專利名稱：確定物體的幾何位置的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地說涉及檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的位置、位移或角度的可能方式。
在大多數(shù)情況下，人們?yōu)榇四康亩捎昧烁鶕?jù)已知的電位計(jì)原理而進(jìn)行工作的分壓器電路，這些分壓器電路配置成了位移檢測(cè)器、可變電阻器或電位計(jì)，且這些電路包括分壓器，而該分壓器可以通過諸如噴涂或蒸發(fā)而淀積在基底上，且其上有一個(gè)滑臂以接觸的方式進(jìn)行滑動(dòng)，從而放置在一個(gè)位置上來拾取電阻路徑上的取決于其特定位置的不同直流電壓，并經(jīng)過與其相連的一個(gè)集電器滑臂將這些電壓輸送到一個(gè)集電器通路—在那里感測(cè)到的電位便可用于測(cè)定。這種電位計(jì)(其某些實(shí)施例可以被用作高精度的位移檢測(cè)器或傳感器)在某些情況下會(huì)由于恒定的接觸關(guān)系而產(chǎn)生問題，而在快速滑臂運(yùn)動(dòng)的情況下這種接觸最終也引起了磨損，因而需要一種能夠?qū)ο鄳?yīng)的測(cè)量值進(jìn)行無接觸檢測(cè)的系統(tǒng)。
因此，有一種已知的方法，即將位移檢測(cè)器制成例如差動(dòng)線圈、差動(dòng)變壓器或電感器(它帶有管形的短路繞組)，而這種方法在很多情況下卻造成一定的測(cè)量不精確性或在另一些情況下還造成了非線性。
另一方面，如果利用諸如DE 28 26 398 C2中描述的電容位置檢測(cè)器或位置傳感器來進(jìn)行電壓的無接觸檢測(cè)，則寄生電容或漏電阻—它們可一起被稱為干擾變量—造成了測(cè)量值的顯著失真，而這種失真通常是不能允許的。DE 28 26 398 C2中描述的電容位移檢測(cè)器包括一對(duì)傾斜分開的、彼此絕緣的電容板，它們與一個(gè)交流電流源相連且它們之間設(shè)置有一個(gè)中間板，它被用作能夠由所要檢測(cè)的路徑的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)的傳感器。該中間板經(jīng)過一個(gè)連接電纜而與測(cè)定電路的輸入端相連，且傳感器的運(yùn)動(dòng)造成了持續(xù)變化的力作用在連接電纜及其連接點(diǎn)上，這不僅使位移檢測(cè)器的老化加快，而且還由于位置的改變和電纜的位移而同時(shí)造成了電容的變化以及漏電阻的變化的附加影響，這些構(gòu)成了無法被確定且無法得到補(bǔ)償?shù)母蓴_變量。
在另一種位移檢測(cè)器(DE 34 41 217 A1)中，在一個(gè)基底表面上支撐有一個(gè)緊密組裝的電阻路徑，它呈現(xiàn)出彎曲的形狀或之字形構(gòu)造，并設(shè)置有一個(gè)可位移的傳感器元件—它被設(shè)置在距電阻路徑一定距離處并被設(shè)計(jì)成一個(gè)平面環(huán)，以使電容與有關(guān)的電位解耦并將該電位經(jīng)過連接線路傳送到由電壓表組成的測(cè)量電路。然而，由于傳導(dǎo)路徑與直流電源電壓相連，電容檢測(cè)只在位移期間才能夠進(jìn)行，因而不能估算傳感器的靜止位置，因?yàn)檫@時(shí)測(cè)量值丟失了。另外，也同樣遇到了干擾變量，因?yàn)榧纳娙莺吐╇娮璨荒艿玫较?br> 最后，從US 3 636 449，已知通過經(jīng)過中間電容器將一端與地相連的交流電壓加到一個(gè)可移動(dòng)電流計(jì)指針上—該指針隨后將其電位以電容的方式耦合到一條電阻路徑上，來確定該指針的位置，從而能夠在該電阻路徑的一端抽取并整流受到相應(yīng)衰減的交流信號(hào)，而該信號(hào)代表了傳感器的相應(yīng)位置。從如此整流過的信號(hào)，能夠確定傳感器的位置，且在此情況下該傳感器由跨越電阻路徑的預(yù)定距離上滑動(dòng)的電流計(jì)的指針構(gòu)成。
本發(fā)明的一個(gè)目的，是提供一種無接觸位置檢測(cè)器，它采用了不苛刻與低成本的元件，并且對(duì)干擾變量不敏感和/或設(shè)計(jì)成使諸如寄生電容和漏電阻的干擾變量的影響能夠被相應(yīng)的測(cè)定電路減小到幾乎為霉。
本發(fā)明借助其特征而實(shí)現(xiàn)了這一目的，并提供了這樣的優(yōu)點(diǎn)，即即使長(zhǎng)期時(shí)間的非常頻繁的致動(dòng)和其他的機(jī)械影響(諸如振動(dòng)等等)，都不能影響其完美的精度，且另一方面由于本發(fā)明的位置檢測(cè)器的基本原理，所有的干擾變量—它們可能出現(xiàn)在基于電容性掃描原理的系統(tǒng)中且它們是由于寄生電容或其他漏電阻而引起的—都能夠毫無問題地消除和/或在它們一出現(xiàn)時(shí)就得到防止。
