專利名稱:用于對位移物進行控制和定位的電容式直線型或旋轉型傳感器的制作方法
本發(fā)明涉及一種電容式直線型或旋轉型傳感器，這種傳感器通過測量移動物體的位移、角度或速度來控制移動的物體并將其定位。在本發(fā)明的一個實施例中，旋轉型傳感器由兩個互相對置的限定出相對空間的定片構成，在這兩個定片構成的間隙中有一可轉動的動片，此動片可轉動地與一個和移動物體耦聯(lián)的軸相配合。兩定片之一和動片之間構成第一氣隙(測量氣隙)，另一定片和動片之間構成第二氣隙(去耦氣隙或平衡氣隙)，兩個定片和動片互相對著的側面上均有導電涂層，它們與其相應的氣隙一起形成電容，其電容值隨動片的轉動而改變。
這種性質的旋轉型傳感器在美國專利№.4238781中已有披露。這種已知的旋轉型傳感器的缺點是輸出信號的相位移是以轉動角的函數(shù)來計算，這就使計算電路相當復雜而精確性卻不太高。這種已知的旋轉型傳感器用于一種讀取家庭用電消耗的電表，且僅用于在十位數(shù)字間劃界以及在輸出裝置上以數(shù)字形式產(chǎn)生這些結果。
因此這種旋轉型傳感器不適用于高精度定位，特別是機床上機械另件的高精度定位，在這種機床上，需要把角度區(qū)分到零點幾分的程度。此外，美國書№.4238781沒有公開任何耦合電容器的精確正弦電容圖形，因為一個定片上的涂層在一個旋轉角上的覆蓋密度達不到為此目的所需的形狀。這就限制了能夠達到的精確度。除此之外，同樣的條件也適用于動片涂層上，因為動片上的涂層不能沿180°的轉角延伸，所以它們不能產(chǎn)生兩個正弦半波。由此也損害了可達到的精確度。
為此，本發(fā)明的基本目的是提供一種前面定義的旋轉型傳感器，它具有大大改進了的分辨率，即具有極高的精確度并降低了電路的復雜程度。
為了解決提出的問題，本發(fā)明的特征是，在動片和定片上如此設置涂層，使至少產(chǎn)生兩個同心的環(huán)形區(qū)，其中一個區(qū)形成粗測系統(tǒng)的測量軌跡，而另一區(qū)域形成精測系統(tǒng)的測量軌跡;精測系統(tǒng)的涂層在動片和定片的環(huán)形軌跡上以360°的幾分之一設置，而粗測系統(tǒng)的涂層則以360°為周期;動片和定片互相關聯(lián)的涂層所形成的耦合電容建立起沿軸的旋轉位移的圖形，部分為正弦，再加上幾個部分正弦延伸并有不同前置符號的相反位移的電容軌跡，就產(chǎn)生了一個近似完整的正弦電容圖形，該圖形有一個360°/ni的周期，ni為表示上述測量軌跡的極點對數(shù)的自然整數(shù)，符號i表示測量軌跡的號碼。
因此，本發(fā)明的特征是在已知的粗測軌跡上加上了一個精測軌跡，它與粗測軌跡組合起來解決了本發(fā)明提出的問題-一高精度和高分辨率地計算旋轉角度。
通過在基本已知的粗測軌跡上加上了精測軌跡，本發(fā)明的旋轉型傳感器達到了極好的質量，這是由于能夠進行誤差校正的緣故，這就是說，統(tǒng)計上的刻度誤差與定位故障能夠通過取平均值去掉，并且基本自動地平衡動片圓盤對兩個定片圓盤或圓板的傾斜影響。
而這類誤差(刻度誤差、定位故障和傾斜偏移)在美國專利№.4238781的旋轉型傳感器中造成了精確度上的根本障礙，根據(jù)本發(fā)明的教導，這種性質的誤差影響可以計算并予以消除。
在最佳實施例中，軸是通過兩個滾珠軸承可轉動地安裝在外殼上的，動片是一個圓盤或圓板，它通過一個軸襯固定地連在上述軸上。
該動片平行地位于兩定片圓盤之間，定片圓盤與外殼固定相連，動片與定片之間由氣隙隔開。
動片和定片均由絕緣基底材料制成。在動片和定片表面的某些區(qū)域上形成導體軌跡圖形。兩個定片上的導體軌跡圖形由引線等與電子系統(tǒng)相連，電子系統(tǒng)設置在“SMD”電路板上。
下面描述一種三圓盤系統(tǒng)。
定片、動片和定片按順序一個緊接一個。測量氣隙在一個定片和動片之間延伸，去耦氣隙位于動片與另一定片之間。在所有三個圓盤上均以不同半徑形成同心的環(huán)形區(qū)(在三圓盤系統(tǒng)中是兩個區(qū))，環(huán)形區(qū)上設置有適當?shù)膶w軌跡。
這些區(qū)域中每一個代表一個測量軌跡，在本情況中，它包括粗測軌跡和精測軌跡。各測量軌跡與其相應的電子軌跡計算系統(tǒng)一起組成測量系統(tǒng)。
特別是，精測軌跡圖形是以360°的幾分之一為周期的，而粗測軌跡圖形是以360°為周期的。
一般來說，第i個軌跡的測量范圍為360°/ni，ni為正整數(shù)，它表示該軌跡的極點對數(shù)。結果，在所有情況下，以360°/ni的倍數(shù)位移得到的角度均得到同樣的讀數(shù)。
通過把這些軌跡結合起來就可以把具有一個大測量范圍的軌跡(粗測軌跡)和另一個具有精確測量分辨率的軌跡(精測軌跡)結合在一起，這樣就產(chǎn)生了一個具有精確分辨率和大測量范圍的傳感器。
在由測量氣隙互相隔離的一個定片與動片相互對著的一面上形成的導體圖形(涂層)是電容器柵格的電容器涂層，其電容值取決于旋轉的角度(測量電容器系統(tǒng))。動片與另一定片互相對著的一面上的導體軌跡圖形構成了電容器，其電容值理論上完全不受旋轉角度的影響;這就是它們只能起去耦作用的原因，該隔離氣隙便稱為去耦氣隙。
