CN104677390A - 电容式传感器及组合电容式位移测量传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容式传感器及组合电容式位移测量传感系统，具有至少一个固定部件STATOR，具有电连接在一起的按预定的距离分布的m个导电极片的第一电容极片组，和电连接在一起的按预定的距离分布的m个导电极片的第二电容极片组，两组极片交替排列在电绝缘基底上；至少一个运动部件MOVER，具有n个接地电极片；固定部件STATOR的电容极片与运动部件MOVER的接地极片形成可变电容；运动部件MOVER以某种可控方式相对于固定部件STATOR运动改变可变电容器的重叠面积，使其电容量发生变化，可反映位移。还包括用于测量电容组电子信号、得到位移数据的信号处理系统；通过对极片形状和布局的设计得到可变电容之间的相互补偿减小电容间隙变化的影响，完成高精度大量程相对及绝对位移测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容式传感器及组合电容式位移测量传感系统，具体涉及一种利用电容极片相对面积的变化以测量位移的传感器及其组合电容器式位移测量的系统。
背景技术
人们已经知道两个平行导体电极可以形成一个电容器，电容器的电容量与平行电极间的介质的介电常数近于正比，与两个极片的相对（重叠）面积成正比，与两个极片之间的间隙成反比。因此电容量的大小随着两个极片之间相对面积和间隙距离的变化而变化。本领域的技术人员已经应用上述原理来制造各种传感器，包括位移（位置）测量传感器。
根据上述原理，可以通过两种方法利用电容来测量位移。一种方法是检测由于电容的两个极片的间隙变化引起的电容变化，此时运动方向垂直于极片表面。电容器的电容量对间隙的变化非常敏感，特别是当间隙非常小时。同时，制造技术比较容易得到很小的间隙变化而几乎没有相对重叠面积的变化。现在的纳米定位系统中广泛采用用这种方法。这种传感器可以测量小到几个皮米的位移量，但其最大量程只在几百个微米内。
另外一种方法是检测由两个电容的平行极片相对重叠面积变化所引起的电容量变化，此时运动平行于极片表面。由于制造简单和生产成本低等原因，市场需求这种基于面积变化原理的传感器，但遇到极大挑战，在实际应用中是非常困难的。这是因为，这种简单的电容器当电极在平行方向运动来产生测量重叠面积变化时，很难保证极片之间的间隙不会产生变化，以致测量信号不能单一表征来自重叠面积变化，会造成测量误差。如前上述，间隙变化对电容器的电容量的影响是非常敏感的，比如在100μm间隙的电容器中，1μm的变化将会造成百分之一的电容量的变化。工业化生产中，对机械式运动的另部件来 说，100μm的间隙是可以做到的而且是常有的，但1μm的公差是很难做到的。大部分应用场合，百分之一的不确定性误差是难以接受的。由于很难控制间隙的变化，所以也很难制造出这种基于面积变化的高精度位移测量传感器，因此，需要开发一种技术能够在对重叠面积时大大减小相变化间隙变化所带来的不良影响。
发明内容
本发明为克服上述问题，开发了一种电容式传感器，包括：至少一个固定部件STATOR，每个组合固定部件STATOR包括：
一个电绝缘基底，其上具有电连接在一起的m个极片导电极片电连接在一起组成的第一电容极片组，和电连接在一起的m个极片导电极片电连接在一起组成的第二电容极片组，第一电容极片组和第二电容极片组的中极片的数目相等、形状相同，且交替、等间距地排列在所述电绝缘基底上；
至少一个可相对于固定部件STATOR线性移动/转动的运动部件MOVER，运动部件MOVER的数量与固定部件STATOR的数量相同，每个运动部件MOVER包括：
一个电绝缘基底，其上具有由n个等间距排列的接地极片组成的接地极片组，所述接地极片的形状相同，且电连接在一起形成接地极片组；n小于或等于m；
其中，运动部件MOVER的每个接地极片在其运动方向的宽度大小，使其在移动或转动过程中，与所述固定部件STATOR中的第一电容极片组的一个电容极片和第二电容极片组的一个电容极片组成两个可变电容器，从而运动部件MOVER的接地极片组与固定部件STATOR中的第一电容极片组和第二电容极片组组成两个可变电容组。
在本发明的一个实施方式中，不同固定部件STATOR中的相应极片一一对正，不同运动部件MOVER中的相应极片一一对正，来自不同固定部件STATOR的一对相对应对正的极片和一个接地极片构成一对可变电容器。构成了直接补偿结构。
在本发明的另一个实施方式中，在同一固定部件STATOR上的分别来自 第一电容极片组和第二电容极片组的一对相邻极片与相对应的一个接地极片一起构成一对可变电容器。构成了差分补偿结构。
本发明优选的是，所述极片呈矩形或扇形或三角形或圆三角形的平面结构，或圆筒形或具有矩形结构的部分圆筒形或具有三角形结构的部分圆筒形曲面。
在本发明的一个优选的实施例中，(Wg+Wgs)=2*(Wc+Wcs),Wcs≤Wc，Wc≤Wg≤(Wc+2*Wcs),Wc和Wg分别表示固定部件STATOR中极片、运动部件MOVER中极片的宽度或角宽度,Wcs和Wgs表示固定部件STATOR、运动部件MOVER中相邻两个极片之间的距离或角距离。
