[发明专利]位置绝对测量用电容型测试装置

说明书

本申请是申请日为1987年3月26日，申请流水号07/030，346，07/031，049和申请日为1987年4月8日，申请流水号859三份待审查专利申请的后续申请。

本发明一般地说涉及直线和角度测量用电容型测试装置，更具体地说，涉及用于进行位置绝对测量、电极排列有所改进的电容型测试传感器。

进行直线和角度测量的现有的许多电容型测试装置有两个支承构件或刻度尺，在它上面分别安装了不连续的电容性耦合电极排，两个支承构件或刻度尺可以彼此相对位移，两个刻度尺的相对位置由电极排导致的电容量特性的有效变化读数确定。典型的情况是将许多间歇信号加到电极排的一列电极上，并测量信号传递到另一电极排引起的信号漂移来测出电容量特性曲线。这种测试装置应用范围很广，从三维座标测试系统和数控精密机器这样的大型测试装置，到便携式卡尺，千分尺及类似的这些小型装置。

尽管电容型测试装置已越来越普及，但是，由于存在一些缺点而限制了它更宽的应用。造成缺陷的主要原因是普通的电容型测试装置一般只能进行相对测量而不能进行绝对测量。也就是说，测量一般是读出刻度尺位置与基准位置的相对变化，它要求连续读出由电极排引起的电容量特性曲线的变化，这样可以计算出特性曲线的重复曲线。此外，多次相对测量要求在每次测试之前确定一个新的基准位置或零 位置。这就使这种装置的使用变得相当麻烦。

此外，彼此可以位移的相对测试装置的刻度尺的等级受能达到的信号处理速度的限制。一方面，如果刻度尺移动太快，会产生计数错误。另一方面，增大允许的刻度尺移动速度需要的信号处理电路。这就使测试装置的价格明显增长。

刻度尺位置绝对测试的能力，也就是这些测量只根据刻度尺相应的最终测试位置，避免了上面所讨论的各种问题。在测试装置的装配过程中可以设置刻度尺的基准点或零点，这就不需要在随后进行的测试过程中调整位置的基准点。由于只需要检测出刻度尺最终测试位置处的刻度尺电极间的电容量特性曲线，因此刻度尺位移速度不受任何限制。此外，只有测试最终位置时才需接电源，这就大大降低了电耗，甚至可以用小功率电源，例如可采用太阳能电池。

本发明人以前开发的一种可以进行绝对测量的电容型测试装置示于美国专利4420754号（“754专利”）的图10和11中。该装置利用并排的关系排列隔开的发射极/接收极的第一对和第二对电极排。在每一排对中，发射极电极的间距与接收极电极的间距关系是相同的，但是在两个排对中，相应的发射极/接收极电极间距离稍有不同。两个隔开的N相信号加到两个排对的相应发射极电极上，并且（通过相连的传输和检测电极）从每一排对的相应接收极电极得到两个独立的信号V₁和V₂。绝对测量是通过测量两个信号V₁和V₂之间的相位差获得。

然而，754专利的测试装置的实用性有限。例如，由于绝对测量值的计算是以两个独立的测量为基础，两种测量中的轻微误差累积均能引起大的位置测量误差。因此，为了得到精确的绝对位置测量， 相应的信号处理电路必须具有精确匹配的性能特征。此外，如果两个测量不能同时精确地进行，甚至在两次测量之间支承构件彼此相对有很小的位移也会引起位置测量的很大误差。

此外，754专利的测试装置中，两对分开的电极排的实际要求限制了它在必须有袖珍尺寸的手动测试工具中的应用。由于要求双重的信号处理电路，使功耗增大，从而进一步限制了它在便携式测试装置中的应用。

按照本发明的电容型测试装置，克服了现有技术中存在的这样和那样缺陷。它包括彼此能相对移动的第一和第二支承构件，而且至少有一个支承构件能相对于测试轴移动;安装在第一支承构件上与测试轴成一直线的第一发射极电极的一个排;安装在第二支承构件上与测试轴成一直线的第一接收电极的一个排，这样，第一接收极电极排的不同部分与第一发射极电极排的电容性耦合是取决于支承构件的相对位置，安装在第二支承构件上与第一接收极电极排排列成一相对直线的第二发射极电极的一个排。第二发射极的每个电极与相应的一个第一接收电极成电气连接，以使对相应的第一接收极电极的偏移是由第二发射极电极的位置相对于测试轴的基准位置的预定函数总量确定，测试装置有利的是还包括位于与第一发射极电极排成一直线的，在第一支承构件上的第二接收极电极仪表，用于读出电极偏移。