另外，特別有利的是，由于電位測(cè)量探頭相對(duì)于電壓分配元件的相應(yīng)相對(duì)位置的平面檢測(cè)(將在后面進(jìn)行詳細(xì)描述)，獲得了在相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)處的電壓幅度分布的平均值，該平均值由若干個(gè)單獨(dú)的電位的和構(gòu)成。這種由電位探頭的相應(yīng)位置確定的平均值，能夠響應(yīng)于非常小的位移且與電位探頭的相對(duì)位置線性相關(guān)，因而一方面保持了電容檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)即特別是無接觸關(guān)系和無機(jī)械磨損現(xiàn)象，且另一方面則安全地消除了電容檢測(cè)方法中遇到的寄生變化(這種寄生變化會(huì)引起測(cè)量輸出電壓的顯著失真)，這是由于基本的測(cè)量原理不取決于電容的變化；電位探頭與電壓分布元件(測(cè)量電壓就是由電位探頭從該元件抽取的)之間的電容，不論電位探頭的位置如何，都保持基本不變。
在此方面，在這里以及在后面重復(fù)被稱為電壓分布元件的部件，應(yīng)該被理解為沿著測(cè)量方向延伸的靜止相對(duì)元件，并被以這樣的方式設(shè)計(jì)，即它將向用于掃描的電位測(cè)量探頭提供在沿著測(cè)量方向，即，沿著電位測(cè)量探頭的位移方向的各個(gè)位置處的不同的幅度分布情況，雖然在這種電壓分布元件的某些實(shí)施例中相應(yīng)的測(cè)量電位有可能只從與電位測(cè)量探頭本身的平面結(jié)構(gòu)的功能性交互作用產(chǎn)生—當(dāng)電壓分布元件由兩個(gè)相鄰但彼此絕緣并沿著相對(duì)的方向接近或分開的電極板實(shí)際構(gòu)成的情況下就是這種情況，其每一個(gè)都與交流電源電壓的一個(gè)極相連。這種電壓分布元件設(shè)計(jì)也屬于本發(fā)明的應(yīng)用范圍，雖然本發(fā)明的電壓分布元件的最佳具體設(shè)計(jì)是真正的分壓器，例如在電位計(jì)中經(jīng)常采用的電阻路徑的形式。
根據(jù)本發(fā)明的基本原理，使測(cè)定電路能夠在電子的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)施，這使得在實(shí)際上消除或減小了干擾變量；本發(fā)明的基本原理的一部分，是借助一個(gè)第一基于電容的電位測(cè)量探頭來檢測(cè)運(yùn)動(dòng)體的位置并將其從該探頭傳送到電位耦合探頭，而該電位耦合探頭與該電位測(cè)量探頭至少是電連接，雖然根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例這兩個(gè)元件一起組成了一個(gè)整體的部件。電位耦合探頭本身以電容的方式與靜止耦合電極相作用，從而使測(cè)量檢測(cè)器作為分接在分壓(分布)元件的各交流電壓幅度上的一個(gè)第一測(cè)量電容參加等效電路圖，相應(yīng)的交流電壓的幅度根據(jù)相應(yīng)的位置而變化—實(shí)際上電位測(cè)量探頭與電壓分布元件一起組成了一個(gè)電容器，而抽取的電位通過另一“耦合電容器”而被提供給一個(gè)放大器，而該耦合電容器是由與電位測(cè)量探頭相連的電位耦合探頭和與耦合探頭相聯(lián)系的耦合電極形成的，而該耦合探頭在幾何上具有較大的形狀且其主要延伸部分沿著測(cè)量方向延伸并構(gòu)成了隨后將要從之抽取測(cè)量電位以進(jìn)行測(cè)定的元件。因此，可以不采用連接電纜或其他可能要運(yùn)動(dòng)的機(jī)械或電導(dǎo)體部件，而只采用包括電位測(cè)量探頭和電位耦合探頭的部件，因而不會(huì)出現(xiàn)可變的寄生電容且不會(huì)有連接電纜由于其位置的改變而受到機(jī)械應(yīng)力的作用，且不會(huì)有因此而產(chǎn)生的電容改變影響獲得的測(cè)量值。
根據(jù)最佳結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)幕?，以彼此絕緣的方式，包含一個(gè)分壓(分配)元件和在幾何上與該元件平行但與該元件在空間上相隔開地設(shè)置的耦合電極，包括電位測(cè)量探頭和電位耦合探頭的公共元件以在機(jī)械上安全的適當(dāng)方式跨越分壓(分布)元件和耦合電極受到引導(dǎo)，從而不會(huì)產(chǎn)生任何電容變化。
可以使該結(jié)構(gòu)具有轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱的形式(與轉(zhuǎn)動(dòng)電位計(jì)類似)或直線位移傳感器的形式(與直線縱向電位計(jì)類似)。
構(gòu)成例如測(cè)量電容且最好具有恒定電容的第一測(cè)量電容裝置，包括一個(gè)靜止分壓器元件和公共元件的一個(gè)可移動(dòng)板(電位測(cè)量探頭)，而該公共元件由電位測(cè)量探頭和電位耦合探頭組成；耦合電容裝置類似地由靜止部分即耦合電極和可移動(dòng)體即形成電勢(shì)耦合探頭的部件的其他元件組成。術(shù)語“恒定電容”在此指的是電容值在由諸如測(cè)量和參照階段組成的整個(gè)測(cè)量周期中在任何情況下都是恒定的。對(duì)其他，電容變化(當(dāng)然與測(cè)量值的變化不那么有關(guān))當(dāng)然是可能的。等效電路圖顯示出測(cè)量電容裝置和耦合電容裝置在此情況下是串聯(lián)的，可移動(dòng)電位測(cè)量探頭在靜態(tài)耦合電極抽取交流電壓幅度的測(cè)量值。