在本发明的另一个优选的实施例中，当所述极片呈矩形平面结构时，Wc的取值在0.001mm至200mm之间，Wcs的取值在0.001mm至200mm之间,Lc的取值在0.005mm至200mm之间，Wc表示固定部件STATOR中极片的宽度,Wcs表示固定部件STATOR中相邻两个极片之间的距离，Lc表示固定部件STATOR中极片的长度。
在本发明的另一个优选的实施例中，当所述极片呈扇形平面结构或部分圆筒形曲面时，Wc的取值在0.001°至180°之间，Wcs的取值在0.001°至270°之间,Lc的取值在0.1mm至200mm之间，Wc表示固定部件STATOR中极片的角宽度,Wcs表示固定部件STATOR中相邻两个极片之间的角距离，Lc表示固定部件STATOR中极片的转动半径。
在本发明的另一个优选的实施例中，Lc≠Lg,Lc表示固定部件STATOR中极片的转动半径，Lg表示运动部件MOVER中接地极片的转动半径。
在本发明的另一个优选的实施例中，包括至少两个固定部件STATOR，所述不同固定部件STATOR之间的极片在运动部件MOVER的运动方向上相互错开Wss的距离，且Wss=（Wc+Wcs）/2，其中Wc表示固定部件STATOR中极片的宽度或角宽度，Wcs表示固定部件STATOR中相邻两个极片之间的距离或角距离；或
包括至少两个运动部件MOVER，所述不同运动部件MOVER之间的极片在其运动方向上相互错开Wss的距离，且Wss=（Wc+Wcs）/2，其中Wc表示固定部件STATOR中极片的宽度或角宽度，Wcs表示固定部件STATOR中 相邻两个极片之间的距离Wcs或角距离。
优选的是，进一步包括用于粗测量的固定部件STATOR和运动部件MOVER，其中该固定部件STATOR具有两个极片，该两个极片的宽度或角宽度记为Wcl，该运动部件MOVER上有一个接地极片，该极片的宽度或角宽度记为Wsl，
Wcl≤Wc*m+Wcs*（m-1）
Wsl≤（Wc+Wcs）*m
其中，m表示的是固定部件STATOR中各细测极片组所包含的极片个数,Wc表示的是固定部件STATOR中细测极片的宽度或角宽度,Wcs表示的是固定部件STATOR中相邻细测极片之间的距离或角距离。
本发明优选的是，所述固定部件STATOR的电绝缘基底设有电屏蔽层。
本发明优选的是，固定部件STATOR和运动部件MOVER用印刷电路的方法、薄膜沉积的方法或印刷电子的方法来制造。
本发明优选的是，运动部件MOVER由金属薄片或薄管制成，金属薄片或薄管的两个面分别作为接地极与多个固定部件STATOR形成多个可变电容组。
本发明还提供了一种包括上述电容式传感器的组合电容式位移测量传感系统，还包括：
用于测量所述第一电容极片组和所述第二电容极片组电子信号、得到位移数据的信号处理系统，其中，信号处理系统的接地端与所述接地极片组连接。
按照本发明的组合式电容器测量系统，通过对极片形状和布局的设计得到可变电容之间的相互补偿来减小电容间隙变化的影响，实现精准的大量程绝对位移测量，例如：量程大于1m而分辨率为纳米级的直线位移测量；又如：360°全方位而精度为角秒级的角度位移测量。
附图说明
图1a是本发明中电容式传感器的一个实施例的侧视图，该实施例包括两个固定部件STATOR和一个双侧运动部件MOVER，图中还示出它们构成电容极片的几何结构。
图1b是图1a实施例的顶视图，该实施例示出固定部件STATOR的电容极片和运动部件MOVER的接地极片的相互作用。
图2示出图1实施例如何产生和消除电容，以及电容器的编号。
图3是本发明组合电容式位移测量传感系统的电路连接框图。
图4是本发明组合电容式位移测量传感系统的另一个电路连接框图。
图5是图1实施例的数字输出曲线的举例，其中示出了死区。
图6是本发明传感器的一个消除死区的实施例的俯视图，该实施例包括两个极片错开Wss的固定部件STATOR和两个一一对正的运动部件MOVER，图中还示出它们构成的几何结构。
图7是图6实施例的数字输出曲线的举例，其中示出了死区是如何被本实施例所补偿的。
图8是实现图7曲线的另一个实施例的俯视图，包括两个一一对正的固定部件STATOR和两个接地极片错开Wss的运动部件MOVER，还示出它们构成的几何结构。
图9是实现图7曲线的图6实施例的侧视图，还示出它们构成的几何结构。
图10是实现图7曲线的图8实施例的侧视图，还示出它们构成的几何结构。
图11a、图11b是运动部件MOVER的两个制造实施例。
图12a至图12c是具有粗测功能的组合电容测量传感系统的结构示意图。
图13a是本发明的用于组合电容绝对测量线性传感系统的完整装配的一个实施例。
图13b、图13c是图13a中固定部件STATOR和运动部件MOVER的结构示意图。
图14a是用于组合电容绝对测量线性传感系统的完整装配的结构示意图。
图14b是图14a中固定部件STATOR、运动部件MOVER的结构示意图。
图15a是用于组合电容绝对测量角度传感系统的完整装配的结构示意图。
图15b是图15a中固定部件STATOR、运动部件MOVER的结构示意图。
图16a是全方位360度量程的完整的角度位移传感器。
图16b示出固定部件STATOR和运动部件MOVER的部分分解图。
具体实施方式
