RU2221217C2 - Device for precision measurement of distances - Google Patents
Device for precision measurement of distances Download PDFInfo
- Publication number
- RU2221217C2 RU2221217C2 RU2001107630/28A RU2001107630A RU2221217C2 RU 2221217 C2 RU2221217 C2 RU 2221217C2 RU 2001107630/28 A RU2001107630/28 A RU 2001107630/28A RU 2001107630 A RU2001107630 A RU 2001107630A RU 2221217 C2 RU2221217 C2 RU 2221217C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sections
- electrode
- electrodes
- sectioned
- length
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных областях промышленности. The invention relates to measuring equipment and can be used in various industries.
Из уровня техники известен дифференциальный емкостной измеритель перемещений, выполненный в виде двух плоских электродов, каждый из которых разделен на секции, разбитые на группы, соединенные с входами регистрирующей системы таким образом, что при перемещении подвижного электрода на выходе электронной системы возникает последовательность импульсов. По количеству этих импульсов определяется величина перемещения (а.с. 1813198 A3, G 01 В 7/00). The prior art differential capacitive displacement meter, made in the form of two flat electrodes, each of which is divided into sections, divided into groups connected to the inputs of the recording system so that when moving the movable electrode at the output of the electronic system, a pulse sequence occurs. The amount of displacement is determined by the number of these pulses (a.s. 1813198 A3, G 01 V 7/00).
Из уровня техники известен также емкостной дифференциальный преобразователь перемещений, содержащий разделенные на секции плоские электроды, установленные с возможностью относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия. С целью расширения диапазона измеряемых перемещений в данном известном устройстве секции обеих групп токового электрода выполнены со ступенчатыми приращениями их длины одинаковой величины и противоположенного знака в направлении продольной оси преобразователя, а длина потенциального электрода выполнена кратной длине одной секции токового электрода (а.с. 1796880 A1, G 01 B 7/00). A capacitive differential displacement transducer is also known from the prior art, containing flat electrodes divided into sections, mounted with the possibility of relative displacement in the direction of changing the area of their mutual overlap. In order to expand the range of measured movements in this known device, the sections of both groups of the current electrode are made in incremental increments of their length of the same size and opposite sign in the direction of the longitudinal axis of the transducer, and the length of the potential electrode is made a multiple of the length of one section of the current electrode (A.S. 1796880 A1 , G 01 B 7/00).
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство для прецизионного измерения расстояний (емкостной датчик перемещений), включающее два секционированных электрода, которые размещены оппозитно один другому с возможностью относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия при сохранении постоянства зазора между взаимообращенными поверхностями секций упомянутых электродов, секции в первом и втором секционированных электродах выполнены, соответственно, одинаковой длины в направлении указанного относительного перемещения, при этом секции первого из упомянутых электродов электрически связаны между собой и соединены с первым выходом генератора переменного напряжения (а.с. 1696846 A1, G 01 B 7/00). Closest to the claimed technical solution is a device for precision distance measurement (capacitive displacement sensor), comprising two sectioned electrodes that are placed opposite each other with the possibility of relative movement in the direction of changing the area of their mutual overlap while maintaining a constant gap between the reciprocal surfaces of the sections of the said electrodes, sections in the first and second sectioned electrodes are made, respectively, of the same length in the direction the indicated relative displacement, while the sections of the first of the mentioned electrodes are electrically connected to each other and connected to the first output of the alternating voltage generator (AS 1696846 A1, G 01 B 7/00).
Все вышерассмотренные известные из уровня техники устройства не позволяют повысить точность измерений до значений нанометрового диапазона, так как при этом возникает необходимость выполнения секций электродов очень малой длины, что практически недостижимо с технологической точки зрения. All the above-known devices known from the prior art do not allow increasing the accuracy of measurements to the nanometer range, since this necessitates the execution of electrode sections of very short lengths, which is practically unattainable from a technological point of view.
Технической задачей заявленного изобретения является повышение разрешающей способности устройства до нанометрового диапазона при технологически допустимых ограничениях на выполнение секций электродов по длине. The technical task of the claimed invention is to increase the resolution of the device to the nanometer range with technologically permissible restrictions on the execution of the sections of the electrodes along the length.