也可以選用這樣一種設(shè)置，其中兩個(gè)探頭只在電氣上借助公共元件而彼此相連，公共元件代表電位測(cè)量探頭與電位耦合探頭的公共結(jié)構(gòu)；但在任何情況下這兩個(gè)探頭都必須以這樣的方式相對(duì)于彼此設(shè)置，即保證它們相對(duì)于測(cè)量值的檢測(cè)的同步位移，以排除已有電連接路徑的任何變形或變化并在所有時(shí)間都保證線性關(guān)系。
可以這樣設(shè)置，即使得代表電位測(cè)量探頭與電位耦合探頭的公共結(jié)構(gòu)的公共元件只將這兩個(gè)探頭在電氣上相連，同時(shí)兩個(gè)探頭總是以這樣的方式相對(duì)于彼此設(shè)置，即它們與檢測(cè)同步地進(jìn)行位移，從而排除已有電連接路徑的變形或變化并使給定的關(guān)系始終為線性。
可以將測(cè)量電容裝置設(shè)置在一側(cè)并將耦合電容裝置設(shè)置在另一側(cè)即基底或承載體的相對(duì)側(cè)，且還可以將它們兩者以這樣的方式設(shè)置成公共圓形承載表面上的同心圓或圓的部分的形式，使由電位測(cè)量探頭和電位耦合探頭組成的公共部件此時(shí)受到共同的支撐，并對(duì)分壓(分布)元件和耦合電極位移一個(gè)恒定的距離。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是分壓(分布)器元件可以提供從電阻路徑直到電極板的多種不同的實(shí)施例電阻路徑在例如電位計(jì)的情況下是由塑料電阻層(用噴涂、蒸發(fā)或某些其他方式覆涂的)形成的，作為板狀平面元件的電位測(cè)量探頭以恒定的間隔和非接觸的方式跨越它引導(dǎo)；而電極板以傾斜和彼此偏移的方式延伸，它們具有不同的交流電位且其在測(cè)量方向上的配置與幾何延伸是以這樣的方式選定的，即根據(jù)位移的長(zhǎng)度，電位測(cè)量探頭的板始終覆蓋以此方式配置的分壓(分布)元件的不同表面區(qū)域，且這里根據(jù)位移長(zhǎng)度以精細(xì)分辨率變化的總體電位是作為平均值檢測(cè)的。
在這兩種方法之間，從位移方向看，可以有由相鄰的分離電極板組成的分壓(分布)裝置，這些板呈現(xiàn)出不同的電位并為此而與一個(gè)電阻梯形網(wǎng)絡(luò)相連，而電位測(cè)量探頭的表面根據(jù)其各自的位置覆蓋這一分壓(分布)器元件的反電極板的不同大區(qū)域，并以累計(jì)的方式以相應(yīng)的精細(xì)分辨率檢測(cè)交流電位的幅度信號(hào)，并將其傳送到耦合電容裝置，即，與其相連的電位測(cè)量探頭，從那里將抽取的電位提供給耦合電極。
根據(jù)第一實(shí)施例，分壓(分布)元件包括例如與交流電壓相連的電阻路徑或電位計(jì)路徑，從而提供了用于掃描經(jīng)常變化的電壓幅度特性的電位測(cè)量探頭。
具有階梯狀電壓特性的“分壓器”可以以這樣的方式實(shí)施，即彼此絕緣的、基本上為矩形的電容板沿著測(cè)量方向被設(shè)置成一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)后面的形式，且一起構(gòu)成靜止分壓器元件的各個(gè)電容板與電阻梯形網(wǎng)絡(luò)的連接端相連。盡管跨接各個(gè)電極形成的分壓(分布)元件具有階梯狀電壓特性，由電位測(cè)量探頭形成的傳感器的電壓特性將是線性的，且應(yīng)該理解的是電位測(cè)量探頭的幾何形狀，即它的板狀形狀必須適合于相應(yīng)的電容板的幾何形狀。由于分壓器的電極或“電容器”板與電位測(cè)量探頭的相應(yīng)板形狀之間的間隔在電位測(cè)量探頭沿著測(cè)量方向移動(dòng)期間最好保持為恒定，因而這里也不會(huì)遇到作為干擾變量的電容變化。
還可以將分壓(分布)裝置做成兩個(gè)或最好三個(gè)彼此絕緣的電容板，或者更好地做成相對(duì)于測(cè)量方向橫向延伸并沿著測(cè)量方向變窄或變寬的電極板，且相鄰的電極板沿著相同的測(cè)量方向呈現(xiàn)出相反方向的漸細(xì)結(jié)構(gòu)。由于各個(gè)電極板與不同的電壓接頭相連—例如一個(gè)中心電極板可以與交流電壓相連且其他兩個(gè)相鄰電極板可以與地相連而且另一個(gè)交流電壓的連接當(dāng)然以類似方式與地相連—因而電位測(cè)量探頭的電容板將按照其位置和位移方向而覆蓋攜帶全部交流電壓幅度的一個(gè)板的增大或減小部分和與地相連的其他或附加板的相應(yīng)減小或增大部分，因而將在電位測(cè)量探頭獲得在位移的方向上改變的交流電壓幅度圖，該圖將沿著分布方向呈現(xiàn)出相應(yīng)的非常精細(xì)的分辨率，并且這交流電壓幅度圖將不失真地經(jīng)過電位耦合電極而被傳遞到固定耦合電極。
還可以使電位測(cè)量探頭的板元件具有特殊的形狀，該形狀能夠抵消干擾變量的影響；根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，例如，分壓器仍然可以由一系列例如基本上為矩形的、沿著測(cè)量方向一個(gè)在一個(gè)后面地設(shè)置且每一個(gè)都帶有不同的電位的電極板組成，或者由上述的變窄或變寬的電極板組成，而電位測(cè)量探頭，在沿著測(cè)量方向看的相對(duì)側(cè)上，可以帶有在相反方向上、變窄或變寬的延伸部分，該延伸部分額外覆蓋了與測(cè)量方向成銳角延伸的固定分壓器裝置的相鄰電極板。這種電容檢測(cè)器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了高敏感度，并同時(shí)在矩形電極板的過渡處不會(huì)產(chǎn)生任何邊緣效應(yīng)的影響。