为了使本发明解决的技术问题、采用的技术方案、取得的技术效果易于理解，下面结合具体的附图，对本发明的具体实施方式做进一步说明。
参考图1a，本发明提供的电容式传感器100包括至少一个固定部件STATOR，这里示出两个，固定部件STATOR-1 104和固定部件STATOR-2 105。固定部件STATOR-1 104包括第一电容极片组11，其具有m个等间距分布的导电极片，记为11-1、11-2…11-n…11-m；还包括第二电容极片组12，其具有m个等间距分布的导电极片，记为12-1、12-2…12-n…12-m。固定部件STATOR-2 105包括第一电容极片组13，其具有m个等间距分布的导电极片，记为13-1、13-2…13-n…13-m；还包括第二电容极片组14，其具有m个等间距分布的导电极片，记为14-1、14-2…14-n…14-m。所述各极片形状相同。电容式传感器100还包括与固定部件STATOR数量相等的运动部件MOVER106，这里也示出2个，运动部件MOVER-1和运动部件MOVER-2。运动部件MOVER-1包括第一接地极片组15，其具有n个等间距分布的接地极片，分别记为15-1、15-2……15-n，n≤m；运动部件MOVER-2包括第二接地极片组16，其具有n个等间距分布的导电极片，分别记为16-1、16-2……16-n，n≤m。各接地极片形状相同。其中，固定部件STATOR-1和固定部件STATOR-2中的第一电容极片组、第二电容极片组中的m可以相等，为正整数。第一接地极片组15、第二接地极片组16中的n可以相等，亦为正整数。n的数值小于或等于m的数值。
固定部件STATOR-1 104中的第一电容极片组11和第二电容极片组12位于电绝缘基底17的同一侧，电绝缘基底17的另一侧可选择性地设有电屏蔽层18。第一电容极片组11、第二电容极片组12、电绝缘基底17、电屏蔽层18构成了一个组合单元，作为传感器中的固定部件STATOR-1 104。
固定部件STATOR-2 105中的第一电容极片组13和第二电容极片组14位于电绝缘基底19的同一侧，电绝缘基底19的另一侧可选择性地设有电屏蔽层20。第一电容极片组13、第二电容极片组14、电绝缘基底19、电屏蔽层20构成了另一个组合单元，作为传感器中的固定部件STATOR-2 105。
第一接地极片组15和第二接地极片组16分别位于电绝缘基底21的两侧，第一接地极片组15、第二接地极片组16、电绝缘基底21构成了一个组合单元，作为传感器中的运动部件MOVER106（包括MOVER-1和MOVER-2）。
请注意,本发明这里的实施例示出了电容式传感器的两个组合单元的情况，对于一个组合单元或多个组合单元的情况，本发明也是可以实施的。
作为一个实施例，电屏蔽层18、20是可选部件，不是必备部件。
固定部件STATOR-1 104和固定部件STATOR-2 105基本平行布置，运动部件MOVER106能够相对于固定部件STATOR-1 104、固定部件STATOR-2 105以基本平行的方式运动。
仍参考图1a，固定部件STATOR-1 104中，第一电容极片组11中的第一块极片11-1与第一接地极片组15中的第一块极片15-1之间的距离记为间隙d1-1；第二电容极片组12中的第一块极片12-1与第一接地极片组15中的第一块极片15-1之间的距离记为间隙d2-1。在固定部件STATOR-2 105中，第一电容极片组13中的第一块极片13-1与第二接地极片组16中的第一块极片16-1之间的距离记为间隙d3-1；第二电容极片组14中的第一块极片14-1与第二接地极片组16中的第一块极片16-1之间的距离记为间隙d4-1。间隙d1-1、间隙d2-1、间隙d3-1、间隙d4-1可以基本是相等的，例如在图1的实施例中，在允许的制造、装配公差范围内不会显著降低测量精度。
图1b是图1a的俯视图。参考图1b，各个电容极片组中极片的宽度和长度分别记为Wc和Lc，第一电容极片组11中的极片与第二电容极片组12中的极片交错布置，且相邻的两个极片之间的距离记为Wcs。各个接地极片组中极片的宽度和长度分别记为Wg和Lg。第一接地极片组15中两个相邻极片之间的距离记为Wgs。在一些具体的实施方式中，Lg的值可以大于或小于Lc的值，但是不能等于Lc的值，以保证电容器在长度方向的重叠基本不变。
继续参考图1a、图1b，极片11-1与接地极片15-1之间重叠的宽度记为X1-1，其重叠面积A1-1基本上等于宽度X1-1与极片长度Lc之间的乘积（以Lg大于Lc为例）。基于同样的道理，极片12-1与接地极片15-1之间重叠的宽度记为X2-1；其重叠面积A2-1基本上等于宽度X2-1与极片长度Lc之间的乘积；极片13-1与接地极片16-1之间重叠的宽度记为X3-1；其重叠面积A3-1 基本上等于宽度X3-1与极片长度Lc之间的乘积；极片14-1与接地极片16-1之间重叠面的宽度记为X4-1；其重叠面积A4-1基本上等于宽度X4-1与极片长度Lc之间的乘积。这些重叠面积的变化与运动部件MOVER106的位移X成线性关系。例如在第一电容极片组的第一块极片11-1中，A1-1的计算公式如下：
A1-1=X1-1*Lc=（Wc-X）*Lc 式1；
在第二电容极片组12的第一块极片12-1中，A2-1的计算公式如下：
