[发明专利]电容式测量行程的方法及装置

说明书

本发明属于用于机床或其他仪器设备精密测量的电容式行程测量方法及装置。

类似的行程测量装置有光栅、感应同步器。光栅容易受到污染。感应同步器的工作方式是电流输入，故消耗功率较大;输出是电压，其信号偏小。已知的电容式行程测量装置有专利号为US    3938113及JP    P157807-80，它们的共同点是在发射极上加上矩形高频电压，电极作为电压传递元件及分压元件，它传出的电压直接被送到运算放大器进行放大。这样就要求接收栅对地保持极高阻抗，如阻抗降低则输出电压的波形、幅值都要畸变，直接影响测量精度。要求对地阻抗高还会引起对空气湿度的敏感及屏蔽的困难和容易受外来电场的干扰。同时运算放大器的电性能指标限制了高频电压的振幅及频率，其信噪比及被测物体的最高移动速度也会受到影响。这些都是造成电容式位移测量装置的优越性没能被充分发掘。

本发明的目的是提供一种信噪比大、抗环境影响能力强、安装要求低、精度高、容许被测物体移动速度较高的行程测量的方法和装置。

本发明的工作原理是：

在被称为尺子的发送部件上有为数很多的在长度方向上以间隔周期为P排列着的条状发送电极，发送电极上加有高频电压，以在发送部件上沿其运动方向，将产生以P为周期的高频电场的起伏变化。与发送电极相间地排列着接地的条状电极。接收部件，其上有许多以一定间隔排列着的条状接收电极，接收电极与发送电极基本平行并保持一定间隙，以构成电容测量元件，接收电极比发送电极短，当它们在 条状电极的垂直方向上对发送电极作相对运动，就使接收电极上通过高频电流，此电流通过整流电路整流成直流电流，该直流电流包含着在相对运动中因电容变化而产生的以P为周期的正弦信号。当由至少两个接收电极的不同相位的电流正弦信号，通过放大器电路后，可得到多个在一个以P为2π的空间圆周角上均匀分布的不同相位的电压正弦信号。这些电压正弦信号可通过矩形信号发生电路，而产生多个矩形电压信号，若将此矩形信号分别去控制多个开关，而开关的输入信号仍为电压正弦信号，这样，通过开关可选出各正弦信号的斜边，将此再通过加法器电路，就组成了锯齿形信号。将此锯齿形信号通过输出电路就可得到信号输出，此信号可为数字量，也可为模拟量，但它们均代表了接收电极与发送电极之间相对运动的行程。

本发明还将多个正弦信号通过反馈电路向控制放大器的输入端提供反馈，控制放大器的输出去控制振荡器输出的高频电压的振幅，而该高频电压即为加在发送电极上的电压。通过这一反馈控制系统，可使多个有不同相位角的正弦信号的振幅得到了稳定，从而使由它产生的锯齿信号的稳定度、精确度得到保证。

本发明还考虑到在发送部件上除了第一发送电极外，又安置了与第一发送电极平行的多行附加发送电极及接地电极，且各行具有不同的间隔周期，与之相对地在接收部件上也安置了除了第一接收电极外的与附加发送电极有同样行数的附加接收电极。将通过各附加接收电极的电流整流，使其形成与行数相应的截顶的近似正弦及近似余弦信号，其周期依次为P的2的整数次方倍。将这几个信号与来自第一接收电极的矩形信号共同作用而产生二进制的位置数字 信号，它与从锯齿信号经A/D转換后得到的二进制的位置数字信号，以及与由矩形信号转換的二进制数字信号一起共同构成一个代表行程的二进制数字输出。

本发明还考虑到当需要为模拟量输出时，可把上述二进制数字信号用D/A转換成阶梯信号，并与锯齿信号叠加，就可得到代表行程的线性信号输出。

本发明由于发送电极上的输入为电压，功率消耗甚小，且把发送电极与接受电极之间的电容作为电抗元件，并以直流电流作为接收电极的输出信号，从而使接收电极对地阻抗较低及对地电压较小，其电压振幅相当一个二极管正向电压的大小且与发送电报的电压振幅无关，因此就可以在发送电极上施加振幅大、频率高的电压，这样就大大增强了有效信号，接收电极因阻抗及电压都低，因而不易感受外界干扰，屏蔽也易于解决，因此本发明的测量方法和装置可以获得高的信噪比及低的环境影响。并且由于信噪比很高，本发明可不需要专门的滤波器，也容许发送电极与接收电极之间留有较大间隙，这样安装要求就降低了，这对于长行程测量是具有重要经济价值的。本发明当为二进制数字输出时，因这种数字输出有极高的可靠性，且与行程之间有绝对严格的关系，不依赖任何零点的校正，有很重要的现实价值，从测量范围来说，它可从米级一直下延到微米级，也是相当大的。当本发明为线性信号输出，当行程为数毫米以上时，精度可达到某种极限。（此时精度的限定仅是由基准电源与精密电阻的精度所决定的了）