一般地，如果電位測(cè)量探頭的形狀是矩形和板形的，且沿著測(cè)量方向呈現(xiàn)出基本上與分壓器裝置的矩形電極板的延伸部分基本對(duì)應(yīng)的延伸部分，則它所檢測(cè)的電壓特性基本上是線性的。借助提供在兩側(cè)上的三角形延伸部分，電壓特性的線性可以得到進(jìn)一步的改善；總是形成抽取電壓的平均值的這種電位測(cè)量探頭，不僅適用于沿著測(cè)量方向彼此鄰接的電極板，而且還適用于由沿著測(cè)量方向變窄或變寬的電極板組成的分壓器裝置；另外，這種分壓器裝置的結(jié)構(gòu)的結(jié)合也是可能的，例如設(shè)置在電介質(zhì)的一側(cè)上的鄰接電極板和另一側(cè)上的變窄或變寬的電極板。
下面結(jié)合附圖來描述本發(fā)明的一些實(shí)施例。


圖1顯示了根據(jù)具有穩(wěn)定電位特性分壓器裝置的基于線性電容的位移檢測(cè)器的第一實(shí)施例；圖2顯示了基于線性電容的位移檢測(cè)器的另一實(shí)施例，它也是由測(cè)量檢測(cè)器和耦合區(qū)域組成的，分壓器由單獨(dú)、相鄰但彼此絕緣的電極板組成，且這些電極板每一個(gè)都與由電阻梯形網(wǎng)絡(luò)形成的不同交流電壓電位相連；圖3示意顯示了基于線性電容的位移檢測(cè)器的第三實(shí)施例，該檢測(cè)器由分壓(分布)電路構(gòu)成，而該電路以這樣的方式設(shè)計(jì)，即由于電容檢測(cè)效應(yīng)，與電位測(cè)量探頭的相關(guān)對(duì)面板一起工作沿著測(cè)量方向的不同交流電壓幅度；圖4顯示了基于電容位置檢測(cè)器的一個(gè)實(shí)施例，其分壓(分布)裝置是圖2和3的結(jié)構(gòu)的組合；圖5顯示了基于電容位置檢測(cè)器的最后一個(gè)實(shí)施例，其中兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)被設(shè)置在一個(gè)公共基底上；圖6和7顯示了分壓(分布)元件，以改善對(duì)本發(fā)明的理解，其中圖7顯示了電位測(cè)量探頭與分壓(分布)元件之間的電容相互作用，該元件在此情況下取電阻路徑的形式；圖8顯示了一個(gè)較好的進(jìn)一步發(fā)展，其中傳感器被設(shè)置在兩側(cè)上。
本發(fā)明的基本思想，是在基于電容的位置檢測(cè)器中提供一個(gè)電位測(cè)量部分，該電位測(cè)量部分通過對(duì)沿著測(cè)量方向變化的交流電壓分布圖進(jìn)行電容檢測(cè)，來檢測(cè)作為電位探頭位置的函數(shù)的電壓幅度曲線，并至少在電氣上且最好也在機(jī)械上將一個(gè)電位耦合部分與電位測(cè)量探頭—借助該電位耦合部分將測(cè)量的電壓幅度提交給測(cè)定處理，而且是在電容基礎(chǔ)上并以完全無接觸的方式，但對(duì)所介入的電容元件不作任何改變。這使得在直線運(yùn)動(dòng)情況下的位移路徑和在轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)情況下的角度和/或可移動(dòng)體在任何時(shí)刻的位置都能夠得到非常精確的確定。
如圖1所示，位置檢測(cè)器10的第一實(shí)施例包括一個(gè)電位測(cè)量區(qū)11和一個(gè)電位耦合區(qū)12，電位測(cè)量區(qū)在本實(shí)施例的情況下是具有平坦的電壓特性的實(shí)際分壓元件13，即例如在電位傳感器(提供有直流電)或轉(zhuǎn)動(dòng)電位計(jì)中通常采用的電阻路徑。
分壓器的電阻路徑的兩個(gè)端部連接部分13a、13b，在此情況下經(jīng)過一個(gè)供電電路(不用對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述)且在需要時(shí)還經(jīng)過測(cè)定電路14，而提供有幅度恒定或可控的交流電源電壓；這些連接部分中的一個(gè)，例如連接部分13b，與地相連。
該電壓元件的電阻路徑是非接觸式的，這意味著電位測(cè)量探頭15與其相距預(yù)定的間隔，從而與電阻路徑互相產(chǎn)生電容作用，這樣也能夠提取跨越電阻路徑的交流電壓電位，且該電位是跨越距離s(沿著測(cè)量方向)變化的，在此情況下被設(shè)計(jì)成矩形板的電位測(cè)量探頭15具有積分或平均作用并隨時(shí)從電位測(cè)量探頭的位置抽取作為平均值得到的交流電壓幅度。
電位測(cè)量探頭的板的高度應(yīng)該大體上等于靜止電阻路徑的寬度，可以將電阻路徑設(shè)置在一個(gè)與電位耦合區(qū)12的(也是矩形的)電極表面16的延伸部分相平行(或者在其另一側(cè)上)的適當(dāng)?shù)某休d基底上。應(yīng)該理解的是，電位測(cè)量區(qū)11和電位耦合區(qū)12是彼此電絕緣的，這可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)，因而不用在此作詳細(xì)的描述。當(dāng)兩個(gè)區(qū)11和12被設(shè)置在絕緣承載基底的相對(duì)側(cè)上，或者在它們被平行設(shè)置在同一側(cè)上的情況下而當(dāng)承載基底的覆層(如果以例如導(dǎo)電銀層的形式提供)在這兩個(gè)區(qū)之間持續(xù)隔斷時(shí)，這種電絕緣實(shí)際上已經(jīng)得到了保證。