A2-1=X2-1*Lc=（Wg+X-Wc-Wcs）*Lc 式2；
由此，就可以通过位移的变化来表示覆盖面积的变化，而覆盖面积的变化与所引起的电容量变化成正比。基于上述原理，由电容极片组中的极片K-i和接地极片组中的极片G-j即可组成一个可变的电容器CK-j。例如，第一电容极片组11中的极片11-1和第一接地极片组15中的极片15-1组成一个具有电容与（A1-1/d1-1）的值成比例关系的电容器C11-1。进一步地，第一电容极片组11中的极片11-2和第一接地极片组15中的极片15-2组成一个电容器C11-2；基于同样的道理，极片12-1、极片15-1组成C12-1；极片13-1、极片16-1组成C13-1；极片14-1、极片16-1组成C14-1；极片11-n、极片15-n组成C11-n；极片12-n、极片15-n组成C12-n；极片13-n、极片16-n组成C13-n；极片14-n、极片16-n组成C14-n等；电容器C11-2的电容量与（A1-2/d1-2）的数值成比例关系；电容器C12-1的电容量与（A2-1/d2-1）的数值成比例关系；电容器C13-1的电容量与（A3-1/d3-1）的数值成比例关系；电容器C14-1的电容量与（A4-1/d4-1）的数值成比例关系，等等。
在上述列举的四个电容极片组中，共有（m-n）个极片不能与接地极片组中的极片组成电容器。但是当运动部件MOVER106移动的时候，一些电容器消失的同时又会有新的电容器产生，且消失的电容器与新产生电容器的数量相等，即，当系统总的电容容量随着重叠面积的变化而变化时，在移动的过程中，其电容器的数目是保持不变的。
由电容极片组K与接地极片组G形成的电容器可以并联。如图2所示的实施中，共有四个电容组，分别为C11、C12、C13、C14。可以将C11和C13在上下垂直方向相对齐以致使这两个一一对齐的电容组可以并联使用，叠加在 一起形成直接补偿。C12和C14也可以叠加在一起形成直接补偿。
固定部件STATOR-1 104中第一电容极片组11的极片和固定部件STATOR-2 105中第一电容极片组13的极片位于不同的基底上，他们之间是互相对齐的，该两个第一电容极片组中的极片在装配或制造的公差范围内一一对齐；类似地，两个第二电容极片组之间也具有上述相同的一一对齐的结构；第一接地极片组15和第二接地极片组16也是一一对齐的。由成对极片组成的电容器，可直接补偿非理想方向上运动所引起的各自电容变化，例如补偿极片在垂直运动方向上所带来的电容量变化，从而减小整体测量误差。例如，电容器C11-1的间隙d1-1增大/减小时，电容器C13-1的间隙d3-1却减小/增大，恰好可以相互直接补偿电容的变化。所以，电容组C11和C13之间以及C12和C14之间可以形成叠加直接补偿，以减小间隙变化对测量精度的影响。
不同于电容组C11和C13之间的叠加直接补偿，电容组C11和C12的布置构成了C11和C12之间的差分补偿；类似地，C13和C14也具有相同作用。
参考图1a，电容器C11-1可以由极片11-1和极片15-1组成，其与由极片12-1和极片15-1组成的电容器C12-1之间可形成差分补偿。例如，当运动部件MOVER106移动至其循环周期的一半时，接地极片15-1与电容极片11-1的重叠宽度等于接地极片15-1与电容极片12-1的重叠宽度，电容器C11-1和电容器C12-1之间形成了全额差分补偿。故，电容组C11和电容组C12之间亦可形成差分补偿，C13和C14之间也可形成差分补偿，来消除例如垂直方向的位移对电容量变化的影响。
参考图1a，多个电容组之间可以布置形成一个差分补偿和直接补偿相互作用的组合，可以更好地消除间隙变化对电容量变化的影响。电容组C11可以和电容组C13形成直接补偿结构，和电容组C12形成差分补偿机构。电容组C12可以和电容组C14形成直接补偿结构，和电容组C11形成差分补偿结构。电容组C13可以和电容组C11形成直接补偿结构，和电容组C14形成差分补偿结构。电容组C14可以和电容组C12形成直接补偿结构，和电容组C13形成差分补偿结构。
可以通过现有的一些方法在绝缘基底上制造电容极片组、接地极片组的重复图案。这些方法包括但不限于印刷电路板或薄膜沉积（thin film deposition） 或印刷电子(printed electronics)的方法。用于电极的导电材料包括但不限于铜、银、金、铝及其合金，还包括涂料和油墨；绝缘基底材料包括但不限于各种树脂层压板、玻璃、陶瓷、塑料片材、管等。
参考图1b，电容极片组中极片的宽度和长度分别记为Wc和Lc，Wc的尺寸可在0.001mm-1000mm之间，例如选择在0.01mm-200mm之间。Lc的尺寸在0.1mm-1000mm之间，例如选择在0.1mm-200mm之间。相邻的两个电容极片组中极片间的距离记为Wcs。其中Wcs的尺寸范围在0.001mm-200mm之间。接地极片组中极片的宽度和长度分别记为Wg和Lg，第一接地极片组15中极片间的距离，以及第二接地极片组16中极片间的距离记为Wgs。它们之间的关系是：Wg+Wgs=2*（Wc+Wcs），在某些实施例中，它们之间满足以下公式：Wc≤Wg≤（Wc+2*Wcs）。