總共至少有4“類”涂層代表該測量電容器系統(tǒng)。同“類”涂層位于同一表面上，相對于測量軌跡所在的圓環(huán)中心的位移360°/ni的倍數(shù)，并以同樣的方式工作。一個定片上的同“類”涂層通過背面的穿通觸點和接線共同連接到電信號上;動片上的涂層借助于穿通觸點通過涂層分別引出，并在與該“類”有關的徑向截面上去耦，僅在另一定片上去耦之后才把來自同“類”動片上的各個涂層的信號互相連接起來并由電子裝置計算。
在所述結構中一個定片上有同形的四類涂層，對每類(從1到4)相對于“零點角”，四種同形涂層的位置配置為移動j× (360°)/(4×ni) +K× (360°)/(ni)(K為任意整數(shù))兩“類”1涂層在動片上的配置按相對于動片上所固定的零點角的位移為1× (360°)/(2×ni) +K× (360°)/(ni)
一個定片的每“類”涂層具有與動片的其它每一“類”涂層耦合的電容，其沿軸的旋轉位移的電容圖形是部分正弦形。
具有周期為360°/ni的純正弦電容圖形由增加若干帶有不同的前置符號的相反位移的部分正弦電容軌跡而產(chǎn)生。
圖形的移位布局、前置符號的變化和出現(xiàn)的電子相加促成了這些位移。
部分正弦電容軌跡是由涂層呈現(xiàn)的形狀所產(chǎn)生的。
涂層應這樣成形使得涂層重疊區(qū)域在轉動位移期間部分正弦地變化。為此有大量可能的方法。選用作實施例的方法是基于一個定片涂層在所建立的角度區(qū)內(nèi)具有的電荷密度為dA(θ)＝常數(shù)，因此，電荷密度dA(θ)＝Sin(ni×θ)在待進角度區(qū)內(nèi)(最好是180°/ni)，該電荷密度可應用于動片涂層。
反之亦然，動片上可以是恒定電荷密度，定片上可以是正弦電荷密度。而且，兩涂層都可具有正弦函數(shù)。
還可增加或減少影響相互抵消(有效的交迭或重迭表面)的互補區(qū)。
一個定片上的(四)類涂層由電信號激勵，設這些信號為1.U1＝U0mod×sim(ni×φ)
2.U2＝U0mod×cos(ni×φ)3.U3＝U0mod×(-sin(ni×φ))4.U4＝U0mod×(-cos(ni×φ))其中，U0定義為調制電壓，φ稱為電角。
動片的(兩)類涂層在與另一定片去耦后，按反相連接到前置放大器上，其輸出信號被解調。經(jīng)電容耦合系統(tǒng)產(chǎn)生的信號。
1.cos(ni×θ)2.-sin(ni×θ)3.-cos(ni×θ)4.sin(ni×θ)組成了該輸出信號(在任選線路布局情況中)。
因而Uout＝U0mod×sin(ni×φ)×cos(ni×θ)+U0mod×cos(ni×φ)×(-sin(ni×θ))+U0mod×(-sin(ni×φ))×(C-cos(ni×θ))+U0mod×(-cos(ni×φ))×sin(ni×θ)解調和變換后得Uout＝U0demod×Cl/2sinni(φ-θ)+1/2sinni(φ+θ)-1/2sinni(θ+φ)-1/2sinni(φ+θ)+1/2sin ni(φ-θ)+1/2sinni(φ+θ)-1/2sinni(θ+φ)-1/2sinni(φ+θ)＝U0demod×Z×sin ni(φ-θ)輸出信號從而提供機械角與電角(乘以一個常數(shù))之差乘以ni的正弦;通過φ的適當變化該信號可調為零;其結果使Q＝φ如果φ僅代表預估值，uout可以就φ的預估值被控制為零，否則就表明Q的偏差。
由于正弦函數(shù)在接近零處近似線性，所以這種控制作用也可以是穩(wěn)定的;每個周期中兩個零交叉點只有一個在控制作用上是穩(wěn)定的。
控制精度及讀數(shù)的精確度隨極點對數(shù)而線性提高，然而，由于出現(xiàn)精精確的ni穩(wěn)定零點及φ的非單值性，φ在高極點對數(shù)處的360°機械角范圍內(nèi)僅對ni＝1是明確的。這就是為什么工作于絕對電平上的傳感器要利用ni＝1的軌跡的原因。
對于每一測量軌跡需要一個軌跡計算電子系統(tǒng)，它以例如ai比特的分辨率來確定標量周期360°/ni內(nèi)的位置。這些軌跡計算的時序表由邏輯控制系統(tǒng)(在這種情況中稱為主站計時)定出，該系統(tǒng)將測量結果在邏輯信號綜合系統(tǒng)中合成一個總測量結果。
軌跡計算是在一個控制環(huán)路中產(chǎn)生的，該環(huán)路構造為一種電容測量電橋，在環(huán)路中，“電角”恒定地跟隨著機械角。該電角以ai比特被存于計數(shù)器中。前面所述的電容測量電橋的激勵電壓U1＝U0mod×sin(ni×Zi×360°/2ai)U2＝U0mod×cos(ni×Zi×360°/2ai)U3＝U0mod×(-sin(ni×Zi×360°/2ai))U4＝U0mod×(-cos(ni×Zi×360°/2ai))
在計數(shù)讀出Zi時，也從中導出。
