CN1064754C - 改进型电容性位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种关于测量长度和角度用的数显量具或测量仪器的电容性传感器，它包括以沿位移和测量方向相对移动方式安置的主标尺和副标尺，将副标尺的同一节距T内相邻的发射电极分别排列在接收电极的两侧，且在一个节距T内仍包含所有发射不同信号的发射电极，相邻的发射电极间沿位移测量方向的几何间隙为零，主标尺的反射电极为侧倒的T形，反射电极的间距与发射电极的节距T相等。这种排列方法可有效地消除反射电极和发射电极之间的误差，降低主标尺和标尺的制作难度和成本，采用这种传感器的测量仪器的精度得以提高。

Description

改进型电容性位移传感器
本发明涉及一种测量长度和角度用的数显量具或测量仪器的电容性传感器，更确切的说，它涉及一种用于测量一对发生了位移构件的相对位移量的电容性传感器。
大位移测量电容性传感器从本世纪七十年代问世以来，以其低耗电，高集成，小体积，低成本等优点，很快在数显量具和其它长度测量装置上获得广泛应用，但由于其分辩率和测量精度低于光栅和同步感应器等传感器，所以在高精度测量方面有一定的局限性。而提高电容性位移传感器分辩率和精度最简单有效的方法是同时缩小副标尺的发射电极(12)之间和主标尺的反射电极(10)之间的间距，如图5所示，按照已往的副标尺的发射电极(12)依次排列形式，副标尺的一个节距T内包含有2N(N为整数，此图设定2N=8)个发射不同信号的发射电极(12)，将一个节距T内各发射电极(12)按照安放位置顺序依次编号为1、2、3、4、5、6、7、8，副标尺上有多个节距T的发射电极(12)，并且每个节距T中发射相同信号的发射电极(12)是相互连接的，同时按此种排列形式相邻的发射电极(12)之间必须存在有间隙S，在发射电极的一侧放置一个接收电极(11)，若按照上述排列形式缩小发射电极(12)的间距t，则相邻发射电极(12)之间的间隙s将会非常小，其工艺难度是显而易见的，另外由于相邻发射电极(12)存在有间隙s，因此会造成主标尺的反射电极(10)在跨越两个发射电极(12)时信号的不连续，从而影响传感器的精度。日本三丰公司(CN87102624)(CN1038421)提出的将副标尺上原来集中在一个节距T内的发射电极分别取出，然后分别放置在不同节距T的相同位置上，并将每个发射电极加宽，以此达到既提高分辩率，又不增加制作工艺难度的目的。但此种排列形式的一组发射电极将分别对应多个反射电极，从而造成在一个反射电极上无法合成完整的合成信号，反射电极必须与接收电极再耦合一次才能合成完整的合成信号，而电容的变化是与电极间的距离的平方成正比的，这样就要求主标尺与副标尺的平行度非常高，否则将无法达到精度，因此其应用非常困难。另外在反射电极跨越两上发射电极的重合部分时也会因信号的不连续而影响传感器的精度。
本发明的目的在于提出一种既可有效地提高电容性位移传感器的分辩率和精度。同时又不过大增加制作工艺难度，并可方便扩展应用功能的改进型电容位移传感器。
本发明包括以沿位移和测量方向相互相对移动的方式安置的主标尺和副标尺，上述副标尺上安置有与上述移动方向垂直的发射电极，且在每个节距T内有2N(N为整数)个发射不同信号的发射电极，另外还有一个接收电极，上述主标尺装有其位置面向上述发射电极和接收电极的反射电极，此外还有利用上述发射电极，接收电极和反射电极之间的耦合电容测量上述两标尺的相对位移的电子电路。其特征在于：将副标尺的同一节距T内相邻的发射电极分别排列在接收电极的两侧，且在一个节距T内仍包含所有发射不同信号的发射电极，如在一个节距T内接收电极一侧的发射电极排列顺序为1、3、5、7……，则接收电极另一侧的发射电极排列顺序应为2、4、6、8……；并且相邻的发射电极间沿位移测量方向的几何间隙为零，如发射电极1与发射电极2的垂直于位移测量方向的相邻的边，在沿位移测量方向的垂直距离为零；同时对应于每一个节距T内的发射电极的排列顺序，在与之相距若干个节距T的另一节距T内其发射电极的排列顺序与上述发射电极的排列顺序相交错，既有一个节距T内的发射电极排列顺序为接收电极上侧是发射电极1、3、5、7……，下侧是发射电极2、4、6、8……，则一一对应有另一节距T内的发射电极排列顺序为接收电极上侧是发射电极2、4、6、8……，下侧是发射电极1、3、5、7……，相邻两组之间有一个节距T的空隙。