进一步地，接地极片组中极片的长度Lg不等于电容极片组中极片的长度Lc，例如，Lg=Lc±（0.2mm-1mm），以保证在极片长度方向两个电容极片的重叠长度不变。本发明中极片的形状都可以采用矩形，当然也可以是其它适合的形状。同时，电容极片组和接地极片组不仅仅局限于在一个平面或是扁平的。
图3是本发明组合电容式位移测量传感系统的电路连接框图。电容组C11、C12、C13、C14可以连接到电子信号处理单元800中，接地极片可通过导电元件连接到处理单元的接地端801，电子信号处理单元800可以是一任意满足需求的信号处理器，包括但不限于模拟信号调节器、模拟信号至数字信号转换器、数字信号处理器等。该信号处理系统可以将数字输出。
在具体的实际应用中，可以分别单独测量电容组C11、C12、C13、C14的电容量，并经过电子信号处理单元800处理。在某些具体的实施方式中，例如在电容组C11和电容组C13组成的直接补偿结构中，C11和C13可以并联在一起，测量C11和C13并联后的数值并经过电子信号处理单元800进行处理。C12和C14也可以是如上的连接方式。这样，电子信号处理单元800就只需处理两个独立的测量值，简化后的测量电路框图如图4所示。电容组C11、C12、C13、C14和电子信号处理单元一起形成一个完整的电容位移测量传感系统。
图5示出了一个上述电容位移测量传感系统的数字输出曲线，由图中可见 该曲线具有循环特性，这种循环特性使得测量可以进行得无穷无尽。但是该曲线在其转折点的位置存在死区110，该区是不能用于测量的。对于差分补偿结构来说，死区的出现是因为相邻极片之间的间隙Wcs；对于直接补偿结构来说，死区的出现是因为极片的边缘不能做到纳米级别的精度。如果不解决死区的问题，测量只能局限于小于半个周期的范围内，不可能进行较大量程的测量。
参考图6，在一个具体的实施例中，可通过由两个电容式传感器组成的组合测量系统201来解决死区所带来的问题。该组合测量系统包括第一系统30和第二系统40，第一系统30和第二系统40的结构可以和前文介绍的电容式传感器100的结构相同，或者是该电容式传感器100中的一部分。
第一系统30包括由极片31-1、31-2……31-m等间距排列的电容极片组31，由极片32-1、32-1……32-m等间距排列的电容极片组32，由极片35-1、35-2……35-n等间距排列的接地极片组35。在本发明的一个具体实施方式中，为了表达方便，m取6，n取3，即电容极片组31、32中共有12个极片，且，电容极片组31中的极片与电容极片组32中的极片交替等间距排列在电绝缘基底37的同一侧，形成固定部件STATORs；接地极片组35中有3个极片等间距地排列在另一个电绝缘基底上，形成运动部件MOVERs。当运动部件MOVERs相对于固定部件STATORs平行移动时，电容极片组中的极片与接地极片组中的极片之间的发生重叠，面积变化，形成可变电容器C31-1、C31-2、C31-3、C32-1、C32-2、C32-3，此时，电容组C31和电容组C32可以组成一个差分补偿结构，来降低其他方向上的位移对电容变化的影响。第二系统40的结构与第一系统30相同。第一系统30中接地极片组中的极片也与第二系统40中接地极片组的极片一一对应，第二系统40中电容极片组中的极片相对于第一系统30中电容极片组中的极片错开了Wss的距离，此时，Wss=（Wc+Wcs）/2，其中Wc代表电容极片组中极片的宽度，Wcs代表电容极片组中两个相邻极片间的间距。
图7示出了组合测量系统201的信号输出曲线，其包含了一条由第一系统30输出的循环曲线U30和一条由第二系统40输出的循环曲线U40，每条循环曲线依然存在死区，但是Wss的存在使得两条循环曲线相互错开。在第一系统30循环曲线U30上死区的位置，第二系统40的循环曲线U40具有良好的 线性特性；同样的，在第二系统40循环曲线U40上死区的位置，系统40的循环曲线U40具有良好的线性特性。这样在测量的时候，可以交替选择使用第一系统30或第二系统40以避开死区的问题，从而可以进行大量程的测量。
图8示出了本发明的另一个实施方式的组合测量系统202，和组合测量系统201不同的是，Wss代表的是第二系统60中接地极片组65相对于第一系统50中接地极片组55错开的距离，Wss=（Wc+Wcs）/2，第一系统50中的电容极片组和第二系统60中的电容极片组一一对正。组合测量系统202显示的两条信号输出曲线和图7相同。
图9是实现图7曲线的、并与图6具有类似结构的电容式传感器的侧视图，示出它们构成的几何结构。图中,传感器203包括两个固定部件STATOR-1和STATOR-2，STATOR-1包括由极片71-1、71-2、71-3、71-4组成的第一电容极片组，以及由极片72-1、72-2、72-3、72-4组成的第二电容极片组，第一电容极片组与第二电容极片组中的极片交错等间距排列；STATOR-2包括由极片73-1、73-2、73-3、73-4组成的第一电容极片组，以及由极片74-1、74-2、74-3、74-4组成的第二电容极片组，该两个电容极片组中的极片交错等间距排列；固定部件STATOR-1中的电容极片组相对于固定部件STATOR-2中的电容极片组错开距离Wss；还包括双侧具有接地极片组（由极片75-1、75-2组成的接地极片组和由76-1、76-2组成的接地极片组）的一个运动部件MOVER（相当于两个运动部件MOVER），两组接地极片一一对应。