Поставленная задача решается посредством того, что в устройстве для прецизионного измерения расстояний, включающем два секционированных электрода, которые размещены оппозитно один другому с возможностью относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия при сохранении постоянства зазора между взаимообращенными поверхностями секций упомянутых электродов, секции в первом и втором секционированных электродах выполнены, соответственно, одинаковой длины в направлении указанного относительного перемещения, при этом секции первого из упомянутых электродов электрически связаны между собой и соединены с первым выходом генератора переменного напряжения, согласно изобретению второй секционированный электрод выполнен с электроизолированными одна от другой секциями, каждая из которых соединена с соответствующим ей входом системы определения момента перехода разности токов через ноль в цепях двух смежных секций этого секционированного электрода, еще один вход упомянутой системы соединен со вторым выходом генератора переменного напряжения, а длина любой из секций первого секционированного электрода выполнена отличной от длины любой из секций второго секционированного электрода на величину, соответствующую заданной разрешающей способности устройства. The problem is solved by the fact that in a device for precision measurement of distances, including two sectioned electrodes, which are placed opposite each other with the possibility of relative movement in the direction of changing the area of their mutual overlap while maintaining a constant gap between the reciprocal surfaces of the sections of the said electrodes, the sections in the first and the second sectioned electrodes are made, respectively, of the same length in the direction of the specified relative according to the invention, the second sectioned electrode is made with sections that are electrically insulated from each other, each of which is connected to the corresponding input of the system for determining the instant of transition of the current difference through zero in the circuits of two adjacent sections of this sectioned electrode, another input of the said system is connected to the second output of the alternating voltage generator and the length of any of the sections of the first sectioned electrode is different from the length of any of the sections of the second sectioned electrode by an amount corresponding to a given resolution of the device.
Оптимально, чтобы один из секционированных электродов был выполнен с количеством секций, кратным отношению длины одной из секций другого секционированного электрода к разности длин секций упомянутых электродов. It is optimal that one of the sectioned electrodes be made with the number of sections that is a multiple of the ratio of the length of one of the sections of the other sectioned electrode to the difference in the lengths of the sections of the said electrodes.
Изобретение поясняется чертежом, где показана принципиальная схема заявленного устройства для прецизионного измерения расстояний и конструктивное выполнение секционированных электродов (при смещении подвижного электрода на расстояние х относительно точки 0 начала отсчета по оси X. The invention is illustrated by the drawing, which shows a schematic diagram of the claimed device for precision measurement of distances and the structural design of sectioned electrodes (when the movable electrode is displaced by a distance x relative to point 0 of the reference along the X axis.
Устройство для прецизионного измерения расстояний включает два секционированных электрода 1 и 2, которые размещены оппозитно один другому с возможностью относительного перемещения (по стрелке S) в направлении изменения площади их взаимного перекрытия (или в направлении измерения расстояний) при сохранении постоянства зазора h (т.е. по оси Y) между взаимообращенными поверхностями секций 3 и 4 упомянутых электродов 1 и 2 соответственно. Секции 3 в первом секционированном электроде 1, а также секции 4 во втором секционированном электроде 2 выполнены с одинаковой длиной для каждого электрода 1 и 2 (соответственно с длиной L для электрода 1 и длиной s для электрода 2) в направлении указанного относительного перемещения (по стрелке S). При этом секции 3 первого секционированного электрода 1 (являющегося неподвижным согласно варианту исполнения схемы устройства, изображенной на чертеже) электрически связаны между собой (например, посредством общего основания 5 из электропроводного материала в случае выполнения электрода 1 в виде гребенки) и соединены с первым выходом генератора 6 переменного напряжения. Второй секционированный электрод 2 (соответственно, являющийся подвижным) выполнен с электроизолированными одна от другой секциями 4, каждая из которых соединена с соответствующим ей входом системы 7 определения момента перехода разности токов через ноль в цепях двух смежных секций 4 этого секционированного электрода 2. Еще один вход упомянутой системы 7 соединен со вторым выходом генератора 6 переменного напряжения. При этом длина L любой из секций 3 первого секционированного электрода 1 выполнена отличной от длины s любой из секций 4 второго секционированного электрода 2 на величину, соответствующую заданной разрешающей способности заявленного измерительного устройства (т.