书的[0031]的引用)：在容栅测量领域，还有很多是悬而未决的问题等待着我们去解决，特别是实际可行的误差补偿方法。可见，现有的测量方法在精度方面误差补偿等迫切等待解决。有了差分电容变化量转换为位移量的基准求解位移量的方法，上说问题都能得到完全很好的解决。也不存在像现有技术那样愈改进愈复杂的问题。

1.3本发明能在水、油、灰尘污染等恶劣环境中使用。无需防水、防油、防灰尘、和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等条件所限。这说明本发明扩大了电容传感器的使用范围。

1.4现有技术的测量电路大都采用调制、解调、放大器和A/D转换器等电路；这是模拟电路，其缺点是易受干扰和失真。本发明测量电路可不用上说模拟电路，全是数字电路，不存在干扰和失真问题。这说明本发明不仅简单，也为电容传感器的位移或位置测量全数字化，提出了简易可行的方法。数字量仪器比模拟量仪器的精度、分辨力和测量速度提高了几个数量级。制造业的第三次产业革命的目标是数字化。

1.5现有电容位移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电容变化量来选定位置位移量，这种测量方法要求单片微型计算机有容量很大的查询表存储器；本发明不存在这种问题。这样相比本发明对单片微型计算机的要求也是简单的。

1.6在差分位移测量中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d_c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d_c是相同不变的。有了这单位电容变化量的位移量 d_c，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；而且是动态跟踪基准量，再用这基准由差分位移区间内位移时电容变化量求出所对应的位移量；这一检测方法适合所有差分电容传感器，只要是电容型差分位移测量都可采用本方法，它是非常简单普遍适用的方法。

1.7本发明是用所说的动态跟踪基准量求解位移量后，使单位位移的电容变化量具体化，便于细分，特别是频率细分最为简便，无需A/D转换器等复杂电路；只要能测量出最小单位位移的电容变化量，就是最小分辨力。

1.8由于本发明有了差分电容位移量的转换基准和细分方法，通过单片微型计算机的软件把单一的位置测量变成位置、位移、速度、振幅和頻率等多参数的测量，在集成电路中加上无线接收部件，用遥控器的发射件遥控测量参数的变换。这在现有按预定的差分电容变化量所对应位移量来选定的测量方法，是不可能把单一的位移测量变成位置、位移、速度、振幅和頻率等多参数的测量。

2在差分电容变化量转换为脉冲宽量和细分方法方面是；

2.1本发明用单稳态触发器电路把度差分电容变化量转换为脉冲宽度量是最为简单的电路，它是数字电路抗干扰性好；也为大量程测量提供了方便和可能。这是电容变化量转换为脉冲宽度量t≈0.69RC，在电极中串接不同的电阻，即每一个矩形电极的宽度和一个间隙宽度为一周期内所串接的电阻不同，差分电容位移量的转换为脉冲宽度量不同，所代表的位置也就不同。

2.2现有技术把差分电容变化量转换为脉冲宽量需要用两个单稳态触发器，要有调节平衡的电位器；其零飘问题难以解决；本发明共用了一个单稳态触发器分别依次测量，两个差分电容(C₁与C₂)所用的测量元件(如单稳态触发器和电阻)完全相同，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。

2.3本发明的细分测量方法只要能测量出最小单位位移量的电容变化量d_s就是最小的细分量，对应于测量电路是能测量出最小细分单位的脉冲宽度，这最小细分单位的脉冲宽度就是细分电路分成的每一个单位的脉冲宽度，也就是高频方波振荡器产生的每一个单位的脉冲，故这种细分方法就是频率细分方法，非常简单；也有利于微纳米的测量。频率细分方法是现有细分方法中最为简单的一种。

2.4本发明适合所有差分电容位移传感器的测量，它把电容量转换为脉冲宽度量中没有放大器等模拟量元件，全是数字量元件抗干扰性好，电路测量时无需电位器调零，也无零漂，所有干扰和寄生(或附加)电容都相同，比较时也就不存在，它是非常简单普遍适用的方法，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，制成差分电容变化量转换为脉冲宽度量专用集成控制件的用途广泛，如CN86106551、CN1167371和CN1240928等专利的传感器、皆可选用。

2.5用本发明的单稳态触发器把度差分电容变化量转换为脉冲宽度电路，与CN86106551、 CN1167371和CN1240928专利的传感器、显示件和壳体集成为一体的微型器件。

2.6对MEMS的机械运动参数(如位移、速度、振幅和頻率等)进行精确测试已经成为MEMS发展的迫切要求。现在只能用光学显微系统等。本发明集成的微型器件，如微型电容式精密位置瞄准器和微型电容编码器等可填补这一空缺。

3在用差分电容位移量的转换基准和细分方法，以及差分电容变化量转换为脉冲宽度量和细分方法所实施的电容型线性位移测量系统方面是：

3.1本发明的电极图形只是矩形一种，规则简单，工艺也简单，成本低廉；定极板可制成卷到卷的柔性印制板以适应不同测量长度所需；电阻元件可与印制板制成一体。最简单的工艺是定极板上背面的电阻可用分立元件焊接。