象電位測(cè)量區(qū)11一樣，電位耦合區(qū)12也包括一個(gè)可移動(dòng)探頭元件，即電位耦合探頭17，它以類似的方式—即以非接觸方式，與電位測(cè)量探頭同步地跨越電位耦合區(qū)12的連續(xù)導(dǎo)電電極表面16在預(yù)定距離上運(yùn)動(dòng)。
電位測(cè)量探頭和電位耦合探頭的表面(它們?cè)谒镜膶?shí)施例中具有矩形形狀)，至少在電氣上是彼此相連的，且它們最好形成公共的導(dǎo)電部件，例如雙銅板結(jié)構(gòu)，以借助適當(dāng)?shù)闹?在本實(shí)施例中未顯示)，跨越電阻路徑的相應(yīng)表面或耦合電極表面一起沿著測(cè)量方向進(jìn)行位移。
可以看出，電位測(cè)量探頭15和電位耦合探頭17的對(duì)應(yīng)表面，分別與電阻路徑和電極16的對(duì)應(yīng)相對(duì)表面，一起形成了電容器(測(cè)量電容器或耦合電容器)，它們的電容在跨越位移路徑s上是幾乎不變的，因而測(cè)量值不受電容變化的影響。
電位耦合區(qū)12的電極表面16因而與分壓器裝置平行地在位移路徑s的整個(gè)長(zhǎng)度上延伸，以使與測(cè)量路徑一起移動(dòng)的兩個(gè)電容部分—即電位測(cè)量探頭15和電位耦合探頭17—能夠一起并彼此同步地移動(dòng)并最好形成一個(gè)公共的整體部件，從而在機(jī)械上以適當(dāng)?shù)姆绞降玫揭黄鹬巍?br> 因此，電位耦合探頭17將在電位測(cè)量探頭15上提取的且到目前由其承載的交流電壓幅度測(cè)量信號(hào)，通過電容正確地送到電位耦合區(qū)12的電極表面16，這只需要一個(gè)連接部16a就能夠使如此提取的電壓幅度信號(hào)到達(dá)供電/測(cè)定電路14。在此應(yīng)該理解的是，分壓器13與電位耦合區(qū)12的電極表面16之間的電耦合被相應(yīng)的間隔或屏敞所排除。
承載器和絕緣基底可以是由環(huán)氧樹脂或陶瓷材料構(gòu)成的電路板，它具有小的膨脹系數(shù)，并與地相連。最后，還可以通過提供給該承載基底溫度檢測(cè)器—其信號(hào)被以類似方式傳送到測(cè)定電路14，來考慮這種位置檢測(cè)器對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)。
可以看到，這種電位計(jì)的功能，是使作用在電阻路徑13上的交流電壓(或相應(yīng)的交流電壓/頻率混合信號(hào))是在電位測(cè)量探頭15處以線性上升或下降的信號(hào)的形式(如圖2所示)提取的，并被傳遞到電位耦合探頭并通過電容從該電位耦合探頭耦合到電極表面16，從而使通過電容提取的信號(hào)在沒有失真或其他干擾影響的情況下到達(dá)測(cè)定電路14。在此應(yīng)該理解的是電極16在沒有電阻的情況下傳遞信號(hào)，意味著它能夠由例如貼在承載基底上的適當(dāng)?shù)你~箔或具有適當(dāng)尺寸和形狀的銀覆層組成。
由電位測(cè)量探頭15提取的電位，是出現(xiàn)在由電位測(cè)量探頭任何時(shí)間上(測(cè)量路徑s)所占據(jù)的位置處的單元電壓之和。一個(gè)單元電壓是由位于固定電阻路徑的開始處的輸入電壓產(chǎn)生的，并與測(cè)量位置s與電阻路徑的長(zhǎng)度之差成正比。另一個(gè)單元電壓是由位于電阻路徑的端部的(相反相位的)輸入電壓產(chǎn)生的并與位置s成正比。
即使電位測(cè)量探頭的板的最小的位移，也作為當(dāng)發(fā)生了位移δs時(shí)自然改變的部分電壓的比值，而被積分到提取的交流電壓幅度中。以非接觸方式進(jìn)行測(cè)量信號(hào)的揀拾，至靜止電極表面16的傳送也是一樣，因而這種位置檢測(cè)器不會(huì)受到任何機(jī)械磨損，且諸如可變寄生電容等干擾交量—它們可以由小到連接線的彎曲或滑動(dòng)觸頭的接觸阻力引起的—在此都得到了消除。
借助根據(jù)圖6和7的以下考慮，上述解釋可以得到更精確的說明。
根據(jù)圖6，當(dāng)加上交流電流時(shí)，在“電位計(jì)”的電阻路徑上獲得的電位分布，可以由以下公式定義 或者用電場(chǎng)分布的形式表示 其中 1> 2> 3> 4>....
如圖6所示。
該電壓是交流電壓，電位可以表示如下 = o·sign[sin(ω·t)]其中ρo＝電位幅度ω＝角頻率2πνν＝頻率t＝時(shí)間整個(gè)系統(tǒng)可以被看作是由若干個(gè)小電容器組成的電容，如圖7所更詳細(xì)地顯示的。
電容的公式如下C＝εr·εo·A/α，其中C電容εr相對(duì)介電常數(shù)A電容器的表面積d(板的)距離電容的定義如下C=Σi=1nCi=ϵo·ϵr·Σi=1n·Aidi]]>至于電容，適用以下關(guān)系
！ΔC1＝ΔCn！ΔC2＝ΔCn-1！ΔC3＝ΔCn-2. .. .. .. .