图10是实现图7曲线的、并与图8具有类似结构的电容式传感器的侧视图，示出它们构成的几何结构。图10的电容位移传感器204与图9的电容式传感器203的结构基本相同，区别仅在于，STATOR-1中的电容极片组相对于STATOR-2中的电容极片组一一对正，运动部件MOVERs的两组接地极片错开距离Wss。
运动部件MOVER可以按照常规技术制造，例如线切割技术。图11示出了运动部件MOVER的两种制造结构，例如，制造图1电容式传感器100中的由第一接地极片组15和第二接地极片组16构成的运动部件MOVER。图11a中，第一接地极片组15中的两个极片15-1、15-2可以设置在电绝缘基底21的上表面，并和测量系统的最终接地端电连接；第二接地极片组16中的两 个极片16-1、16-2设置在电绝缘基底21的下表面（未示出）。该运动部件MOVER可由普通的电路板制作工艺得到，例如PCB技术。图11b示出了一种单层导电基板的结构，该单层导电基板的表面可将第一接地极片组15和第二接地极片组16中的多个极片设置在同一表面，这种基板由于其体积小、厚度薄、质量轻等特点，可应用到响应要求较快的微型设备中。
上述描述的各种组合测量系统利用输出信号循环的特性可以提供一个较大量程的校对测量。也正是这一循环特性，当电源关闭后再启动时，人们无法得到该测量系统所处的位置，需要使用的时候，必须对其进行复位或归零的操作。下面介绍绝对测量的方法。
图12a至图12c示出了本发明的一种具有粗测功能的组合电容测量传感系统205的结构。该系统205包括三个电容式传感器，分别记为第一系统101、第二系统102、第三系统103。第一系统101、第二系统102用于精测，第三系统103用于粗测。三个系统的结构与图8的组合测量系统202的部分结构相似，构成了三个电容测量传感系统。
参阅图12a至图12c，第一系统101包括了由极片111-1、111-2……111-m等间距排列的第一电容极片组111，由极片112-1、112-2……112-m等间距排列的第二电容极片组112；由极片115-1、115-2……115-n等间距排列的第一接地极片组115。第一电容极片组111和第二电容极片组112位于电绝缘基底120的同一侧，形成固定部件STATORs的一部分。第一接地极片组115可通过线切割金属片得到，形成运动部件MOVERs的一部分。运动部件MOVERs相对于固定部件STATORs平行移动时，形成可变电容器C111-1、C111-2……C111-m以及C112-1、C112-2……C112-m。
基于同样的道理，第二系统102包括了电容极片组113和114，其第二接地极片组116相对于第一接地极片组115错开了Wss的距离，Wss=（Wc+Wcs）/2。第一系统101和第二系统102亦可呈现出如图7所述的曲线特性。
第三系统103只含有两个电容极片117、118，该两个电容极片位于电绝缘基底120上，形成固定部件STATORs的一部分，接地极片119与第一接地极片组115和第二接地极片组116中的极片一起通过线切割金属片得到，共同形成运动部件MOVERs，两个极片117、118的宽度Wcl和接地极片119的宽 度Wsl之间的关系如下：
Wcl≤Wc*m+Wcs*（m-1）；
Wsl≤（Wc+Wcs）*m。
其中，Wc为第一电容极片组中极片的宽度，Wcs代表来两个电容极片组中相邻两个极片之间的距离，第三系统103输出的是一个单向递增的线性曲线。
图13a给出了一种组合电容绝对测量线性传感系统300的一个具体结构示意图。固定部件STATOR301和运动部件MOVER302在移动的过程中会形成多个可变的电容器，测量传感系统300包括固定部件STATOR支架303和运动部件MOVER支架304，固定部件STATOR支架303的四角分别固定在定位柱支撑座311、312、313、314上，导向柱307的两端分别固定于定位柱支撑座311、314，导向柱308的两端分别固定于定位柱支撑座312、313。导向柱307和导向柱308上分别滑动配合有轴承305、306，两个轴承的下端和运动部件MOVER支架304固定连接。这样的结构，使得运动部件MOVER支架304在轴承305、306的驱动下沿着导向柱307、308相对于固定部件STATOR支架303做直线运动。其中，位于固定部件STATOR支架303中的固定部件STATOR301包括上述的第一系统、第二系统、第三系统中的电容极片组，固定于运动部件MOVER支架304上的运动部件MOVER302包括上述第一系统、第二系统、第三系统中接地极片组。
图13b给出了图13a的组合电容绝对测量线性传感系统300的俯视图和侧视图，每个系统中均含有两个电容极片组和一个接地极片组，而作为粗测量的第三系统，其每个电容极片组中各设有一个极片，作为一个实例，粗测的极片为三角形。