3.2本发明的小数组电容传感器和大数组电容传感器中动极板上分别只有四组电极组、但在定极板上一个矩形电极的宽度和间隙宽度的一个周期(或称节距)内，一对差分电容线性位移测量区间有八组，对比US3857092专利中有十组电极组、一对差分电容线性位移测量区间只有五组，而且在这五组中，每一对差分电容线性位移测量区间内，尚存有相邻电极之间的间隙宽度所造成的非线性；这是由于相邻电极的依次转换的必然结果；但在本发明所选用CN86106558专利中的电极是前后跳跃转换，不存在相邻电极之间的间隙宽度所造成的非线性，在这八组的一对差分电容线性位移测量区内都是线性的。两者相比本发明是电极组少、组成一对差分电容线性位移测量区间多，且都是线性位移测量区；但在US3857092专利中是电极组数多、而组成一对差分电容线性位移测量区间少，且有非线性位移测量区。本发明所用的电路也比 US3857092专利的电路简单。

3.3现有技术，为了消除相邻电极的依次转换时，因相邻电极之间的间隙宽度所造成的非线性，在CN98126245专利中将电极的一行排列改为两行排列，原是一行排列的相邻电极分隔成上下两行，跳过相邻电极之间的间隙宽度，使每个电极有了应有的宽度，即实际宽度和标称宽度相同，原是依次转换变为上下跳跃转换，提高了线性度；但是动电极与固定电极差分位移相对覆盖的起点是零覆盖量(即尚未覆盖)，这样仍有边缘效应所引起的非线性；本发明所用CN86106558专利中的动电极与固定电极差分位移相对覆盖的起点不是零覆盖量，而是选定在覆盖量大于或等于动电极与固定电极相对覆盖之间的垂直距离，也就是电极之间的距离，这就不存在边缘效应所引起的非线性，保证了一对差分电容线性位移测量区内都是线性的。

3.4本发明这种在一对差分电容线性位移测量区内斩头除尾，取其中间最好的线性部分用于位移测量段(详见图4说明)，保证了最佳线性位移测量的方法是现有技术测量方法无法做到的。而且在一个矩形电极的宽度和间隙宽度为一周期(或称节距)内，有八组一对线性差分位移测量区间段组成的，只是由于电极的这种特殊排列，在运行中自然行成，无需像已知技术，如CN101949682(或WO2012022141)和 CN101995208(或WO2011010184970)等专利那样要外加不同相位的激励信号，使其电路复杂化。本发明的传感器也是使其电路简单因素之一。

3.5在CN98126245专利中将电极的一行排列改为两行排列，原是一行排列的相邻电极分隔成上下两行，这就使其电极的连线由8根增加到16根是个困难之事，本发明小数组电容传感器和大数组电容传感器的四组电极的连线各自只有4根，共有8根；连线方式也很简单。

3.6现有绝对位移测量技术中有精密测量(简称精测)和粗略测量(简称粗测)，也就是本发明所说的小数组和大数组，粗测区的电极面积与位移量程有关，量程越大，粗测区的电极面积就越大，检测电路也复杂，现有绝对位移测量的量程是有限的，现有电容数型显量具的量程只有1公尺左右；本发明的大数组占用定极板上的电极面积很小，只是在定极板上每相邻的三个电极共并一个电阻阻值各不相同的电阻，接有不同阻值的电极就是大数组不同周期数的电极，单稳态触发器内的电阻阻值不受限制，故而其量程范围不受限制，量程大小与电极面积无关，电路也很简单。

3.7现有技术中电容传感器的电容偶合方式是，先有检测电路至动极板电极与定极板电极的一次偶合，有定极板上电极与电极的电气连接后，再有定极板上电极与动极板电极的二次电容偶合方式，又回馈至动极板上检测电路，这样两次电容偶合方式是两个电容串连，电容变化量减少，占用极板面积大；本发明是一次电容偶合方式没有这个问题，而且，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方式，已被CN86106551专利所实施的CWM-DR系列电容式位置瞄准器，用于机床工作台四点瞄准定位的实际效果所证实是可行的。这比现有技术中的反射式群聚型简单。

3.8本发明定极板上每相邻的三个电极共并连的一个电阻阻值各不相同的电阻相连接，电阻另一端接地，这个电阻是焊接在定极板上的电极印制电路板的背面，不影响动极板与定极板的相互平行运动，定极板上无电源连线，只是电阻的一个接地端接至被测量位移量的机床或机械的金属件上，动极板上电源接地端也是通过被测量位移量的机床或机械的滑动金属件与电阻的一个接地端相连，通常被测量位移量的机床或机械都有接地线的，这样本发明的测量电路也是有名符其实的实际接地线，这对防止杂散干扰等是有益的；也防止了地电位的漂移。

3.9在电容量的测量方面是先四个之和，后四次三个之和的相减方式的测量，可消除所有不要的并联寄生的附加电容。现有技术中为了消除所有不要的并联寄生的附加电容，通常是采用补偿、校正、屏蔽和隔离等方法。这里未加任何措施，只是测量的方法有所不同，可见其非常简单。