所提取的電位與位置x線性相關(guān)。即ρ＝ρ(x)。通過單元電容≡Ci，位移電流I1按照以下公式流入探頭 此時(shí)總位移電流I等于 這意味著單個(gè)電壓幅度被加起來而成為總位移電流I。
圖2所示的實(shí)施例與圖1所示的類似，只是在此情況下分壓元件13’不是配置成電阻路徑形式的，而是以一序列單獨(dú)而且彼此絕緣的電極板19的形式的，每一個(gè)電極板19都具有沿著測(cè)量方向的預(yù)定延伸部分B并通過“電阻”分壓器20而被提供有電源電壓的單元電壓。分壓可以借助任何阻抗z來實(shí)現(xiàn)，諸如串聯(lián)且其連接點(diǎn)與各個(gè)電極板19相連的電阻、電感或電容。然而，在此情況下，方便的作法，是使電位測(cè)量探頭15’的表面的延伸部分在任何情況下都至少與沿著各個(gè)電極板的寬度B的延伸部分相等，因?yàn)樵陔娢粶y(cè)量探頭的寬度小于任何電極板的寬度的情況下電位測(cè)量探頭的板沿著給定電極板19的移動(dòng)將不是容易檢測(cè)到的。
單個(gè)電極板19的這種電路設(shè)置，當(dāng)然在電極板19處和在整個(gè)電極板系列上引起階梯形電壓曲線；雖然所加的交流電壓的這種階梯形電壓曲線如果忽略一定的邊緣效應(yīng)，由于耦合電容設(shè)置的積分作用，由電位測(cè)量探頭15’在板處提取的電壓仍然是線性的，并它再次對(duì)應(yīng)于跨越測(cè)量路徑s的電壓特性，如圖2所示。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例具有大體上相同的結(jié)構(gòu)，并涉及根據(jù)圖3的分壓器裝置的電路設(shè)置，它在此情況下由例如兩個(gè)—但在所示例子中最好為三個(gè)—測(cè)量電極表面21構(gòu)成，這些表面相對(duì)于測(cè)量方向橫向地延伸并沿著測(cè)量方向變窄或變寬。
在此情況下，兩個(gè)外側(cè)測(cè)量電極表面—它們?cè)趫D3所示的情況下成銳角地向右延伸，可與供電測(cè)定電路14的一個(gè)連接部13a相連，而中心的測(cè)量電極表面可與另一個(gè)連接部13b相連，且連接部13b還與地相連。由該電壓的總體效果得到的分壓器的特性，或者更好地說分壓(分布)元件13’的電壓分布特性，雖然是加在測(cè)量電極表面的各個(gè)條的整個(gè)長(zhǎng)度上，卻只與在任何時(shí)刻被覆蓋的其相關(guān)表面部分成比例地起作用，這是由于任何時(shí)間沿著橫向方向同時(shí)覆蓋所有表面的電位測(cè)量探頭15’的板的積分效應(yīng)引起的。這里，也獲得了完全相同線性的提取電壓曲線，其分辨率與圖2的下部所示的一樣高，且一個(gè)額外的優(yōu)點(diǎn)是減小了邊緣效應(yīng)的影響，且在此情況下很容易選擇電位測(cè)量探頭15’的板的橫向尺寸以使它伸出到測(cè)量電極表面以外。
圖4顯示了圖2和3所示的分壓元件的變形的結(jié)合，其中承載板可以由覆在其兩側(cè)的電介質(zhì)構(gòu)成，并在其對(duì)著電位測(cè)量探頭15”的一側(cè)上承載有寬度為B的如圖2所示的電極板19’，這些電極板沿著測(cè)量方向一個(gè)在一個(gè)之后地設(shè)置，且在目前的情況下在電介質(zhì)的對(duì)側(cè)上只設(shè)置有兩個(gè)測(cè)量電極表面25、25’—它們沿著測(cè)量方向以相反的方向變窄或變寬并分別與供電/測(cè)定電路14的相對(duì)連接部相連。在圖4中也采用了電極板19’的相應(yīng)連接部，象在圖2中那樣，但為清楚起見在圖4中沒有顯示。
除了上述的以外，借助如圖4所示的結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步改進(jìn)線性條件和不受干擾的情況，在圖4中電位測(cè)量探頭15”的板包括沿著測(cè)量方向的、對(duì)應(yīng)于矩形電極板19’的延伸部分B的一個(gè)內(nèi)矩形延伸部分B和兩個(gè)附加的最好是三角形的部分，且這些三角形部分從兩側(cè)延伸并在逐漸變窄的同時(shí)同樣具有寬度B。這使得能夠減小在邊緣處的不連續(xù)性，從而與板的幾何形狀相協(xié)調(diào)。
圖5顯示了一種位置檢測(cè)器，它的操作基本上與圖1至4所示的實(shí)施例相同，并被設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)動(dòng)電位計(jì)的形式，該轉(zhuǎn)動(dòng)電位計(jì)包括一對(duì)孿生系統(tǒng)，從而只詳細(xì)描述這些結(jié)構(gòu)中的一個(gè)?？梢钥吹揭粋€(gè)外電阻滑道或電阻路徑13，它具有環(huán)形的形狀并具有在各個(gè)端部的交流連接部13a’、13b’，并且設(shè)置只有一個(gè)外連接部16a的耦合電極表面16’是沿著一個(gè)同心圓段的。
電位測(cè)量區(qū)和電位耦合區(qū)11、12的兩個(gè)靜止表面，被由電位測(cè)量探頭和電位耦合探頭構(gòu)成的公共元件20所掃過，該部件支撐成進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的并可以例如由具有如圖5所示的形狀的沖壓銅板整體地形成，其電位耦合探頭部分17’將提取的電位傳送到耦合電極表面16’