е. заданной дискретности измерения). The device for precision distance measurement includes two sectioned electrodes 1 and 2, which are placed opposite one another with the possibility of relative movement (along arrow S) in the direction of changing the area of their mutual overlap (or in the direction of measuring distances) while maintaining a constant gap h (i.e. . along the Y axis) between the mutually reversed surfaces of sections 3 and 4 of said electrodes 1 and 2, respectively. Sections 3 in the first sectioned electrode 1, as well as sections 4 in the second sectioned electrode 2, are made with the same length for each electrode 1 and 2 (respectively, with a length L for electrode 1 and a length s for electrode 2) in the direction of the indicated relative displacement (in the direction of the arrow S). In this case, sections 3 of the first sectioned electrode 1 (which is stationary according to an embodiment of the device circuit shown in the drawing) are electrically connected (for example, by means of a common base 5 of electrically conductive material in the case of making electrode 1 in the form of a comb) and connected to the first output of the generator 6 AC voltage. The second sectioned electrode 2 (respectively, which is movable) is made from sections 4 that are electrically insulated from each other, each of which is connected to the corresponding input of the system 7 for determining the moment when the difference of currents passes through zero in the circuits of two adjacent sections 4 of this sectioned electrode 2. Another input said system 7 is connected to the second output of the alternator 6. Moreover, the length L of any of the sections 3 of the first sectioned electrode 1 is different from the length s of any of the sections 4 of the second sectioned electrode 2 by an amount corresponding to a given resolution of the claimed measuring device (i.e., a given measurement resolution).
Для исключения потери шага в процессе перемещения, например, подвижного секционированного электрода 2 необходимо, чтобы он был выполнен с количеством секций, кратным отношению длины одной из секций 3 другого секционированного электрода 1 к разности длин L и s секций 3 и 4 (соответственно) упомянутых электродов 1 и 2. To avoid loss of step in the process of moving, for example, a movable sectioned electrode 2, it is necessary that it is made with the number of sections that is a multiple of the ratio of the length of one of the sections 3 of the other sectioned electrode 1 to the difference between the lengths L and s of sections 3 and 4 (respectively) of the said electrodes 1 and 2.
Физическая сущность принципа работы заявленного устройства для прецизионного измерения расстояний заключается в следующем. The physical essence of the principle of operation of the claimed device for precision measurement of distances is as follows.
При проведении измерений один электрод, например секционированный электрод 2, перемещается относительно другого электрода, согласно чертежу относительно секционированного электрода 1. На чертеже показано положение секционированного электрода 2, смещенного на расстояние х относительно точки 0 начала отсчета. Подвижный секционированный электрод 2 связан с объектом (условно не показан), расстояние которого от точки 0 начала отсчета измеряется. Каждая секция 4 подвижного секционированного электрода 2 соединена с соответствующим ей входом электронной системы 7 определения момента перехода разности токов в цепях двух соседних секций 4 через нуль при движении подвижного секционированного электрода 2 вдоль неподвижного секционированного электрода 1 (т.е. по стрелке S). When taking measurements, one electrode, for example, a partitioned electrode 2, is moved relative to another electrode, according to the drawing, relative to the partitioned electrode 1. The drawing shows the position of the partitioned electrode 2, offset by a distance x relative to the reference point 0. The movable sectioned electrode 2 is connected to an object (not shown conditionally), the distance of which from the point 0 of the reference point is measured. Each section 4 of the movable sectioned electrode 2 is connected to the corresponding input of the electronic system 7 for determining the instant of transition of the current difference in the circuits of two adjacent sections 4 through zero when the movable sectioned electrode 2 moves along the stationary sectioned electrode 1 (i.e., along arrow S).