本发明的特征还在于：主标尺的反射电极为侧倒的T形，且反射电极的间距与发射电极的节距T相等。
本发明的特征还在于：主标尺和副标尺采用电子陶瓷或电子玻璃作基体，交叉应用厚膜电路制作工艺与薄膜电路的制作工艺进行制作，即电极层和连线层用薄膜电路的制作工艺，隔离层和保护层采用厚膜电路的制作工艺。
本发明的特征还在于：采用两片集成电路的形式制作电子电路，其中一片集成电路用于产生发射电极信号和接收接收电极信号，并将接收电极信号放大、解调，完成数模转换，另一片集成电路则进行数据处理和实现各种功能。
本发明通过上述特征说明的主标尺和副标尺上的各种电极的排列形式不难看出，它具有以下优点：在增加了副标尺的发射电极之间的距离的同时，还保证在主标尺的一个反射电极上能够合成完成的合成信号，并可消除反射电极在跨越相邻发射电极时所造成的误差和主标尺与副标尺安装时上下不对称所造成的误差，这样既可降低主标尺和副标尺的制作工艺难度和成本，提高精度，但又不提高在应用时的安装精度要求。另外将反射电极设计成侧倒的T形，可增加反射电极与接收电极的耦合面积，增强信号强度，减小接收电极的信噪比。
本发明的优点还在于：主标尺和副标尺采用电子陶瓷或电子玻璃作基体，可保证其在各种环境条件下部能保持稳定的精度。交叉应用厚膜电路制作工艺和薄膜电路制作工艺进行制作，既能保证精度要求较高的电极层和连线层的精度，又能简化精度要求不高的隔离层和保护层的制作工艺，降低制作成本。另外采用两片集成电路的形式制作电子电路，在保持了电容性位移传感器原有的高集成的特点前提下，方便了功能扩展，使其应用领域更为宽广。
图1表示本发明一个实施例的示意图；
图2表示本发明另一个实施例的副标尺电极排列形式；
图3表示实施本发明的一种工艺形式；
图4表示实施本发明的一种电子电路形式；
图5表示背景技术中电容性位移传感器的示意图。
为便于说明，图1、图2、图4中与图5中名称相同的构件及发射电极(12)的编号相同，并且都采用八路发射电极(12)输出信号进行说明。
如图1所示，本发明包括一副标尺和一主标尺，副标尺中间有一细长条形的接收电极(11)，在接收电极(11)的两侧各放置有一列发射电极(12)，发射电极(12)的宽度与发射电极(12)的间距t相等，并且发射电极(12)分为前后两组，前组一个节距T内的发射电极(12)的排列形式为接收电极(11)上侧是发射电极(12)1、3、5、7，下侧是发射电极(12)2、4、6、8，后组一个节距T内的发射电极(12)的排列形式与前组相交错，接收电极(11)上侧是发射电极(12)2、4、6、8，下侧是发射电极(12)1、3、5、7，而且前后两组的节距T数相等(图中为各三个节距)，也就是说，前后两组中各节距是一一对应的。主标尺上放置有一系列电气上绝缘的反射电极(10)，其形状为侧倒的T字形，且反射电极(10)的间距等于发射电极(12)的节距T。采用上述排列形式可将副标尺上同一列的发射电极(12)的间距扩大一倍，降低了制作难度，同时又保证在一个反射电极(10)上能够合成完整的合成信号。采用前后两组发射电极(12)交错排列的方式，能够有效的消除由于主标尺与副标尺安装不对称所造成的精度误差，当主标尺相对于副标尺向上(或下)偏移时，接收电极(11)上(或下)侧的发射电极(12)的耦合面积增加，下(或上)侧的耦合面积减小，但由于前组与后组的发射电极(12)的排列形式相交错，因而保证了各路发射电极(12)的总耦合面积相等，不会造成合成信号的变化，也就不会影响测量精度，因此降低了主标尺与副标尺的安装精度要求。发射电极(12)的宽度与发射电极(12)的间距t相等，即相邻发射电极(12)的间隙为零，在反射电极(10)跨越两个相邻发射电极(12)不会影响合成信号的连续性，以及反射电极(10)的形状为侧倒的T字形，增加了反射电极(10)与接收电极(11)的耦合面积，减小接收电极(11)上的信噪比，由于采取了这些措施，所以精度也得到提高。再如图1所示，接收电极(11)为矩形，其长度是发射电极(12)的节距T的整数倍，图中实施例的接收电极(11)的长度为6T，为避免边缘效应，接收电极(11)的两端分别比发射电极(12)的两外端短T／2。为避免出现发射电极(12)短路现象，在前后两组发射电极(12)之间空出一个节距不放置发射电极(12)。发射电极(12)和接收电极(11)通过导线(9)与图4的集成电路(22)连通。