如果對(duì)線性的要求變高，則所有的實(shí)施例都需要進(jìn)行線性度校準(zhǔn)。在電阻元件的情況下，這種校準(zhǔn)可以通過變化電阻路徑寬度而方便地實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于圖2、3和4所示的實(shí)施例，線性度校準(zhǔn)可以通過對(duì)分壓器電阻進(jìn)行校準(zhǔn)與/或通過校正變窄或變寬的導(dǎo)體路徑的寬度，而得以實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于圖4所示的實(shí)施例，還應(yīng)該注意的是，在相反側(cè)上的導(dǎo)體路徑的形狀，即測(cè)量電極表面25、25’的形狀，可以根據(jù)需要選取，只要能夠保證前表面與后元件表面的電容表面之間的電容具有預(yù)定的分割比。這可以通過對(duì)前表面上在不同電極板19之后的元件表面進(jìn)行校準(zhǔn)而實(shí)現(xiàn)。
最后，應(yīng)該注意的是，在圖8中以非常概略的方式顯示的實(shí)施例中，傳感器被設(shè)置在兩側(cè)上，即在電阻路徑的兩側(cè)上設(shè)置了兩個(gè)電位測(cè)量探頭，即第一探頭I和第二探頭II，這樣做非常適合于減小距離變化的影響并同時(shí)減小相對(duì)介電常數(shù)的局部或總體改變的影響。應(yīng)能理解，當(dāng)一個(gè)探頭相對(duì)于它所掃描的電阻路徑的距離改變時(shí)(例如向著距離增大的方向)，這勢(shì)必同時(shí)引起了另一探頭距電阻路徑的距離的減小，因而這兩種影響將基本上相互抵消。
至于測(cè)定電路，可以采用任何已知的與位移傳感器相關(guān)聯(lián)的測(cè)定電路，其中由位移檢測(cè)器提取的信號(hào)得到處理和放大并以適當(dāng)?shù)姆绞降玫斤@示。但特別適合的測(cè)定電路，是其中為了避免干擾影響(這種干擾影響可以是由于漏電阻和在位移檢測(cè)器的輸出端和/或測(cè)定電路的輸入端的寄生電容引起的)，而借助適當(dāng)裝置(即借助對(duì)電位測(cè)量區(qū)的電源電壓的相應(yīng)調(diào)節(jié))，將位移檢測(cè)器提取的信號(hào)調(diào)節(jié)到零值的電位電平的測(cè)定電路。
最后，如果所有基本的部件特別是諸如電阻和集電器路徑、電壓分布元件、提取表面、測(cè)量探頭等等上覆蓋了保護(hù)層，則能夠獲得一種特別有利的實(shí)施例。該保護(hù)層由例如漆等等構(gòu)成，并具有防濕和防磨損的特性，因而這種位置檢測(cè)器可以被用在非常不利的條件下，即被用在流體中(例如在水或其他液體中)。
最后，應(yīng)該注意的是，權(quán)利要求書特別是主權(quán)利要求旨在闡述本發(fā)明而不是本技術(shù)當(dāng)前狀態(tài)的深入知識(shí)，因此不能將它們解釋為具有偏見性效果的。因而，應(yīng)該理解的是本說明書、權(quán)利要書和附圖中所描述的所有特征，對(duì)于本發(fā)明都是實(shí)質(zhì)性的，且可以被單獨(dú)或以任何組合包含在權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.用于確定可移動(dòng)體的相應(yīng)幾何位置、位移或角度的方法，包括沿著預(yù)定電位分布移動(dòng)一個(gè)探頭和測(cè)定該探頭檢測(cè)的測(cè)量值的步驟，其中a)具有在至少一個(gè)方向上的幾何形狀上較大延伸部分的分壓(分布)元件，以這樣的方式被提供有交流電壓，即沿著該分壓(分布)元件至少一個(gè)方向獲得了在至少一個(gè)方向上有不同的交流電壓幅度的一個(gè)交流電壓幅度分布圖，b)根據(jù)所要檢測(cè)的位移、角度或位置，將電位測(cè)量探頭沿著該至少一個(gè)方向引導(dǎo)，并將其保持在與該分壓(分布)元件不相接觸的間隔上，從而使電位測(cè)量探頭根據(jù)它在任何時(shí)刻所處的位置通過電容耦合來檢測(cè)交流電壓幅度分布圖的不同交流幅度，在電勢(shì)探頭的位移期間中電容關(guān)系基本上保持不變，c)電位測(cè)量探頭與一個(gè)電位耦合探頭相連，以電容的方式對(duì)耦合電極起作用，從那里d)傳送由電位測(cè)量探頭測(cè)量的交流電壓幅度值以進(jìn)行測(cè)定，該值根據(jù)耦合探頭與耦合電極之間的對(duì)應(yīng)位置而沿著測(cè)量方向變化。
2.非接觸式基于電容的位置檢測(cè)器，用于確定可移動(dòng)體的各幾何位置、位移或角度，其中設(shè)置了一個(gè)平面分壓(分布)元件(13，13’，13”，13)—它具有至少一個(gè)沿著主方向并被提供有交流電源電壓的的主延伸部分，將一個(gè)電勢(shì)測(cè)量探頭(15，15’，15”)沿著該分壓(分布)元件引導(dǎo)，且不與該分壓(分布)元件相接觸并處于一個(gè)在測(cè)量運(yùn)動(dòng)中不改變的距離上，該電位測(cè)量探頭至少在電氣上與一個(gè)電位耦合探頭相連接，并與該耦合探頭相同步地一起進(jìn)行測(cè)量運(yùn)動(dòng)，該電位耦合探頭以電容的方式與一個(gè)靜止耦合電極表面(16)相互作用，并在其上提供由電位測(cè)量探頭(15，15’，15”)檢測(cè)的、相對(duì)于測(cè)量值線性變化的交流電壓幅度供進(jìn)行測(cè)定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的位置檢測(cè)器，其中電位測(cè)量探頭(15，15’，15”)和電位耦合探頭(17)至少在相對(duì)表面(耦合電極表面16、電壓分配元件13，13’，13”，13)的區(qū)域中構(gòu)成并整體形成了具有平面延伸部分的導(dǎo)電部件，并為了進(jìn)行測(cè)量移動(dòng)而包括一個(gè)共同支撐件，該共同支撐件以這樣的方式設(shè)計(jì)，使電位測(cè)量探頭與電位耦合探頭的區(qū)域中的電容關(guān)系相對(duì)于相應(yīng)的相對(duì)表面(耦合電極表面；分壓元件)基本上不變。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的位置檢測(cè)器，其中帶有其相應(yīng)分壓元件的電位測(cè)量探頭和帶有其相應(yīng)耦合電極表面的電位耦合探頭分別組成了串聯(lián)的測(cè)量和耦合電容器，這些電容不被測(cè)量移動(dòng)所改變。