3.10小数组电容传感器和大数组电容传感器的四组电容量是同时分别各自由一个单稳态触发器依次转换测量，这样小数组电容传感器或大数组电容传感器的四组或三组电容量的先后测量电路完全相同；先后测量时间之差都只是毫秒级，无调节平衡零点问题，也不存在零漂或温漂等问题。这与现有克服零漂或温漂等问题的电路相比，显然是简单的。

3.11现有技术的测量电路都是采用调制、解调和放大器等电路；这是模拟电路，其缺点是易受干扰和失真。本发明电路全是数字电路，不存在干扰和失真问题。数字量仪器比模拟量仪器的精度、分辨力和测量速度提高了几个数量级。制造业的第三次产业革命的目标是数字化。就此本发明与现有技术相比也是简单的。

3.12如上所说本系统中，传感器制造和电路都简单的全数字型、不需要内插法，细分精度高、它是微功耗、体积小、无零漂、抗干扰稳定性好、成本低廉、且能在水、油、灰尘污染等恶劣测量环境中使用和扩大了运用范围等优点；它优于电磁感应型如球栅(BallGrid)、光栅和磁栅等。

4在用差分电容位移量的转换基准和细分方法，以及差分电容变化量转换为脉冲宽度量和细分方法所实施的微型器件是：把检测电路、传感器、显示件和外壳(或封装)集成一体的微型器件(电容式精密位置瞄准器、CMOS电容接近开关和电容编码器)方面是：

4.1本发明集成的微型器件，使差分电容位移传感器的测量精度提高至纳米级。这是本发明促使电容位移传感器的潜力有所发辉。

4.2本发明集成的微型器件，对MEMS的机械运动参数(如位移、速度、振幅和頻率等)的精确测量提供一种经济简便新途径。

4.3本发明集成的微型CMOS电容接近开关低电压、微功耗、金属件和非金属件都能答应等，其适应面比霍尔元件广。其它相同方面不再重说。

总之，本发明的测量原理和测量方法简单、细分测量方法是頻率细分法最为简单、特别是大量程的测量方法比现有技术更为简单，电容传感器极板电极图形简单、工艺简单、电路中没有调制、解调、放大器、A/D转换器和内插电路等，使其电路也很简单，这些都说明制造很简单，成本低廉；现有技术中的边缘效应与非线性、热燥声、零漂、干扰、附加的寄生电容等都一一的得到克服和解决，这些都说明它线性好、抗干扰强、稳定性好；而且能适应水、油、灰尘等各种恶劣环境中使用，这是本发明克服技术偏见，改变了测量方法所获得的独特优点；从而扩大了运用范围、适应面广，为重型机床或机械使用电容传感器进行位移测量提供了可能；比现有技术所使用的球栅(Ball Grid)制造简单、成本低廉、体积小和微功耗无电源拖线。

本发明就现有技术所存在的问题都以最简单的方法加以解决。任何基本的东西都是简单的，愈是简单，就愈有普遍实用价值。本发明的方法与电路能实施四种(CN86106558、CN86106551、CN1167371和CN1240928专利)系列产品的应用，充分说明了它的普遍实用性。

跟据本发明人的检索：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d_c表示)；有了这单位电容变化量的位移量d_c，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，用这一基准求解差分位移量的方法和最小细分方法是本发明在差分电容位移电容传感器测量中的发现和首次提出。

在上说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；现在只是受测量方法所限，本发明在测量方法上的改进也为电容传感器的发展开辟了新途径。

本发明所说的测量原理和方法突破传统，电容传感器和测量电路都是独立自主的创新。电容传感器有高阻抗和微功耗等优点，以及本发明有了差分电容变化量转换为位移量的基准求解位移量的方法和频率细方法等优点，对微纳米测量和纳米技术的发展是有所促进的。特别是把电容传感器和测量电路集成一体的微型化，使其细分精度提高至纳米级，是对MEMS的机械运动参数(如位移、速度、振幅和頻率等) 进行精确测量的补缺。而且使其单一功能测量变为多功能测量和遥控；也比现有技术的一系列应用光学测试方法的MEMS动态参数测试仪器，如激光多普勒测振仪(LDV)、頻闪显微干涉系统(SMIS)、计算微视觉系统(CMVS)和光纤迈克尔孙干涉仪等要经济简便。

附图说明、

图1是一对差分电极的电容传感器运行示意图。

图2是CN86106558专利的电容传感器电极的排列图。

图3是CN86106558专利的电容传感器电极排列的改进图。

图4是本发明电容传感器电极差分电极运行图。

图5是本发明电容传感器定极板电极排列佈置图。

图6是本发明电容传感器动极板电极排列佈置图。

图7是本发明用单稳态触发器把电容变化量转换为脉冲的宽度量电路框图。

图8是本发明电容型线性位移测量系统电路框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更为清楚，这里结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

图1是一对差分电极的电容传感器运行示意图。图中10是定极板的电极。21和22分别是动极板的电极。定极板的电极10与动极板的电极21和22是组成一对差分电极的电容传感器示意图。b(或s) 是电极的宽度(或差分位移区间的距离s)。a是相邻电极的绝缘宽度。考虑到电极宽度b是大于相邻电极的绝缘宽度a，而且a值很小故将其忽略。在US3857092专利中图1的相邻电极之间的绝缘宽度未标注a，就是考虑它很小而忽略。x₁和x₂分别表式动极板左移和右移的位移量。