图2为本发明的另一种实施形式的副标尺的排列形式示意图，本实施例采用多组交错的排列形式，即有几组相互交错排列的发射电极(12)相互交叉排列。图中有四组发射电极(12)，每相邻的两组的发射电极(12)排列次序相交错，并且相邻两组之间有一个节距T的空隙。
如图3所示，本发明可以用以下方法来制作副标尺和主标尺，在电子陶瓷或电子玻璃的基体(13)表面用气相沉积方法生成一层导电层，再用照相光刻的方法制作电极层(14)、(19)的图形，即薄膜电路的制作工艺，然后用丝网印刷的方法在电极层(14)上均匀的涂敷一层绝缘材料，作为隔离层(15)，并在电极层(14)的连接点处留有窗口(21)，即厚膜电路的制作工艺，然后再用薄膜电路的制作工艺制作连线层(17)的图形，最后再用厚膜电路的制作工艺制作保护层(16)、(20)。如此交叉使用薄膜电路与厚膜电路的制作工艺，既可保证电极层(14)、(19)和连线层(17)的制作精度，又可充分的减低主标尺与副标尺的制造成本。
如图4所示，本发明采用两片集成电路(22)、(23)的形式制作电子电路，其中一片集成电路(22)用于产生并输出发射信号到发射电极(12)，和从接收电极(11)接收合成信号并进行信号放大、解调及完成数模转换，再通过导线(9)将数字信号传送到另一片集成电路(23)进行数据处理及实现各种功能，最后再通过导线(9)与显示控制器(24)连接，在显示控制器(24)上显示数值和进行各种功能操作。采用上述结构形式，既可保持电容性位移传感器高集成的特点，又使其能方便地应用于压力、重量、体积、容积、温度等领域的测量。
本发明改变发射电极(12)和反射电极(10)的排列，使其首尾相连也可用于测量角度位移。

Claims (6)

1．一种测量长度和角度的电容性位移传感器，包括以沿位移和测量方向相互相对移动的方式安置的主标尺和副标尺，上述副标尺上安置有与上述移动方向垂直的发射电极(12)，且在每个节距T内有2N(N为整数)个发射不同信号的发射电极(12)，另外还有一个接收电极(11)。上述主标尺装有其位置面向上述发射电极(12)和接收电极(11)的反射电极(10)，此外还育利用上述发射电极(12)，接收电极(11)和反射电极(10)之间的耦合电容测量上述两标尺的相对位移的电子电路，其特征在于：将副标尺的同一节距T内相邻的发射电极(12)分别排列在接收电极(11)的两侧，且在一个节距T内仍包含所有发射不同信号的发射电极(12)，相邻的发射电极(12)间沿位移测量方向的几何间隙为零，即相邻发射电极(12)之间的垂直于位移测量方向的相邻的边，在沿位移测量方向的垂直距离为零，对应于每一个节距T内的发射电极(12)的排列顺序，在与之相距若干个节距T的另一节距T内其发射电极(12)的排列顺序与上述发射电极(12)的排列顺序相交错，并且相邻两组之间有一个节距T的间隙，主标尺的反射电极(10)为侧倒的T形。
2．根据权利要求1所述的电容性位移传感器，其特征在于：反射电极(10)的间距与发射电极(12)的节距T相等。
3．根据权利要求3所述的电容性位移传感器，其特征在于：接收电极(11)为矩形，其长度是发射电极(12)的节距T的整数倍。
4．根据权利要求4所述的电容性位移传感器，其特征在于：接收电极(11)的两端分别比发射电极(12)的两外端短T／2。
5．根据权利要求1所述的电容性位移传感器，其特征在于：主标尺和副标尺采用电子陶瓷或电子玻璃作基体(13)、(18)，交叉应用厚膜电路制作工艺与薄膜电路的制作工艺进行制作，即电极层(14)、(19)和连线层(17)用薄膜电路的制作工艺，隔离层(15)和保护层(16)、(20)采用厚膜电路的制作工艺。
6．根据权利要求1所述的电容性位移传感器，其特征在于：采用两片集成电路(22)、(23)的形式制作电子电路，其中一片集成电路(22)用于产生发射电极(12)信号和接收接收电极(11)的信号，并将接收电极(11)信号放大、解调，完成数模转换，另一片集成电路(23)则进行数据处理和实现各种功能。
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