图14a、图14b给出了另一种组合电容绝对测量线性传感系统400的结构装配示意图。在该结构中，第一电容极片组401、第二电容极片组402和接地极片组403中的极片呈圆柱形。第一电容极片组401、第二电容极片组402固定在圆柱形电绝缘基底404的圆周表面上，形成该系统中的固定部件STATOR，例如可通过将一柔性电路板印刷在电绝缘基底404的圆周表面上。接地极片组403可通过切割导电金属管来制作，呈圆筒状，滑块409固定在接 地极片组403的外侧，接地极片组403的内腔中还固定有和滑块409同轴的导向柱408，圆柱形电绝缘基底404也设有内腔407，配合的时候，将电绝缘基底404插入接地极片组403的内腔中，同时，导向柱408插入电绝缘基底404的内腔中并与其滑动配合在一起。这样，圆柱形电绝缘基底404可以沿着接地极片组403做直线运动，为了防止圆柱形电绝缘基底404和接地极片组403之间相互转动，圆柱形电绝缘基底404的表面上沿其轴向可设有一道导向槽406，与接地极片组403内侧向下设置的突起405配合在一起。
上述描述原理也可以运用到角位移的测量上，参考图15a、图15b、图15c公开了一种组合电容绝对测量传感系统500，可应用于360°测量，包括第一固定部件STATOR501、第二固定部件STATOR502和运动部件MOVER503，第一固定部件STATOR501和第二固定部件STATOR502中的极片呈平面扇形交替地分布在一个圆周的基底上，同样的，运动部件MOVER503中的极片也是呈平面扇形等距离地分步在圆周的基底上，运动部件MOVER503和固定部件STATOR的基底为同心配合，当运动部件MOVER503的转动时候，运动部件MOVER503上的极片与第一固定部件STATOR501、第二固定部件STATOR502上的极片组成多个可变电容器。当然，对于本领域的技术人员来说，将固定部件STATOR的基座做成半圆形或四分之一圆形等也是可以直接想到的，不需要付出创造性的劳动。也可以在固定部件STATOR的圆周基底上设置两个扇形的极片，与运动部件MOVER配合在一起进行粗测量。在该实施例中，极片之间的覆盖面积的变化不再是矩形，其Wc代表的转动的幅度，Lc表示的是转动的直径，本说明书中Wss代表的是它们之间错开的角度。
图16a示出了另一种实施方式的组合电容绝对测量角度传感系统600，包括一具有圆柱形状的第一固定部件STATOR601、第二固定部件STATOR602、固定部件STATOR603、固定部件STATOR支架604、运动部件MOVER支架605，两个轴承607、608，还包括一个轴承座606，固定在运动部件MOVER支架605上的运动部件MOVER603可通过轴承607、608可相对于第一固定部件STATOR601、第二固定部件STATOR602旋转。
图16b示出了测量传感系统600的内部结构示意图，第一固定部件STATOR601包括四个电容极片组611、621、612、622，每个电容极片组包括 45个极片，其中电容极片组611、621中的极片交替等距离地分布在固定部件STATOR支架圆周表面的上半部，电容极片组612、622中的极片交替等距离地分布在固定部件STATOR支架圆周表面的下半部。极片的形状为具有矩形部分圆柱筒曲面。第二固定部件STATOR602也具有一个圆柱形的电绝缘基底，其具有三个较大的极片613、614、617，其中极片613、614的形状为三角形圆柱筒曲面，617的形状为具有矩形部分圆柱筒曲面。
运动部件MOVER603包括一个圆筒状的电绝缘基底，两组接地极片组615、616，每组分别设有45个极片，该两组接地极片组615、616布置在电绝缘基底的内侧，在其外侧还布置有两个接地极片618、619，当上述结构装配在一起后，电容极片组611与接地极片组615形成电容组C611，电容极片组621和接地极片组615形成电容组C621，电容极片组612和接地极片组616形成电容组C612，电容极片组622和接地极片组616形成电容组C622，电容极片613与接地极片618形成电容C613，电容极片614与接地极片618形成电容C614，电容极片617与接地极片619形成电容C617。
电容组C611和C621、电容组C612和C622分别构成了差额补偿结构中的精测量，电容组C613和C614构成了差额补偿结构中的粗测量等等。电容器C617可用于复位或归零。
本发明中提到的固定部件STATOR和运动部件MOVER均可用印刷电路的方法、薄膜沉积的方法或印刷电子的方法来制造，这种制造工艺术语现有的技术，在此不再进行赘述。
本发明已通过优选的实施方式进行了详尽的说明。然而，通过对前文的研读，对各实施方式的变化和增加也是本领域的一般技术人员所显而易见的。申请人的意图是所有这些变化和增加都落在了本发明权利要求所保护的范围中。
相似的编号通篇指代相似的元件。为清晰起见，在附图中可能有将某些线、层、元件、部件或特征放大的情况。
本文中使用的术语仅为对具体的实施例加以说明，其并非意在对本发明进行限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）均与本发明所属领域的一般技术人员的理解相同。
Claims (14)
1.一种电容式传感器，其特征在于，包括：
至少一个固定部件STATOR，每个固定部件STATOR包括：