在這種情況下，選擇具有頻率fi的鋸齒波電壓作為調制電壓。由軌跡去耦得到的推挽信號饋給“FET”型高阻前置放大器，注解調后，就含有該時刻的機械角相對于存貯的電角的偏差。又將它饋給具有所需控制特性的控制放大器。在調制電壓的一個周期之后，通過“窗口”比較器出現(xiàn)一個Zi是否要增加、減少或保持不變的判定;這樣，結果的最大再控頻率或比特變化頻率等于fi。
如果讀數(shù)要被跟蹤，例如，在最大轉速值為6000轉/分，相應于100Hz，調制頻率就應被選為至少是fi＝ni×2ai×100HZ(在精測軌跡情況下，ni＝16，ai＝6，所以fi≥102.4KHz)。
軌跡計算操作中的所有控制信號是經(jīng)計數(shù)器和門電路從頻率發(fā)生器中獲得的。
除了電容電橋的調制頻率，還有解調信號，掃描和保持每個測量周期內(nèi)的測量結果的“閂鎖”信號以及增減電角的時鐘或計時信號。至此，如果選擇各單個軌跡的調制頻率使它們相差2的冪，則在鋸齒波形的情況中阻止了軌跡的信號轉移。
在信號組合的情況中，結果最低值的比特數(shù)直接從精測軌跡(更確切地說帶有大ni的軌跡)取得。高值的比特數(shù)是通過組合兩個軌跡結果(更確切地說如果著多個軌跡，則每次兩個)獲取的。詳細地說，這是因為產(chǎn)生了兩軌跡的交迭區(qū)，而兩軌跡都為這個交迭區(qū)或范圍提供了測量值或“比特”數(shù)。這些值或“比特”數(shù)在理想情況中應是一致的，但是由于兩軌跡間零點位移、測量錯誤和粗測軌跡的控制漂移，彼此之間將出現(xiàn)差異。只要這些偏差小于可接受的最大限定值就在交迭區(qū)內(nèi)被檢測，高值的其余比特數(shù)同樣地被增減校正。
在實際的實施例中，兩軌跡的零點經(jīng)過精心位移，使得高值比特數(shù)只增加，或保持不變，而不是有增有減，這樣就簡化了線路。
由于所用的原理是將測量任務分給兩個子系統(tǒng)，必須檢驗兩個誤差機構。第一個可能的故障是信號組合的失誤。在這種情況下，粗測軌跡的測量誤差升高到這樣一個水平，使得所允許的信號組合范圍被起過，并對粗測值進行了有缺陷的修正。由于這將導致測量值突然變化為最低值的比特數(shù)的一倍，所以這種故障必須避免。這可以由適當?shù)貏澐譁y量范圍來實現(xiàn)。
所有其它誤差都涉及到與測量分辨率的數(shù)量級有關的不精確性?？紤]到所用的原理，在這方面只須考慮精測軌跡上的誤差(或者在兩個以上軌跡時顯示最高分辨率)。因此，這將是具有最大半徑的軌跡。
但是，傳感器的原理具有某些自校正特性在高精密度光學傳感器的情況下，對編碼盤的偏心率的要求是非常嚴格的。因為讀數(shù)只是在讀數(shù)盤的一個點上讀取，所以偏心率dE引起的最大測量誤差為dθ＝ (dE)/(γ)但是，應用所提出的原理時，測量是同時在整個讀數(shù)盤上同時進行的，偏心率在不同的點(涂層)有不同的前置符號，因此偏心率的影響幾乎完全消失了。
采用多個測量點從統(tǒng)計學上說減少了由最初不合格的蝕刻中的缺陷等引起的刻度誤差。由于精測軌跡具有大量測量點，并且這些測量點對最后的精確度起決定性的作用，所以這種統(tǒng)計減少可能會以特別令人滿意的方式起作用。
比較起來，這種方式不受動片或定片傾斜的影響。事實上，由于一個定片的測量信號與動片的各個絕緣涂層相耦合，并且在另一個定片再次復合，所以允許涉及多個單獨的測量區(qū)。如果在某一點動片朝一個定片運動，則離另一個定片的距離同時增加，而這個測量區(qū)對于整個測量區(qū)的信號耦合作用和影響幾乎保持不變。雖然一個定片的移動會改變氣隙，但是其它保持不變，所以整個影響是減小的。
正弦和余弦網(wǎng)給所產(chǎn)生的圖形形狀和零點移動影響插值的精確度。但是與分辨率計算電路比較，最精確軌跡的極點對數(shù)ni降低了這些要求。
由于采用推挽激勵程序，一方面漏泄或寄生電容被抵消掉(做得完全一樣)，另一方面也抑制了電干擾的影響。
此外，調制頻率可以這樣選擇，使傳感器對于已知的干擾頻譜非常不敏感。
由于采用自平衡測量電橋，既使波動的放大系數(shù)也不起作用，這是因為只有校準靈敏度改變，而且后者在適當?shù)目刂铺匦郧闆r下也失去臨界狀態(tài)(Ⅰ-特性)。
盡管如此，如果瞬時的測量誤差仍要上升，那么后續(xù)的測量會再次進行校正，因為本系統(tǒng)是絕對測量型。
絕對的角度傳感器常常用在定位控制系統(tǒng)中。為了改善這種控制電路的動態(tài)工作特性，除了定位以外，有時也檢測移動的速度。
在這種情況下，至今仍然經(jīng)常需要第二種傳感器元件(即轉速表傳感器)。但是也可以用微分從位置信號推導出速度數(shù)據(jù)。在這種情況下提出的傳感器往往提供這樣一種速度信號即將啟動電子計數(shù)器的時鐘信號送到一個適當?shù)念l率-電壓轉換器上。當傳感器在一個方向上以最大轉動速度轉動時，在每個測量間隔發(fā)一個計數(shù)信號并送出一個最大電壓;在相反方向，通過計算方向數(shù)據(jù)使輸出電壓的極性反向;整個結果是一個當V＝0時U＝0的直線圖形u(V)。