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的位置檢測(cè)器，其中測(cè)量和耦合電容器的可移動(dòng)部分(電位測(cè)量探頭15，15’，15”；電位耦合探頭17)分別能夠沿著測(cè)量方向平行地一起受到驅(qū)動(dòng)，而它們各自的電容器相對(duì)表面(分壓(分布)元件13，13’，13”，13；耦合電極表面16)在承載基底上得到固定支撐。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的位置檢測(cè)器，其中電位測(cè)量探頭(13，13’，13”，13)和電位耦合探頭(17)是機(jī)械和電耦合的。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的位置檢測(cè)器，其中包括電位測(cè)量探頭和相關(guān)的分壓(分布)元件的電位測(cè)量區(qū)(11)和包括電位耦合探頭(17)及其相關(guān)耦合電極表面(16)的電位耦合區(qū)(12)被設(shè)置在絕緣承載基底的相同的或相反的表面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的位置檢測(cè)器，其中分壓(分布)元件(13)是電位計(jì)電阻路徑(13)形式的分壓器。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的位置檢測(cè)器，其中分壓(分布)元件由彼此絕緣的電極板(19，19’)組成，且這些電極板沿著測(cè)量方向一個(gè)在一個(gè)之后地設(shè)置且其每一個(gè)都以適當(dāng)?shù)姆绞脚c電阻梯形分壓電路(20)相連以一起獲得具有階梯電壓曲線的分壓器。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的位置檢測(cè)器，其中分壓(分布)元件(13”)包括至少兩個(gè)且最好是三個(gè)與測(cè)量方向成橫向設(shè)置并沿著測(cè)量方向變窄或變寬的測(cè)量電極表面(21)，且相鄰的測(cè)量電極表面沿著同一測(cè)量方向呈現(xiàn)方向相反的變窄或變寬特性。
11.根據(jù)權(quán)利要求2的位置檢測(cè)器，其中分壓(分布)元件(13””)包括覆在兩側(cè)上的電介質(zhì)并在其一側(cè)即對(duì)著電位測(cè)量探頭(15”)的一側(cè)上帶有沿著測(cè)量方向而一個(gè)設(shè)置在一個(gè)之后的電極板(19’)，并在另一側(cè)上帶有沿著測(cè)量方向變窄或變寬的兩個(gè)測(cè)量電極表面(25，25’)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的位置檢測(cè)器，其中電位測(cè)量探頭(15’)沿著測(cè)量方向的板的延伸部分等于各個(gè)電極板(19)沿著測(cè)量方向的寬度(B)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的位置檢測(cè)器，其中電位測(cè)量探頭的板由一個(gè)矩形部分和在兩側(cè)沿著測(cè)量方向延伸的兩個(gè)三角部分組成，該矩形部分在測(cè)量方向上具有等于電極板(19)的寬度的延伸部分(B)。
14.根據(jù)權(quán)利要求2的位置檢測(cè)器，其中至少一個(gè)由電位測(cè)量區(qū)(11)和電位耦合區(qū)(12)組成的測(cè)量系統(tǒng)被設(shè)置在一個(gè)公共圓形承載基底上，且分壓元件(13)包括一條具有圓周的一部分的形式的電阻路徑和與其同心地設(shè)置并且也沿著一個(gè)部分圓周段的內(nèi)耦合電極表面(16’)，且一個(gè)公共導(dǎo)電部件(沖壓部件)由電位耦合探頭(17’)和電位測(cè)量探頭(15””)的兩個(gè)板狀相對(duì)電容表面構(gòu)成，它在機(jī)械和電氣上經(jīng)過一個(gè)整體形成的中間橋相連并受到共同支撐件的引導(dǎo)而沿著測(cè)量路徑的預(yù)定部分圓周運(yùn)動(dòng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求2的位置檢測(cè)器，其中為了減小距離變化的影響，在雙側(cè)抽取配置中一個(gè)公共分壓(分布)元件(電阻路徑)在兩側(cè)上同時(shí)得到掃描。
16.根據(jù)權(quán)利要求2至15中任何一項(xiàng)的位置檢測(cè)器，其中基本部件(電阻和集電器通路、電壓分布元件、抽取表面、測(cè)量探頭等等)都被覆有防濕和防腐保護(hù)層。
全文摘要
為了確定可移動(dòng)體的幾何位置、位移或角度，沿著至少一個(gè)方向具有較大的幾何延伸部分的分壓(分布)元件提供有交流電壓，而一個(gè)電位測(cè)量探頭根據(jù)所要檢測(cè)的位移、角或位置而保持在不與分壓(分布)元件相接觸的一個(gè)距離上加以引導(dǎo)，從而使電位測(cè)量探頭借助電容耦合并根據(jù)它所處的相對(duì)位置來檢測(cè)交流電壓幅度分布圖的不同交流電壓幅度，該電位測(cè)量探頭與通過電容作用在耦合電極上的電勢(shì)耦合探頭相連接，電位測(cè)量探頭檢測(cè)的交流電壓幅度值從該耦合電極傳送以供測(cè)定。
文檔編號(hào)G01D5/241GK1123404SQ9510664
公開日1996年5月29日 申請(qǐng)日期1995年5月31日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月10日
發(fā)明者F·格萊斯納, D·巴哈勤 申請(qǐng)人:霍斯特塞德爾兩合公司