图1(a)是定极板电极10的中心线在动极板电极21和电极22的中间位置图。图中定极板电极10 分别与动极板电极21之间的差分电容用c₁表示，与动极板电极22之间的差分电容用c₂表示。在这种位置下，定极板电极10与动极板电极21的覆盖面积和与动极板电极22的覆盖面积相等；差分电容c₁和差分电容c₂对应相等。

图1(b)是动极板电极21和电极22左移x₁的位置，在这种位置下，定极板电极10与动极板电极21的覆盖面积小于与动极板电极22的覆盖面积；差分电容c₁对应小于差分电容c₂；但是定极板电极10与动极板电极21的覆盖面积减少量和与动极板电极22的覆盖面积增加量是等同的；故差分电容c₁和差分电容c₂之和(c₁+c₂)是不变的，这就是差分的特点。

图1(c)是动极板电极21和电极22右移x₂的位置，在这种位置下，同上之理差分电容c₂是小于差分电容c₁，但是，这差分电容c₁和差分电容c₂之和(c₁+c₂)仍然是不变的。

就图1(a)、(b)和(c)三个图，说明了在差分位移区间的宽度s(或宽度b)内，左移或右移时，虽然差分电容c₁和差分电容c₂都有变化，但是只要测量条件和测量环境不变，差分电容c₁和差分电容c₂之和(c₁+c₂)是不变的；在在差分位移区间的距离s(或宽度b)内任何点，这一对差分电容的动极板上电极与定极板的上电极所覆盖的距离s(或宽度b)也是不变的。利用差分电容c₁和差分电容c₂之和(c₁+c₂)在差分位移区间的距离s(或宽度b)内不变的特点，就能求出单位电容变化量的位移量d_c如下：

在(1)式中a＜＜s，a值可忽略不计；(1)式改写为：

(1)或(2)式中d_c表示在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不变，这个单位电容变化量的位移距离s(或宽度b)的也是不变的；在位移测量中，它是可以测量和求解的基准量，测量和使用都很简单；而且它是动态跟踪的基准量，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(或宽度b)未变，故这单位电容变化量的位移量d_c，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量，由差分位移区间内位移时差分电容变化量求出所对应的位移量是很方便的，这就是克服了现行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基准的偏见；无需要求测量环境和测量条件恒定不变，动态基准量能相应的跟随测量环境和测量条件的变化而变化。

这是一对差分电容的并联，正好是两个差分电容之和(C₁+C₂)的特点才有这一关系式。对于电感型或电磁感应就不可能有这一关系。

检索差分电容位移或位置测量专利后的发现：在US3857092专利中提到了 C₁₃/C₂₃＝(L/2-X)/(L/2+X)，式中C₁₃和C₂₃是本发明中所说的一对差分电容C₁和C₂，L是本发明中所说的差分位移区间的距离s(或宽度b)，X是本发明中所说的位移量x，可见，这里就是没有考虑到，这L也就是本发明中所说的差分位移区间的距离s(或宽度b)，与两个差分电容C₁₃和C₂₃之和的关系；而在US5777482 专利中提到了之式，虽然，这里考虑到了与两个差分电容C₁和C₂之和的关系，但是没有和差分位移区间的距离s(或宽度b)联系起来考虑，仍然与本发明所说的单位电容变化量的位移量d_c无关。可见，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基准的技术偏见之深！

在大位移时动极板电极的转换，在US3857092专利中是相邻电极的依次转换。这种转换方式，虽然因相邻电极之间的绝缘宽度a(见本发明的图1)很小可以忽略的把(1)式改写为(2)式；但是它的存在总是因这绝缘宽度a和边缘效应而引起的非线性误差。这正是同济大学张荣在硕士学位论文容栅编码器研究及其应用一文中所说的，特别是实际可行的误差补偿方法。此文所说的的误差就是相邻电极之间的绝缘宽度a和边缘效应而引起的非线性误差；这是结构性误差，只能是差多少补多少的补偿方法。说来容易，做来难。现有数学模型的论述，若不考虑这里所说的误差，看似有了严谨的数学论述，其实无实用价值！若考虑这里所说的误差，就没那么简单！也正如张荣在硕士学位论文所说：实际容栅系统是一个极其复杂系统，实际模型与理想模型有很大不同。

市场所售的瑞士(SYLVAC系统)增量式电容型数显卡尺原设计分辨力是1微米，后来正是上面所说的误差等因素，分辨力改为10微米。

在CN98126245专利中，将电极原是一行排列的相邻电极分隔成上下两行，使相邻电极之间的间隙宽度a和电极宽度(或b)相同，每个电极也有了实际宽度和标称宽度相同，原是依次转换变为上下跳跃转换，这样，跳过相邻电极之间的间隙宽度a，提高了线性度；但是动电极与固定电极差分位移相对覆盖的起点是零覆盖量(即尚未覆盖)，这样仍有边缘效应所引起的非线性。