與光學或感應或傳感器比較，疊加在輸出信號上的殘存的已解調的調制頻率可以更容易地濾掉，并且由于測量系統(tǒng)帶寬很寬而改善了動態(tài)特性。
本發(fā)明的目的不僅從各個權利要求
，而且從各權利要求
的組合表現(xiàn)出來。由于本文所公開的所有信息和特征，特別是的實施例，單獨地或者結合起來對現(xiàn)有技術是新穎的，因此都作為本發(fā)明的基本內(nèi)容而要求專利權。
下面具體結合附圖敘述本發(fā)明，這些附圖只表明實施例的一種可能性。為此，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點在附圖及其說明中體現(xiàn)出來。
圖1表示本發(fā)明旋轉型傳感器的截面，它放大說明動片的傾斜位移;
圖2表示電路的方框圖;
圖3表示比圖2更詳細的計算電路的方框圖;
圖4表示旋轉型傳感器的正向視圖;
圖5表示分解形式的旋轉型傳感器的后向視圖;
圖6表示定片的一個扁形區(qū);
圖7表示動片的一個扇形區(qū);
圖8a示意表示精測軌跡區(qū)的涂層部分的布置;
圖8b表示在涂層內(nèi)積分建立的正弦軌跡;
圖8c表示一個微分量;
圖8d表示計算電角和機械角的公式;
圖9表示與圖2比較修改了的計算電路的實施例;
圖10表示粗測軌跡的角度指示;
圖11表示粗測軌跡信號和精測軌跡信號的信號合成;
圖12表示精測軌跡的角度指示;
圖13表示在邏輯組合系統(tǒng)中得到數(shù)字輸出信號的方式的功能圖;
圖14表示得到數(shù)字輸出信號的比特位;
圖15表示動片電極上得到的正弦形式。
在定片1和定片2之間的間隙中可旋轉地設置動片3，動片3通過樞軸承(未示出)可旋轉地固定在外殼的軸頸上，并且與軸4可旋轉地連接，軸4向外伸出到外殼外面，與被測物體可旋轉地連接。
在本實施例中，定片1、2和動片3做成圓盤或圓板的形式。就此而論，定片和動片的外邊緣不是關鍵的。本發(fā)明的實質在于在所述元件1、2、3上環(huán)形地固著著涂層(下面將敘述這個涂層)。
在本發(fā)明的另一形式的實施例中，旋轉型傳感器做成直線型傳感器。為此，動片3作為軸向可移動元件在外殼中直線定向，并且其自由端連接到同樣直線位移的被測物體上。
在圖1的進一步說明中，“a”表示動片的厚度，“d”表示兩個互相面對的定片之間的間隙減去動片的厚度a。
電子計算電路(下面將要敘述)例如可以安裝在外殼內(nèi)的動片2的右側，并用外殼蓋(沒有具體表示出)蓋住。
據(jù)根測量現(xiàn)場的氣候條件，外殼也可以是密封封裝型的。此外，在圖1中還表示出動片可能受一定的傾斜或扭曲缺陷的影響;在圖1中故意以夸大的方式表示出這種扭曲缺陷，以表明在這樣大的扭曲缺陷的情況下，仍然可以保證良好的測量結果。
實際上，很明顯示，在圖1所示位置中，動片3與定片1的氣隙寬度可以用d/2+△表示，而動片3的另一側面與定片2的氣隙寬度要小些，用d/2-△表示。
按照圖1的方框圖，其測量原理是，氣隙，如氣隙5，成為定片1和動片3之間的測量間隙，而第2氣隙6成為動片3和定片2之間的去耦間隙。這兩個概念的定義，即“測量間隙”和“去耦間隙”的定義下文會予以說明。
按照圖1的方框圖，其測量原理是利用了導體軌跡圖形(涂層)，這些導體軌跡圖形是電容涂層或電容網(wǎng)絡的“涂復板”，它們在定片1和動片3之間，位于測量間隙區(qū)內(nèi)相互正對著的面上由動片1和動片3的間隙5隔開，其電容值取決于旋轉(測量電容系統(tǒng))的角度。
在動片3和定片2相互正對著的面上的導電軌跡圖形(涂層)形成電容，其電容值理論上完全不受旋轉角影響;鑒于此原因，這些導體軌跡圖形僅起到去耦作用，在動片3和定片2之間的間隙6便被稱為去耦間隙。
在按照圖2的實施例(只應理解為一個實例)中，動片3在其一面上具有涂層結構13，而在其反面上具有涂層結構14。
涂層結構13和14依靠有待于描述的電接觸裝置相互連接。
在由間隙5隔開的情況下，涂層7-10位于與涂層結構13相對的定片1上，這些涂層部分7-10相互電隔離。
每一個涂層部分7-10具有與其配置的導體7a-10a，所述導體構成振蕩器15的輸出端，調節(jié)器17發(fā)出的一個控制信號作為輸出信號，通過導體16輸入振蕩器15的輸入端。鑒于此目的，調節(jié)器的輸入端由導體11a、12a構成，對于導體11a、12a來說，它們又電連接至定片2的涂層部分11、12。
定片2跨越間隙6(去耦間隙)電容性地耦合到對側，即動片3的涂層部分14。
振蕩器15是自由振蕩式振蕩器，具體地說是計數(shù)器，它進行累加或遞減計數(shù)，對其來說，計數(shù)器按照供給振蕩器15輸入端的控制信號停止計數(shù)，其后，依靠兩個相互并行加入的測量值，在其輸出側產(chǎn)生一個具有特定測量頻率的sin，cos，-Sin，-cos調幅信號，這樣，該調制信號便傳輸過間隙5、6。
該原理的更具體的描述將在后面結合圖4給出。
調節(jié)器17，更確切說是接收器，對來自涂層部分11、12(經(jīng)過構成調節(jié)器輸入側的導體11a和12a)的測量信號進行解調，并由此產(chǎn)生一個控制信號，該控制信號通過導體16作用于振蕩器15的輸入側上。