Длина L каждой секции 3 неподвижного секционированного электрода 1 одинакова (в пределах допустимой для данного измерительного устройства технологической погрешности изготовления, которая (т.е. погрешность изготовления) должна быть меньше величины заданной разрешающей способности устройства) и может быть существенно больше, чем требуемая разрешающая способность заявленного устройства. Длина s каждой секции подвижного секционированного электрода 2 также одинакова (в пределах допустимой для данного измерительного устройства технологической погрешности изготовления, которая (т.е. погрешность изготовления) должна быть меньше величины заданной разрешающей способности устройства) и отличается от длины L секции 3 неподвижного секционированного электрода 1 на величину, равную требуемой (заданной) разрешающей способности устройства (т.е. заданной дискретности измерения). The length L of each section 3 of the stationary partitioned electrode 1 is the same (within the technological manufacturing error that is permissible for a given measuring device, which (i.e., manufacturing error) should be less than the specified resolution of the device) and can be significantly larger than the required resolution the claimed device. The length s of each section of the movable sectioned electrode 2 is also the same (within the technological manufacturing error acceptable for a given measuring device, which (i.e., manufacturing error) should be less than the specified resolution of the device) and differs from the length L of section 3 of the fixed sectioned electrode 1 by an amount equal to the required (given) resolution of the device (i.e., the given measurement resolution).
Тогда разность токов в цепях n-ой и n+1-ой секций 4 подвижного секционированного электрода 2 будет пропорциональна следующей величине:
In=2•(-1)n•(n+1)L-(-1)n•(2n-1)s-(-1)n•2x,
где In - разность токов в цепях n-ой и n+1-ой секций 4 подвижного секционированного электрода 2;
n - порядковый номер секции подвижного секционированного электрода 2.Then the difference in currents in the circuits of the n-th and n + 1-th sections 4 of the movable sectioned electrode 2 will be proportional to the following value:
I n = 2 • (-1) n • (n + 1) L - (- 1) n • (2n-1) s - (- 1) n • 2x,
where I n is the difference of the currents in the circuits of the n-th and n + 1-st sections 4 of the movable sectioned electrode 2;
n is the serial number of the section of the movable sectioned electrode 2.
Функция In обращается в ноль при следующих значениях координаты х:
Разность значений двух последовательных координат xn и xn-1, соответствующих точкам перехода функции In через ноль, равна: xn-xn-1=L-s и не зависит от n.The function I n vanishes at the following x-coordinate values:
The difference in the values of two consecutive coordinates x n and x n-1 corresponding to the transition points of the function I n through zero is: x n -x n-1 = Ls and does not depend on n.
Другими словами, координаты точек перехода через ноль разности токов в цепях каждой последовательной пары секций 4 подвижного секционированного электрода 2 не зависит от n и распределены равномерно по длине упомянутого неподвижного электрода 2. Расстояние же между двумя точками перехода через ноль определяется разностью длины L секции 3 неподвижного электрода 1 и длины s секции подвижного электрода 2 и технологически может быть обеспечено достаточно малым (в том числе и в пределах нанометрового диапазона). In other words, the coordinates of the zero crossing points of the current difference in the circuits of each consecutive pair of sections 4 of the movable sectioned electrode 2 are independent of n and are evenly distributed along the length of the fixed electrode 2. The distance between the two zero crossing points is determined by the difference in length L of the stationary section 3 electrode 1 and the length s of the section of the movable electrode 2 and can be technologically provided sufficiently small (including within the nanometer range).
Для того чтобы не было потери шага при перемещении подвижного секционированного электрода 2, необходимо, чтобы количество секций этого электрода 2 было кратно следующей величине m:
Устройство работает следующим образом. При перемещении подвижного секционированного электрода 2 вдоль неподвижного (по стрелке S) в моменты, когда любая пара соседних секций 4 подвижного электрода 2 оказывается расположенной симметрично относительно какой-либо секции 3 неподвижного электрода 1, разность токов In, создаваемых генератором 6 и протекающих по цепи: секции 3 неподвижного электрода 1 - очередная пара секций 4 подвижного электрода 2, обращается в нуль. Это происходит через расстояния по ходу движения, равные разности длины секции 3 неподвижного электрода 1 и длины секции 4 подвижного электрода 2. Общее количество переходов через ноль подсчитывается электронной системой 7 и, таким образом, идентифицируется пройденное расстояние х, которое оказывается равным разности длин секций 3 и 4 электродов 1 и 2 соответственно, умноженному на количество переходов разности токов In через ноль.In order to avoid step loss when moving the movable partitioned electrode 2, it is necessary that the number of sections of this electrode 2 be a multiple of the following value m:
The device operates as follows. When moving the movable partitioned electrode 2 along the stationary (in the direction of arrow S) at the moments when any pair of adjacent sections 4 of the movable electrode 2 is located symmetrically relative to any section 3 of the fixed electrode 1, the difference of the currents I n generated by the generator 6 and flowing along the circuit : sections 3 of the stationary electrode 1 - another pair of sections 4 of the movable electrode 2, vanishes. This occurs through distances along the path, equal to the difference between the length of section 3 of the fixed electrode 1 and the length of section 4 of the movable electrode 2. The total number of transitions through zero is calculated by the electronic system 7 and, thus, the distance traveled x, which is equal to the difference in lengths of sections 3, is identified and 4 electrodes 1 and 2, respectively, multiplied by the number of transitions of the current difference I n through zero.