本发明所用的CN86106558专利中电极的转换是前后跳跃的(见本发明的图4说明)，不仅是跳过相邻电极之间的绝缘宽度a的转换，而且动电极与固定电极差分位移相对覆盖的起点不是零覆盖量，而是选定在覆盖量大于或等于动电极与固定电极相对覆盖之间的垂直距离，也就是电极之间的距离，这就不存在边缘效应所引起的非线性，保证了一对差分电容线性位移测量区内都是线性的。

所谓细分也就是最小分辨力的大小，或者称之为最小细分单位量，在差分位移区间内，单位电容变化量的位移量(d_c)的倒数是单位位移量的电容变化量(d_s)，(1)或(2)式的倒数如下：

在(3)式中a＜＜s，a值可忽略不计；(3)式改写为：

分辨力是(3)或(4)式中差分位移区间距离s或(宽度b)中最小单位的选定，若最小单位量选为1微米 (或0.1微米)，则细分后的最小分辨力是1微米(或0.1微米)。但是测量电路应当能测出这最小分辨力1 微米(或0.1微米)的电容变化量是其必要的条件。现有技术中能测量出小电容量的潜力很大，如TH2617精密电容测量仪就能测出0.0001pF；张钟华在电容传感器中的边缘效应对输出特性的影响一文中指出测量 10^-8-10^-9微微法的电容变化量也不再引起困难传感器论文集第一册67页中国仪器仪表学会1984年5 月武汉。这说明本发明对纳米级或更高级的测量不是困难之事。现有技术的测量方法就不能如此直接具体细分。本发明用的频率细分，其最小分辨力取决于电路所能适应的频率高低。

图2是CN86106558专利的电容传感器电极的排列图。上层是定极板电极，下层是动极板电极。电极之间的关系和说明详见该专利。该专利动极板电极是左右两侧集中排列，左侧集中的是A和C两组，右侧集中的是B和D两组，其缺点是当动极板电极和定极板电极之间，在运动方向不平行的倾斜时，影响其精度。为此本发明对此有所改进。

图3是CN86106558专利的电容传感器电极排列的改进图。这是把动极板电极左右两侧集中排列改为A、C、B、D和C、A、D、B的分散排列排列。这样当动极板电极和定极板电极之间，在运动方向不平行的倾斜时，对精度的影响不大。

图4是本发明电容传感器电极差分电极运行图。A、C、B和D是动极板上的四组电极，其上层是定极板电极，动极板上的A、C、B和D四组电极和定极板电极所构成的电容，分别用Ca、Cc、Cb、和Cd 表示。

在图4(a)状态下：Ca＞Cb＝Cd＞Cc，这就是此时的状态特征；在此状态下，Cb＝Cd是B组和D组组成一对差分位移区间的起点，若选定此点是小数组的零点，此时n＝0，在此差分位移区间内动极板右移， Cb＜Cd，状态特征是；Ca＞Cd＞Cb＞Cc，而且Cb和Cd的电容之和(Cb+Cd)在此差分位移区间内是不变。这里所说的差分位移区间s(或b)是指一对差分电极(B)和电极(D)与定极板电极的覆盖宽度之和。以下等同不重说。

当动极板右移至图4(b)状态下：Ca＝Cd＞Cb＝Cc，在此状态特征下，选用Ca＝Cd是A组和D组组成一对差分位移区间的起点，此时n＝1，在此差分位移区间内动极板右移，Cd＞Ca，状态特征是；Cd＞Ca＞Cc＞Cb，而且Ca和Cd的电容之和(Ca+Cd)在此差分位移区间内是不变。从n＝0，Cb＝Cd是B组和D组组成一对差分位移区间的起点，转换到n＝1，选用Ca＝Cd是A组和D组组成一对差分位移区间是的起点，这是由B组电极跳跃至A组电极的转换，D组电极未变；再往下同样是前或后的跳跃转换，不再重说。

当动极板右移至图4(c)状态下：Cd＞Ca＝Cc＞Cb，在此状态特征下，Ca＝Cc是A组和C组组成一对差分位移区间的起点，此时n＝2，在此差分位移区间内动极板右移，Cc＞Ca，状态特征是；Cd＞Cc＞Ca＞Cb，而且 Ca和Cc的电容之和(Ca+Cc)在此差分位移区间内是不变。

当动极板右移至图4(d)状态下：Cc＝Cd＞Ca＝Cb，在此状态特征下，选用Cc＝Cd是C组和D组组成一对差分位移区间的起点，此时n＝3，在此差分位移区间内动极板右移，Cc＞Cd，状态特征是；Cc＞Cd＞Cb＞Ca，而且Cc和Cd的电容之和(Cc和Cd)在此差分位移区间内是不变。

当动极板继续右移时，依此类推不再重说。在一个矩形电极的宽度和间隙宽度为一周期(或称节距)内，有八对线性差分位移测量区间段组成的，每对差分位移测量区间段的起点都有如上所说的Cb＝Cd， Ca＝Cd，Ca＝Cc，Cc＝Cd。。。等共有八对等值点；每对差分位移测量区间段的转换也是由此特征来判定。这是由于电极的这种特殊排列，在运行中自然行成，无需像已知技术(如CN101949682和CN101995208或 WO201101018497等专利)那样要外加不同相位的激励信号；导致电路复杂。