圖3以方框電路圖的形式示出了總體電路。圖3的方框電路圖包括二個基本相同的方塊18和19，18和19具有相同的結構，但工作在不同的頻率上。為簡化起見，則只描述方塊18或19中的一個的功能，另一方塊則以類似的方式工作。
圖2的振蕩器15實質上包括有一個計數(shù)器20，計數(shù)器20的輸出端21(例如是六線電纜)引至邏輯組合系統(tǒng)，該系統(tǒng)影響并控制10比特數(shù)據(jù)并行輸出端。
根據(jù)輸出端21的比特的處態(tài)，導體22、23上便產(chǎn)生信號，這些信號供給方塊24、25，方塊24、25從加到導體22、23的信號中分別產(chǎn)生正弦信號或余弦信號。
如果比方說將0°的角以二進制狀態(tài)從計數(shù)器20送到輸出端21，則獲得一個以術語“狀態(tài)”標示在圖2中的具體條件，根據(jù)圖2，然后在導體7a-10a上產(chǎn)生圖2的圖形形狀作為這個角度的函數(shù)。
在導體7a和9a上便出現(xiàn)幅度為0的交流電壓，最大可能幅度出現(xiàn)在導體8a和10a上;這二個導體的信號互補。
方塊24的輸出端26因此輸出一個正弦信號，而余弦信號在方塊25的輸出端27產(chǎn)生。輸出端26、27連接至多路調制器28、29，多路調制器28、29各具有二個輸出導體30、31，導體30、31作用于驅動器上，每個驅動器又通過關聯(lián)導體7a-10a作用在相關的涂層部分7-10上。
這些信號然后通過間隙5電容性地傳輸至動片3的涂層結構13，而在去耦間隙6的情況下，涂層結構14位于與涂層部分11、12相對處，并且與涂層部分11、12建立電容性耦合，在連接在多路解調器33后的方塊34中裝備有差動放大器，該差動放大器根據(jù)二個相互對應的測量推挽狀態(tài)產(chǎn)生一個單個測量信號作為誤差信號供給調節(jié)器。
如果誤差信號保持在某個閾值以下，下面連接的方塊35、36就會被控制，以使得計數(shù)器20維持其實際計數(shù)器讀數(shù);如果調節(jié)器的輸出超過某個上限值，方塊35、36便會依照信號得到調節(jié)，以使讀數(shù)器20進行一步累加計數(shù)。如果計數(shù)器的輸出超過一個下限值，就會導致計數(shù)器20進行一步遞減計算。
來自多路解調器33輸出端的二個誤差信號在減法器(方塊34)中相減，這樣，在理想情況下便會產(chǎn)生一個不影響調節(jié)器的零信號。因此，調節(jié)器便處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且不會通過輸入端37、38引起計數(shù)器20的任何變化。但是，如果在多路解調器33的二個輸出信號之間出現(xiàn)偏差，則由減法器34產(chǎn)生的信號不再為零，并且以上述方式對調節(jié)器起作用。
在偏差發(fā)生時，總電路的計時依靠振蕩器41提供。計數(shù)器20的高值比特數(shù)，為MSB，被供給控制器39的輸入端40。
控制器39最初通過導體42從振蕩器41接收主定時。在線40上的高值比特數(shù)的饋入目的是以前述方式產(chǎn)生Sin、Cos、-Sin和-Cos信號。
就此而論，很明顯，在方塊24內(nèi)形成正三角形信號，該信號由后面連接的元件(多路調制器，驅動器)整形為正弦信號，而在方塊25的情況下，則由后面連接的元件整形為余弦信號。
盡管誤差信號具有其特性和幅度，但還是產(chǎn)生了這些圖形的形狀。
在本發(fā)明的發(fā)展中還作了補充，這就是，速度信號通過導線43從頻率-速度轉換器44去耦，導線43從包括減法器和調節(jié)器的方塊34中引出。該速度信號的目的是獲取被測物體的旋轉速度作為補充信息。
在計數(shù)器20和20a的每種情況下，以6比特幅度的輸出，在邏輯組合系統(tǒng)45中產(chǎn)生二進制輸出信號，該信號供給一個10比特幅度的并行輸出端46，該幅度的輸出允許對作為10比特信號的模擬旋轉角進行檢測和進一步處理。
在邏輯組合系統(tǒng)中，與方框18相對應的精測系統(tǒng)的信號，和與方塊19相對應的粗測系統(tǒng)的信號相加，并且移去2比特，這樣做的目的是使二個信號系統(tǒng)能達到完美疊加。該功能的另一部分描述結合圖13和14給出。
圖4和圖5是本發(fā)明旋轉型傳感器的實施例的詳細說明圖，圖4示出了旋轉型傳感器的前向視圖，圖5是旋轉型傳感器的后向視圖。
4條螺旋狀的導體軌跡47-50位于定片1的前面上，導體軌跡的開頭或端頭以近乎均勻地分布情況安置在周邊上，而分隔的導體軌跡47-50以一定方式螺旋地相互向內(nèi)環(huán)繞，以使它們具有精確且固定的相互間隔，而且不相互接觸。
這些導體軌跡供定片1(見圖5)背面上的涂層部分7-10相互連接(通過后面描述的穿通-接觸裝置)之用，即所有參考符號7標出的涂層部分依靠一個螺旋狀導體軌跡如導體軌跡47連在一起。同時其它涂層部分也相應地連在一起。至此，涂層部分7-10形成了定義為涂層55的結構的一部分。