一个电绝缘基底，其上具有m个导电极片电连接在一起组成的第一电容极片组，和m个导电极片电连接在一起组成的第二电容极片组，第一电容极片组和第二电容极片组中极片的数目相等、形状相同，且交替、等间距地排列在所述电绝缘基底上；
至少一个可相对于固定部件STATOR线性移动/转动的运动部件MOVER，运动部件MOVER的数量与固定部件STATOR的数量相同，每个运动部件MOVER包括：
一个电绝缘基底，其上具有n个接地极片电连接在一起组成的接地极片组，所述接地极片的形状相同、等间距地排列在所述电绝缘基底上；n小于或等于m；
其中，运动部件MOVER的每个接地极片在其运动方向的宽度大小，使其在移动或转动过程中，与所述固定部件STATOR中的第一电容极片组的一个电容极片和第二电容极片组的一个电容极片组成两个可变电容器，从而运动部件MOVER的接地极片组与固定部件STATOR中的第一电容极片组和第二电容极片组组成两个可变电容组。
2.根据权利要求1所述的电容式传感器，其中，不同固定部件STATOR中的相应极片一一对正，不同运动部件MOVER中的相应极片一一对正，来自不同固定部件STATOR的一对相对正的极片和一个接地极片构成一对可变电容器。
3.根据权利要求1所述的电容式传感器，其中，在同一固定部件STATOR上的分别来自第一电容极片组和第二电容极片组的一对相邻极片与相对应的一个接地极片一起构成一对可变电容器。
4.根据权利要求1-3中之一所述的电容式传感器，其中，所述极片呈矩形或扇形或三角形或圆三角形的平面结构，或圆筒形或具有矩形结构的部分圆筒形或具有三角形结构的部分圆筒形曲面。
5.根据权利要求4所述的电容式传感器，其中，(Wg+Wgs)=2*(Wc+Wcs),Wcs≤Wc，Wc≤Wg≤(Wc+2*Wcs),Wc和Wg分别表示固定部件STATOR中极片、运动部件MOVER中极片的宽度或角宽度,Wcs和Wgs表示固定部件STATOR、运动部件MOVER中相邻两个极片之间的距离或角距离。
6.根据权利要求4所述的电容式传感器，其中，当所述极片呈矩形平面结构时，Wc的取值在0.001mm至200mm之间，Wcs的取值在0.001mm至200mm之间,Lc的取值在0.005mm至200mm之间，Wc表示固定部件STATOR中极片的宽度,Wcs表示固定部件STATOR中相邻两个极片之间的距离，Lc表示固定部件STATOR中极片的长度。
7.根据权利要求4所述的电容式传感器，其中，当所述极片呈扇形平面结构或部分圆筒形曲面时，Wc的取值在0.001°至180°之间，Wcs的取值在0.001°至270°之间,Lc的取值在0.1mm至200mm之间，Wc表示固定部件STATOR中极片的角宽度,Wcs表示固定部件STATOR中相邻两个极片之间的角距离，Lc表示固定部件STATOR中极片的转动半径。
8.根据权利要求4所述的电容式传感器，其中，Lc≠Lg,Lc表示固定部件STATOR中极片的转动半径，Lg表示运动部件MOVER中接地极片的转动半径。
9.根据权利要求1所述的电容式传感器，其中，包括至少两个固定部件STATOR，所述不同固定部件STATOR之间的极片在运动部件MOVER的运动方向上相互错开Wss的距离，且Wss=（Wc+Wcs）/2，其中Wc表示固定部件STATOR中极片的宽度或角宽度，Wcs表示固定部件STATOR中相邻两个极片之间的距离或角距离；或
包括至少两个运动部件MOVER，所述不同运动部件MOVER之间的极片在其运动方向上相互错开Wss的距离，且Wss=（Wc+Wcs）/2，其中Wc表示固定部件STATOR中极片的宽度或角宽度，Wcs表示固定部件STATOR中相邻两个极片之间的距离或角距离。
10.根据权利要求9所述的电容式传感器，其特征在于，进一步包括用于粗测量的固定部件STATOR和运动部件MOVER，其中该固定部件STATOR具有两个极片，该两个极片的宽度或角宽度记为Wcl，该运动部件MOVER上有一个接地极片，该极片的宽度或角宽度记为Wsl，
Wcl≤Wc*m+Wcs*（m-1）
Wsl≤（Wc+Wcs）*m
其中，m表示的是固定部件STATOR中各细测极片组所包含的极片个数,Wc表示的是固定部件STATOR中细测极片的宽度或角宽度,Wcs表示的是固定部件STATOR中相邻细测极片之间的距离或角距离。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的电容式传感器，其中，所述固定部件STATOR的电绝缘基底设有电屏蔽层。
12.根据权利要求1所述的电容式传感器，其特征在于：其中，固定部件STATOR和运动部件MOVER用印刷电路的方法、薄膜沉积的方法或印刷电子的方法来制造。
13.根据权利要求1所述的电容式传感器，其特征在于：其中，运动部件MOVER由金属薄片或薄管制成，金属薄片或薄管的两个面分别作为接地极与多个固定部件STATOR形成多个可变电容组。
14.一种包括如权利要求1-13中任一项所述的电容式传感器的组合电容式位移测量传感系统，其特征在于，还包括：
用于测量所述第一电容极片组和所述第二电容极片组电子信号、得到位移数据的信号处理系统，其中，信号处理系统的接地端与所述接地极片组连接。
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