在上说运行中可已看出，从一对线性差分位移测量区间段转换到，另一对线性差分位移测量区间段之间不存在相邻电极之间的绝缘部分；而且每对线性差分位移测量区间段的起点和终点，都不是电极的零覆盖量(即动极板电极和定极板电极未覆盖)。这种在一对差分电容线性位移测量区内斩头除尾，只取其中间最好的线性部分用于位移测量段，保证了最佳线性位移测量的方法是现有技术测量方法无法做到的。

图5是本发明电容传感器定极板电极排列佈置图。上部大的矩形电极是大数电极，每三个相邻电极共连在一端接一个电阻，电阻另一端接至E端，E端是接地端，这些都是在定极板的背面用虚线画的；下部小的矩形电极是小数电极，各个电极也是在背面共连在一起，接至E端。

图6是本发明电容传感器动极板电极排列佈置图。上部大的矩形电极是大数电极，分别是A、C、 B和D四个部分；下部小的矩形电极是小数电极，分别是a、c、b和d四组，同一组电极也是在背面共连在一起。

图7是本发明用单稳态触发器把电容变化量转换为脉冲的宽度量电路框图。图中1MT和2MT是单稳态触发器。1A和2A是二端输入的与门电路，也就是细分电路。1G是含有所需频率的振荡源。1SCM是单片微型计算机。1RC和2RC是被测的一对差分电极的电容传感器。例如用在CN86106551栅形电容位置传感器的专利中，1RC是粗测部分，2RC是它的精瞄部分；其中1C₁和1C₂是粗测部分的一对差分电容，2C₁和 2C₂是精瞄部分的一对差分电容，1R和2R分别是粗测部分和精瞄部分的共用电阻。

在1RC中1C₁和1C₂是粗测部分的一对差分电容，分别有开关1K₁₁是控制1R与1C₁相连接，再有 1K₁₂通过连线1与单稳态触发器1MT相连接，同样的1K₂₁是控制1R与1C₂相连接，再有1K₂₂通过连线3与单稳态触发器1MT相连接，上说四个开关通过连线2与振荡源1G相连接，振荡源1G通过连线15与单片微型计算机1SCM相连接，有单片微型计算机1SCM通过振荡源1G与上说四个开关的控制，用同一个单稳态触发器1MT电路，先后依次测量两个差分电容(1C₁与1C₂)的两个脉冲宽度量，所用的测量元件(如单稳态触发器1MT和电阻1R)完全相同，无需用电位器调节电路的平衡，两个差分电容(1C₁与1C₂)先后测量时间之差最多是毫秒级，测量中两个差分电容(1C₁与1C₂)在这短暫时间内不存在零漂问题；

单稳态触发器1MT通过连线4和二端输入的与门1A电路相连接，二端输入的与门1A又通过连线 11与振荡源1G相连接，单稳态触发器1MT的输出脉冲和振荡源1G的高频脉冲，经二端输入的与门1A的细分电路，分成以最小细分单位的脉冲宽度组成的一个脉冲串，这个脉冲串通过连线13输出至单片微型计算机；有单片微型计算机进行计数与控制。

同样的在2RC中2C₁和2C₂是精瞄部分的一对差分电容，分别有开关2K₁₁是控制2R与2C₁相连接，再有2K₁₂通过连线8与单稳态触发器2MT相连接，同样的2K₂₁是控制2R与2C₂相连接，再有2K₂₂通过连线 6与单稳态触发器2MT相连接，上说四个开关通过连线7与振荡源1G相连接，振荡源1G通过连线15与单片微型计算机1SCM相连接，有单片微型计算机1SCM通过振荡源1G与上说四个开关的控制，用同一个单稳态触发器2MT电路，先后依次测量两个差分电容(2C₁与2C₂)的两个脉冲宽度量，所用的测量元件(如单稳态触发器2MT和电阻2R)也完全相同，无需用电位器调节电路的平衡等与1RC的测量完全相同不再重说。

单稳态触发器2MT通过连线9和二端输入的与门2A电路相连接，二端输入的与门2A又通过连线 12与振荡源1G相连接，单稳态触发器2MT的输出脉冲和振荡源1G的高频脉冲，经二端输入的与门2A的细分电路，分成以最小细分单位的脉冲宽度组成的一个脉冲串，这个脉冲串通过连线14输出至单片微型计算机；有单片微型计算机进行计数与控制。

单片微型计算机有粗测部分和精瞄部分给的输入，进行计数与分析比较给出结果。

上说是用分立元件组成的电路加以举例说明。集成微型电容式精密位置瞄准器时，只是添加遥控等件和编制不同的软件。

图8是本发明电容型线性位移测量系统电路框图。图中图中3MT和4MT是单稳态触发器。3A和 4A是二端输入的与门电路，也就是细分电路。2G是含有所需频率的振荡源。2SCM是单片微型计算机。3RC 和4RC是被测的四组电极组成的八对差分电容传感器；3RC是大数组部分，4RC是小数组部分。