以前述方式旋轉地與動片3相聯(lián)的軸4穿過定片1的內(nèi)孔51。
涂層52呈現(xiàn)延長的導電條帶的形式，它們是精測系統(tǒng)部分，在圖4所示的動片3的一面的外周邊上相互隔置并相互平行，而位于動片3內(nèi)部區(qū)域上的涂層53是粗測系統(tǒng)部分。
這種配置的特點及意義和涂層52、53的形狀在前序的描述中予以了定義，也在前序的描述中以數(shù)學函數(shù)予以定義。
這些涂層這樣成形使相互對著的涂層的重疊區(qū)亦即動片3上的涂層52上的重疊區(qū)和定片1上的含有涂層部分7-10的涂層55上的重疊區(qū)在旋轉位移中一部分一部分地按正弦變化。就成形而言，具有無數(shù)的可能性。在實施例中所選的形狀基于這樣的事實，即定片1的涂層55的涂層部分7-10在要確定的角度范圍內(nèi)具有不變的電荷密度，而動片3的涂層52具有例如與正弦函數(shù)相對應的電荷密度。
同心環(huán)狀導體軌跡示于定片2的一面上，這在圖4中很明了，形成間隙6的一部分的四條這樣的軌跡全部在一起最佳地示出。
根據(jù)圖5，位于精細或精測軌跡的涂層55是環(huán)繞定片1內(nèi)側面的外園周排列的，而配置于粗測軌跡的涂層56則在定片1的內(nèi)園周上均勻環(huán)形分布。
涂層55的形狀正如前文所定義的，具有恒定的電荷密度，在最佳實施例中，有4×16個涂層55以形成精測軌跡;和4個形成粗測軌跡的涂層56。
具有環(huán)形截面并徑向彼此錯開的涂層57、58處于動片3背面的精測軌跡區(qū)內(nèi)。在這方面，關鍵是動片正面的涂層52的徑向長度應恰好與兩個涂層57，58的徑向長度一致，這樣就可以認為動片正面兩個相鄰的涂層52在每種情況下都具有相反的極性，并且極性相同的每一涂層52或者位于涂層58上，或者位于涂層57上。涂層52的每一個同極性單元接到涂層58的一個單元上;而涂層52的每一反極性單元(即涂層52的每一第二單元)，在每種情況下，接在涂層57的一個單元上。
動片3背面的環(huán)形涂層59，在每種情況下配置給動片正面形成粗測軌跡的涂層53(見圖4)。
圖4所示的定片2的一面上的環(huán)形軌跡54接在其背面，如圖5所示，在每種情況下，即接在接觸軌跡60上，它們通過適當?shù)挠|點與電子計算系統(tǒng)連接。
在每種情況下，接觸軌跡60的兩個導體形成粗測系統(tǒng)的導體11、12;或精測系統(tǒng)的導體11a，12a。
圖6繪出了定片的環(huán)形扇面。分別示出位于正面和背面包括涂層部分7-10的涂層55，和與特定涂層部分互相連接的導體軌跡47-50。
到此為止，穿通接觸裝置61是以適當?shù)姆绞桨仓玫模磳w軌跡47通過適當?shù)拇┩ㄓ|點61聯(lián)接到例如涂層部分7上;導體軌跡48接在涂層部分8上;導體軌跡49接在涂層部分9上;導體軌跡50接在涂層部分10上。
在定片1的環(huán)形扇面的徑向內(nèi)側還可看到配置給粗測軌跡的涂層56同樣具有環(huán)形扇面的形狀;并通過一個穿通觸點61接在一個端子上，從而使之可連接到一相應的導線上。
圖7以類似的方式表示了動片3的一個扇面。在此圖中，可以清楚地看到，配置在精測軌跡的涂層58和57(兩者都由虛線表示)，在每種情況下，通過適當?shù)拇┩ㄓ|點61接在位于另一面的涂層52上。其連接方式與前面所說的相同。
同樣可見的是，位于動片3的粗測軌跡的新月形涂層53，這一涂層通過適當?shù)拇┩ㄓ|點接在動片另一面的環(huán)形涂層59上。
圖8a所示是定片1的涂層56的平面展開圖。圖8a和圖8b的示意圖不僅可用于精測軌跡涂層的展開圖，也可用于粗測軌跡涂層的展開圖。因此，在圖上也標識了定片1的精測軌跡涂層55的涂層部分7-10。為了簡單起見，下面除了對粗測軌跡涂層56的功能進行描述外，不再做更多的描述。所做的描述也類似地適用于位于精測軌跡的涂層55。
圖8b表示了動片3的粗測軌跡的新月形涂層53的線性展開圖，圖8c是個線路示意圖。從兩個區(qū)內(nèi)的單元E1和E2求得的差值為信號S，它出現(xiàn)在減法器輸出端。圖8d表示了從機械角和電角得出的誤差信號的公式。
為了簡化起見，涂層56的矩形部分7-10之間的空間沒有表示在圖8a中。
圖8b中的陰影區(qū)是對應于測量數(shù)量的區(qū)域。在圖示的實施例中，圖8a和圖8b的涂層56，53的比較為任選的。
如果計算電路是這樣選擇，即將畫在圖8b上部的陰影區(qū)的負E2涂層改為相反極性，這一涂層則應折到下面來;從而獲得了理想的正弦曲線，如虛線部分。
在這種情況中，由于形成了斷續(xù)性的正弦曲線，便可順次連接這些涂層而得到一個完全連續(xù)的(穩(wěn)定的)正弦圖形。
例如，信號E1是62部分的涂層9、8，7的信號之和;從而這一涂層信號的積分便產(chǎn)生了電壓E1，由此，按照圖8d中上面的公式產(chǎn)生誤差信號，根據(jù)前面的解說，這一誤差信號是電角和機械角的函數(shù)。