Таким образом, заявленное изобретение может быть использовано в различных областях техники для обеспечения прецизионного измерения перемещений объектов (в том числе и в нанометровом диапазоне), например в процессах микролитографии. Thus, the claimed invention can be used in various fields of technology to provide precision measurement of the movements of objects (including in the nanometer range), for example, in microlithography processes.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001107630/28A RU2221217C2 (en) | 2001-03-26 | 2001-03-26 | Device for precision measurement of distances |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001107630/28A RU2221217C2 (en) | 2001-03-26 | 2001-03-26 | Device for precision measurement of distances |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2001107630A RU2001107630A (en) | 2003-05-20 |
| RU2221217C2 true RU2221217C2 (en) | 2004-01-10 |
Family
ID=32090209
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001107630/28A RU2221217C2 (en) | 2001-03-26 | 2001-03-26 | Device for precision measurement of distances |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2221217C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008136700A1 (en) | 2007-05-08 | 2008-11-13 | Obshchestvo S Ogranichennoy Otvetstvennostyu 'sibirskaya Geofizicheskaya Nauchno-Proizvodstvennaya Kompaniya' | Method and device for carrying out marine electrical exploration during a ship travel |
-
2001
- 2001-03-26 RU RU2001107630/28A patent/RU2221217C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008136700A1 (en) | 2007-05-08 | 2008-11-13 | Obshchestvo S Ogranichennoy Otvetstvennostyu 'sibirskaya Geofizicheskaya Nauchno-Proizvodstvennaya Kompaniya' | Method and device for carrying out marine electrical exploration during a ship travel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US2650352A (en) | Variable inductance for measuring motion | |
| US3857092A (en) | Electrical length measuring system | |
| US6300758B1 (en) | Magnetoresistive sensor with reduced output signal jitter | |
| US5469053A (en) | E/U core linear variable differential transformer for precise displacement measurement | |
| SE411392B (en) | METHOD DEVICE FOR CAPACITIVE DETERMINATION OF THE INSIDE DOCTOR AT TWO RELATIVELY ONE MOVING PARTS | |
| JPH09210611A (en) | Inductive displacement sensor | |
| US7015687B2 (en) | Inductive position sensor with a cursor and a coupling scale | |
| JPH05215506A (en) | Capacitive position sensor | |
| EP0503272B1 (en) | Circuit arrangement for measuring the capacitance ratio of two capacitors | |
| US4403187A (en) | Magnetic head for sensing the position of a moving member | |
| CN107796293A (en) | A kind of induction linear displacement transducer | |
| EP0336022A1 (en) | Capacitive displacement meter | |
| RU2221217C2 (en) | Device for precision measurement of distances | |
| CN112857194B (en) | Plane two-dimensional displacement sensor based on eddy current effect | |
| US3125716A (en) | Machlis | |
| JPS62130301A (en) | Capacitive device for measuring length and angle | |
| JPS63212803A (en) | Measuring device for displacement | |
| EP0711974B1 (en) | Interpolation pulse generating device | |
| RU2001107630A (en) | DEVICE FOR PRECISION DISTANCE MEASUREMENT | |
| RU2043698C1 (en) | Photoelectric displacement-to-number converter | |
| CN114739276B (en) | Absolute type linear displacement sensor based on eddy current effect | |
| SU1252653A1 (en) | Capacitive displacement meter | |
| SU744218A1 (en) | Machine -tool assemblies relative movement converter | |
| SU1421985A1 (en) | Variable reluctance thickness gauge | |
| SU1218410A1 (en) | Device for counting moving objects |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040327 |