在大数组的3RC中，3C₁、3C₂、3C₃和3C₄分别是大数组的A、B、C和D四组电极的电容。3R是这四组电容共用的电阻。Rm是定极板上的电极中每相邻的三个电极共并连的一个电阻，用于大数组的周期数，它是与3C₁、3C₂、3C₃和3C₄串连，由3K₁、3K₂、3K₃和3K₄是分别控制3R与3C₁、3C₂、3C₃和3C₄的连接，再有3K₀通过连线17与单稳态触发器3MT相连接，上说四个开关通过连线16与振荡源2G相连接，振荡源 2G通过连线27单片微型计算机2SCM相连接，有单片微型计算机2SCM通过振荡源2G与上说四个开关的控制，用同一个单稳态触发器3MT电路，并按如下次序控制四组开关进行测量，先测A、B、C和D四组电容之和(简称先测量四组电容之和)，此后分四次，从A、B、C和D中依次选出三组电容之和(简称后四次三组之和)的方式测量。这就是由上说开关和单片微型计算机所组成所说的时序开关电路。

每次测量后的单稳态触发器的输出脉冲宽度量，都是有单稳态触发器3MT通过连线18和二端输入的与门3A电路相连接，二端输入的与门3A又通过连线24与振荡源2G相连接，单稳态触发器3MT的输出脉冲和振荡源2G的高频脉冲，经二端输入的与门3A的细分电路，分成以细分单位的脉冲宽度组成的一个脉冲串，这个脉冲串通过连线26输出至单片微型计算机；有单片微型计算机进行计数与控制。最后再用四组并联电容量之和减去三组并联电容量之和的差，分别求出每组电容量；这有单片微型计算机来完成。

同样的在小数组的4RC中，4C₁、4C₂、4C₃和4C₄分别是小数组的a、b、c和d四组电极的电容。 4R是这四组电容共用的电阻.4K₁、4K₂、4K₃和4K₄是分别控制4R与4C₁、4C₂、4C₃和4C₄的相连接，再有4K₀通过连线23与单稳态触发器4MT相连接，上说四个开关通过连线21与振荡源2G相连接，振荡源2G通过连线27单片微型计算机2SCM相连接，有单片微型计算机2SCM通过振荡源2G与上说四个开关的控制，用同一个单稳态触发器3MT电路，并按如下次序控制四组开关进行测量，先测a、b、c和d四组电容之和(简称先测量四组电容之和)，此后分四次，从a、b、c和d中依次选出三组电容之和(简称后四次三组之和)的方式测量。

每次测量后的单稳态触发器的输出脉冲宽度量，都是有单稳态触发器4MT通过连线22和二端输入的与门4A电路相连接，二端输入的与门4A又通过连线25与振荡源2G相连接，单稳态触发器4MT的输出脉冲和振荡源2G的高频脉冲，经二端输入的与门4A的细分电路，分成以最小细分单位的脉冲宽度组成的一个脉冲串，这个脉冲串通过连线28输出至单片微型计算机；有单片微型计算机进行计数与控制。最后再用四组并联电容量之和减去三组并联电容量之和的差，分别求出每组电容量；这有单片微型计算机来完成。

单片微型计算机综合上说，进行计算和比较，给出大数组与小数组之和的总数；输给显示单元等。

图7和图8的电路元件、控制和功能都基本相似或相同。也可用于集成微型CMOS电容接近开关或微型电容编码器只是作些部分修改即可。这说明它可以制成同一个专用件，通过外接件和软件的不同来适合不同功能所需。

以上所说仅为本发明实施的范例，并非用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，作任何增减或修改、或等同替换等，都应包含在本发明保护范围之内。

Claims (11)

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d_c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d_c是相同不变的，有了这单位电容变化量的位移量d_c，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d_c，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b_s和间隙宽度a_s为一周期t_s＝a_s+b_s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的，用N表示，N分别为0、1、2...7，在大数段八个线性差分位移测量区间中，所选定的第N个区间的区间数，有测量时所测量的大数组的四组电容值比较所确定，也就是所说的大数组的四组电极与定极板电极所组成的电容量的状态 待征所选定；大数段超出一个矩形电极的宽度和间隙宽度为一周期或称节距时，由定极板上的电极中每相邻的三个电极共并连的一个电阻阻值是各不相同来区分；不同的阻值就是三个电极不同的周期数；

所说周期数，是在定极板上的电极中，每相邻的三个电极共并连的一个电阻阻值是Rm，每一个电阻阻值Rm中三个电极的周期数，分别是第一个电极的周期数用FE-m表示，FE-m＝3×m+0＝3×m、第二个电极的周期数用SE-m表示，SE-m＝3×m+1和第三个电极的周期数用TE-m表示，TE-m＝3×m+2；其中m是区别不同电阻阻值Rm中的脚注m，分别为0、1、2、3...等自然数；当m＝0时，第一个电极的周期数FE-0＝0、第二个电极的周期数SE-0＝1和第三个电极的周期数SE-0＝2；当m＝1时，FE-1＝3、SE-1＝4和TE-1＝5；当m＝2时，FE-2＝6、SE-2＝7和TE-2＝8；...等；这m、FE-m、SE-m和TE-m值的判别，有小数组的四组电容值之和与大数组的四组电容值之和的比值来确定；