按照圖8d，偏差值給出了在測量操作時保持不變的第一批數(shù)據(jù)量，可用于測量外殼的緊固，軸的緊固，及外殼內(nèi)的部件。
圖9再次表示了對應于圖3所描述的線路的控制線路系統(tǒng)，所示的是一個簡化方框圖。在圖3中出現(xiàn)過的部件所用的說明和圖3相同。
這表明，這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。當受到激勵后，這一系統(tǒng)向測量值收斂，并在測量操作的過程中緊緊跟隨測量值。
圖10至圖12以圖形的形式表示出粗測軌跡信號如何與精測軌跡信號組合;從而得到一個具有絕對型函數(shù)的高分辨率的信號。
圖10表示了粗測軌跡指針63是怎樣按絕對基準指示角度的，但精確度和分辨率較差。在圖12中，對角度的測量值由具有高分辨率的另一個系統(tǒng)提供而具有多值性。
在圖11中，實際出現(xiàn)的角度是由測量值來確定的，更確切地說是由圖10和12中的指針確定的。圖10中的不精確性和圖12的多值性因此而消除，借助于圖10的優(yōu)點，即絕對函數(shù)的優(yōu)點，和圖12的優(yōu)點，即精確度，建立了角度測量，而消除了各自的缺點。
圖13表示了精測軌跡和粗測軌跡的信號收斂性，就此，作為概括它示出了其它信號也可以饋入，即從中等分辨率的軌跡或從其它軌跡饋入。
這表明來自圖3中導體65的振幅為6比特的精測軌跡的輸出加入到從粗測軌跡來的導體66，它同樣地有一個6比特幅度的信號，這兩種信號在邏輯組合系統(tǒng)45中組合，作為一個10比特幅度的數(shù)據(jù)輸出提供給數(shù)字計算電路。
在邏輯組合系統(tǒng)中6比特幅度的兩個通道的組合情況如下精測軌跡的6比特直接從數(shù)字輸出信號中取出，作為最低值或權的6比特。粗測軌跡的最高權的4比特或是減一，或是增加，或是作為一個組合的函數(shù)(這還要進一步加以描述)保持不變。這4比特形成數(shù)字輸出信號的較高權的較高的4比特。精測軌跡最高權的2比特和粗測軌跡最低權的2比特代表重疊區(qū)，他們大致相等?？捎纱说玫揭粋€信號的最高權的前述比特數(shù)是否保持不變的結論。
由于這一作法，可以保證輸出信號分別在粗測軌跡和精測軌跡的不規(guī)則比特的過渡中不會跳變。就此而論，有一種特定的方法，可保證兩個軌跡，即粗測軌跡和精測軌跡，相互之間錯開一定相位，使粗測軌跡的4個最高權比特或是增加，或是保持不變。由于只需要一個可轉換增值器，而不是全加器，這就減少了本方案的電子線路的復雜性。
示于圖14中的各個位的組合中均帶有一個重疊區(qū)。如果M1是最精測軌跡的整個寬度，M2是粗或較粗的粗測軌跡的整個寬度，K1，2就表示重疊區(qū)。它在邏輯組合中的結果是邏輯組合系統(tǒng)在這一范圍內(nèi)被激勵，并確保這一區(qū)域內(nèi)的比特傳送到輸出端。
各軌跡的振幅減少到輸出項的總振幅是顯然的。實際上的意義是m1+m2-K1，2是該系統(tǒng)的輸出信號幅度。
該圖還概括地表示了有幾個軌跡存在，但只示出了兩個軌跡，這只是做為本實施例的一個特例。
在m1有6比特振幅的分辨率，m2有6比特振幅的分辨率的情況下，由于重疊區(qū)占了2比特的區(qū)域，則可獲得10比特的總分辨率。
這一分辨率原則和組合原則適用于任何軌跡數(shù)目。
圖15表示動片圖形平面圖。如果能夠獲得滿意的線性度，它便具有分辨率不受角度影響的優(yōu)點。
根據(jù)上文，應當可以看到，加在絕緣材料上的涂層不一定是金屬表面。另一沒有專門提到的實施方案可利用能夠提供同樣電容調制的絕緣材料。應予理解的是動片涂層同動片上所劃出的容積單元一道形成填有不同介質的容積。這意味著這些容積具有不同于鄰近容積單元的介電常數(shù)。
權利要求
1.一種通過測量移動物體的位移、角度或速度對該物體進行控制和定位的電容式直線型或旋轉型傳感器(實施例中為旋轉型)包括兩個對置的確定一相對間距的定片，定片的間隙中置有一個可在其中轉動的動片，動片與主軸相聯(lián)，主軸又與位移的物體相聯(lián)，在一個定片和動片之間形成了第一氣隙，在另一定片和動片之間形成了第二氣隙，在定片和動片的互相對著的各面均涂有導電涂層，它們與相應的氣隙一起組成了電容器，其電容值隨動片的轉動而變化，上述這種傳感器的特征在于在動片和定片上的涂層要配置得至少形成兩個同心的園環(huán)區(qū)，其中一個區(qū)組成粗測系統(tǒng)的測量軌跡，而另一個區(qū)組成精測系統(tǒng)的測量軌跡，精測系統(tǒng)的涂層以360°的幾分之一周期地配置在動片和定片的園環(huán)軌跡上，而粗測系統(tǒng)的涂層則以360°為周期配置，這樣，由動片和定片相互相應的涂層所產(chǎn)生的耦合電容沿主軸的旋轉位移圖形部分地呈正弦形，加上帶有不同前置符號的相對位移的部分正弦電容圖形，就可產(chǎn)生一個周期為360°/ni的近似為純正弦關系的電容圖形，ni為正自然整數(shù)，用以表示具體測量軌跡的極點對數(shù)，下標i表示測量軌跡的號數(shù)。