所说周期数，是在定极板上的电极中，每相邻的三个电极共并连的一个电阻Rm，并非是唯一的，也可两个或四个电极共并连的一个电阻Rm，跟据测量中最佳状态来确定；

所说小数组是大数段的余数，小数组电容传感器在定极板上，一个矩形电极的宽度和间隙宽度为一周期或称节距内，由小数组的八个线性差分位移测量区间组成的，用n表示，n分别是0、1、2...7，所说小数段八个线性差分位移测量区间中所选定的第n个区间的区间数，有测量时所测量的小数组的四组电容值比较所确定，也就是所说的小数组的四组动电极与定极板电极所组成的电容量的状态特征所选定；超出小数组电容传感器在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时便是大数组；

所说小数段后的余数是尾数；所说尾数是用差分电容位移量的转换基准和细分方法来求解和细分；

所说大数组和小数组的组合的次序是，先有大数组中确定周期数中每相邻的三个电极共并连的一个电阻阻值是Rm，由电阻Rm中确定三个电极的周期数，若是第一个电极FE＝3×m、或第二个电极是SE-m＝3×m+1、或第三个电极是TE＝3×m+2，其中m就是电阻Rm中的脚注m，判别好这m、FE-m、SE-m和TE-m值，此后确定大数段N，大数段N的余数是小数组，再从小数组中确定小数段n，最后是选定小数段的余数是尾数，尾数是用差分电容位移量的转换基准和细分方法来求解和细分；

所说绝对位置的测量方法是大数组测量和小数组测量的组合；如果不用大数组电容传感器测量，仅有小数组电容传感器测量，这就是增量式电容型位移测量；

所说测量电路是包括有差分电容变化量转换为脉冲宽度量和细分方法；其中有单稳态触发器、脉冲宽度细分电路、时序开关电路和单片微型计算机所组成；

所说单稳态触发器是两个精密单稳态触发器，分别用来把小数组电容传感器和大数组电容传感器的电容变化量转换为脉冲宽度变化量，它有单片微型计算机分别控制小数组和大数组的单稳态触发器的触发，并由时序开关电路的先测量四组并联电容之和简称先四组之和，此后分四次测量三组并联电容之和简称后四次三组之和的方式，分别控制小数组的四组电容传感器和大数组的四组电容传感器的依次测量，单稳态触发器的输出脉冲宽度量，由脉冲宽度细分电路分成一个脉冲串输至单片微型计算机，其中小数组细分后的脉冲串的每一个脉冲宽度，是取决于最小细分单位的脉冲宽度；

所说最小细分单位的脉冲宽度脉冲是有高频方波振荡器产生；或有单片微型计算机提供；

所说脉冲宽度细分电路是把单个宽度大的脉冲细分为脉冲串，便于单片微型计算机计量单个脉冲的宽度，也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；

所说时序开关电路的先测量四组之和，与后四次三组之和与差的方式是指先测量四组并联电容量之和，后分四次测量三组并联电容量之和，最后再用四组并联电容量之和减去三组并联电容量之和的差，分别求出每组电容量，这有单片微型计算机来完成；

所说单片微型计算机是用于小数组电容传感器和大数组电容传感器的四组电容测量的时序控制检测、检测后的存储、小数组和大数组的四组电容值的比较、计算、控制和输出显示。

7.一种实施权利要求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微型电容式精密位置瞄准器，其特征是：它包括有单稳态触发器、脉冲宽度细分电路、单片微型计算机、显示件和壳体集成为一体的微型电容式精密位置瞄准器。

8.按权利要求 7所述的微型电容式精密位置瞄准器，其特征是，动极板和定极板是相对而言，可以互换，动极板或定极板的电极可腐制在被测件所要测量的一面，或制成簿带状如同胶带纸样贴在被测件所要测量的一面，或动极板直接固定在被测件上，这种非接触测量，不干扰微机械的动态特性，通过单片微型计算机的软件把单一的位置测量变成位置、位移、速度、振幅和頻率的多参数的测量，在集成电路中加上无线接收部件，用遥控器的发射件遥控测量参数的变换或多参数同时测量。

9.一种实施权利要求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微型电容编码器，其特征是：它包括有单稳态触发器、脉冲宽度细分电路、单片微型计算机、显示件和壳体集成为一体的微型电容编码器。

10.按权利要求9所说的微型电容编码器，其特征是动极板和定极板是相对而言，可以互换，动极板或定极板的电极可腐制在被测件所要测量的一面，或制成簿带状如同胶带纸样贴在被测件所要测量的一面，或动极板直接固定在被测件上，这种非接触测量，不干扰微机械的动态特性，通过单片微型计算机的软件把单一的位置测量变成位置、位移、速度、振幅和頻率的多参数的测量，在集成电路中加上无线接收部件，用遥控器的发射件遥控测量参数的变换或多参数同时测量。

11.按权利要求6所说的电容型线性位移测量系统中的电容传感器，其特征是：把电容传感器动极板电极是左右两侧集中排列，左侧集中的是A和C两组，右侧集中的是B和D两组，改为A、C、B、D和C、A、D、B的分散排列。