2.根據(jù)權利要求
1的旋轉型傳感器，其中，在一個精測軌跡和一個粗測軌跡的情形時，在定片的涂層上有四個相同形狀的不同涂層部分，而這種關系對于一個涂層部分的每類j(j由1至4)都適用，于是，相對于另一個相當于零角度的涂層部分，該涂層部分的位移可用下式表示j× (360°)/(2×ni) +K× (360°)/(ni) (K為任意整數(shù))而在動片上的兩類“L”涂層，其相對于一個零角度(相對于動片固定)的位移用下式表式L× (360°)/(2×ni) +K× (360°)/(ni)
3.根據(jù)權利要求
2的旋轉型傳感器，其中，在精測軌跡的涂層區(qū)內(nèi)，定片的每一涂層區(qū)在每種情形下用下列信號電壓激勵1.U1＝U0mod×Sin(ni×φ)2.U2＝U0mod×Cos(ni×φ)3.U3＝U0mod×(-Sli(ni×φ))4.U4＝U0mod×(-Cos(ni×φ))式中u0mod為調制電壓，φ為電角，這樣在定片上去耦并送至前置放大器后，動片的兩類涂層反相連接，其輸出信號被解調并經(jīng)重新整形后得到如下的信號圖形uout＝U0×2×sin ni(θ-φ)θ為機械角，這樣，改變φ使等式中θ＝φ，輸出Uout只對預估值φ被控制為零，而其它φ值時，表示θ的偏移。
4.根據(jù)權利要求
3的旋轉型傳感器，其中每個測量軌跡配置一個電子軌跡計算系統(tǒng)，該系統(tǒng)在標量周期360°/ni內(nèi)以ai比特分辨率確定位置，使電角φ跟隨機械角θ，而電角以ai比特貯存在計數(shù)器內(nèi)。
5.根據(jù)權利要求
4的旋轉型傳感器，其中粗測系統(tǒng)的數(shù)字輸出與精測系統(tǒng)的數(shù)字輸出在邏輯組合系統(tǒng)中被組合，與邏輯組合系統(tǒng)的兩個輸入比特值振幅之和比較，邏輯組合系統(tǒng)的數(shù)字輸出信號至少被降低2比特，而在精測系統(tǒng)的6比特振幅情形時，所有的比特值被直接轉換成為該邏輯組合系統(tǒng)的10比特振幅輸出信號，粗測系統(tǒng)的6比特振幅數(shù)字輸出的4個最高數(shù)比特則可增加或減少1比特，或保持不變，作為在精測軌跡的兩個最高權比特與粗測軌跡的兩個最低權比特之間的交連是否呈現(xiàn)某個特定值的函數(shù)。
6.根據(jù)權利要求
1的旋轉型傳感器，其中，動片和定片以絕緣材料制成，而涂層和所有的其它導電元件則由導電材料構成，動片和定片的正面和背面間的電連接由穿過絕緣材料的穿通觸點建立。
7.根據(jù)權利要求
6的旋轉型傳感器，其中定片的一面上配置4個螺旋形導體軌跡，它們與相應的導體相連，而且導體軌跡經(jīng)穿通觸點與定片的另一面上的涂層部分連接，并附著在精測軌跡的涂層上，使得4個涂層部分極性不同時，將信號送至各涂層部分。
8.根據(jù)權利要求
7的旋轉型傳感器，其中與精測軌跡相關聯(lián)的，屬于定片涂層的涂層部分的電荷密度是不變的，而且，位于動片前面的并與定片涂層部分相對的涂層上的電荷密度呈正弦函數(shù)分布，而在軸旋轉移位時，動片和定片互相對著的涂層的重疊區(qū)一部分一部分地呈正弦變化。
9.根據(jù)權利要求
7和8的旋轉型傳感器，其中在動片背面的精測軌跡區(qū)域內(nèi)配有兩個在徑向上相互錯開的園環(huán)，其上包括電氣上分開的涂層，該涂層的徑向長度與前面上的涂層的徑向長度相一致，涂層的每個同極性涂層部分與涂層的一個單元連接，而涂層的每個反極性涂層部分在每種情況下都與涂層的一個單元連接。
10.根據(jù)權利要求
1的旋轉型傳感器，其中，涂層由絕緣材料制成，該絕緣材料的介電常數(shù)與動片的其它表面材料的介電常數(shù)不同。
11.根據(jù)權利要求
10的旋轉型傳感器，其中，介電常數(shù)比上述其它表面材料的介電常數(shù)要高。
12.根據(jù)權利要求
1的旋轉型傳感器，其中，為了消除動片上精測軌跡區(qū)內(nèi)的傾斜和/或偏心誤差，位于前面的同極性的，互相隔開的涂層彼此絕緣，并在所有情況下都與背面上的與之相應的各涂層的各個涂層部分各自連接。
專利摘要
一種通過測量移動物體的位移、角度或速度對該物體進行控制和定位的電容式直線型或旋轉型傳感器(實施例中為旋轉型)包括兩個對置的確定一相對間距的定片，定片的間隙中置有一可在其中轉動的動片，其特征是動片和定片上的涂層形成粗測系統(tǒng)的測量軌跡和精測系統(tǒng)的測量軌跡，通過在已知的粗測軌跡上增加精測軌跡，本發(fā)明的傳感器具有大大改進了的分辨率，即具有極高的精度并降低了電路的復雜程度。
文檔編號H03M1/64GK87106077SQ87106077
公開日1988年6月1日 申請日期1987年9月2日
發(fā)明者克勞斯·彼得·克魯姆霍茨, 索馬斯·沃特 申請人:亨格斯特勒有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan