专利名称:用于对位移物进行控制和定位的电容式直线型或旋转型传感器的制作方法
本发明涉及一种电容式直线型或旋转型传感器，这种传感器通过测量移动物体的位移、角度或速度来控制移动的物体并将其定位。在本发明的一个实施例中，旋转型传感器由两个互相对置的限定出相对空间的定片构成，在这两个定片构成的间隙中有一可转动的动片，此动片可转动地与一个和移动物体耦联的轴相配合。两定片之一和动片之间构成第一气隙(测量气隙)，另一定片和动片之间构成第二气隙(去耦气隙或平衡气隙)，两个定片和动片互相对着的侧面上均有导电涂层，它们与其相应的气隙一起形成电容，其电容值随动片的转动而改变。
这种性质的旋转型传感器在美国专利№.4238781中已有披露。这种已知的旋转型传感器的缺点是输出信号的相位移是以转动角的函数来计算，这就使计算电路相当复杂而精确性却不太高。这种已知的旋转型传感器用于一种读取家庭用电消耗的电表，且仅用于在十位数字间划界以及在输出装置上以数字形式产生这些结果。
因此这种旋转型传感器不适用于高精度定位，特别是机床上机械另件的高精度定位，在这种机床上，需要把角度区分到零点几分的程度。此外，美国书№.4238781没有公开任何耦合电容器的精确正弦电容图形，因为一个定片上的涂层在一个旋转角上的覆盖密度达不到为此目的所需的形状。这就限制了能够达到的精确度。除此之外，同样的条件也适用于动片涂层上，因为动片上的涂层不能沿180°的转角延伸，所以它们不能产生两个正弦半波。由此也损害了可达到的精确度。
为此，本发明的基本目的是提供一种前面定义的旋转型传感器，它具有大大改进了的分辨率，即具有极高的精确度并降低了电路的复杂程度。
为了解决提出的问题，本发明的特征是，在动片和定片上如此设置涂层，使至少产生两个同心的环形区，其中一个区形成粗测系统的测量轨迹，而另一区域形成精测系统的测量轨迹;精测系统的涂层在动片和定片的环形轨迹上以360°的几分之一设置，而粗测系统的涂层则以360°为周期;动片和定片互相关联的涂层所形成的耦合电容建立起沿轴的旋转位移的图形，部分为正弦，再加上几个部分正弦延伸并有不同前置符号的相反位移的电容轨迹，就产生了一个近似完整的正弦电容图形，该图形有一个360°/ni的周期，ni为表示上述测量轨迹的极点对数的自然整数，符号i表示测量轨迹的号码。
因此，本发明的特征是在已知的粗测轨迹上加上了一个精测轨迹，它与粗测轨迹组合起来解决了本发明提出的问题-一高精度和高分辨率地计算旋转角度。
通过在基本已知的粗测轨迹上加上了精测轨迹，本发明的旋转型传感器达到了极好的质量，这是由于能够进行误差校正的缘故，这就是说，统计上的刻度误差与定位故障能够通过取平均值去掉，并且基本自动地平衡动片圆盘对两个定片圆盘或圆板的倾斜影响。
而这类误差(刻度误差、定位故障和倾斜偏移)在美国专利№.4238781的旋转型传感器中造成了精确度上的根本障碍，根据本发明的教导，这种性质的误差影响可以计算并予以消除。
在最佳实施例中，轴是通过两个滚珠轴承可转动地安装在外壳上的，动片是一个圆盘或圆板，它通过一个轴衬固定地连在上述轴上。
该动片平行地位于两定片圆盘之间，定片圆盘与外壳固定相连，动片与定片之间由气隙隔开。
动片和定片均由绝缘基底材料制成。在动片和定片表面的某些区域上形成导体轨迹图形。两个定片上的导体轨迹图形由引线等与电子系统相连，电子系统设置在“SMD”电路板上。
下面描述一种三圆盘系统。
定片、动片和定片按顺序一个紧接一个。测量气隙在一个定片和动片之间延伸，去耦气隙位于动片与另一定片之间。在所有三个圆盘上均以不同半径形成同心的环形区(在三圆盘系统中是两个区)，环形区上设置有适当的导体轨迹。
这些区域中每一个代表一个测量轨迹，在本情况中，它包括粗测轨迹和精测轨迹。各测量轨迹与其相应的电子轨迹计算系统一起组成测量系统。
特别是，精测轨迹图形是以360°的几分之一为周期的，而粗测轨迹图形是以360°为周期的。
一般来说，第i个轨迹的测量范围为360°/ni，ni为正整数，它表示该轨迹的极点对数。结果，在所有情况下，以360°/ni的倍数位移得到的角度均得到同样的读数。
通过把这些轨迹结合起来就可以把具有一个大测量范围的轨迹(粗测轨迹)和另一个具有精确测量分辨率的轨迹(精测轨迹)结合在一起，这样就产生了一个具有精确分辨率和大测量范围的传感器。
在由测量气隙互相隔离的一个定片与动片相互对着的一面上形成的导体图形(涂层)是电容器栅格的电容器涂层，其电容值取决于旋转的角度(测量电容器系统)。动片与另一定片互相对着的一面上的导体轨迹图形构成了电容器，其电容值理论上完全不受旋转角度的影响;这就是它们只能起去耦作用的原因，该隔离气隙便称为去耦气隙。
总共至少有4“类”涂层代表该测量电容器系统。同“类”涂层位于同一表面上，相对于测量轨迹所在的圆环中心的位移360°/ni的倍数，并以同样的方式工作。一个定片上的同“类”涂层通过背面的穿通触点和接线共同连接到电信号上;动片上的涂层借助于穿通触点通过涂层分别引出，并在与该“类”有关的径向截面上去耦，仅在另一定片上去耦之后才把来自同“类”动片上的各个涂层的信号互相连接起来并由电子装置计算。
在所述结构中一个定片上有同形的四类涂层，对每类(从1到4)相对于“零点角”，四种同形涂层的位置配置为移动j× (360°)/(4×ni) +K× (360°)/(ni)(K为任意整数)两“类”1涂层在动片上的配置按相对于动片上所固定的零点角的位移为1× (360°)/(2×ni) +K× (360°)/(ni)
一个定片的每“类”涂层具有与动片的其它每一“类”涂层耦合的电容，其沿轴的旋转位移的电容图形是部分正弦形。
具有周期为360°/ni的纯正弦电容图形由增加若干带有不同的前置符号的相反位移的部分正弦电容轨迹而产生。
图形的移位布局、前置符号的变化和出现的电子相加促成了这些位移。
部分正弦电容轨迹是由涂层呈现的形状所产生的。
涂层应这样成形使得涂层重叠区域在转动位移期间部分正弦地变化。为此有大量可能的方法。选用作实施例的方法是基于一个定片涂层在所建立的角度区内具有的电荷密度为dA(θ)＝常数，因此，电荷密度dA(θ)＝Sin(ni×θ)在待进角度区内(最好是180°/ni)，该电荷密度可应用于动片涂层。
反之亦然，动片上可以是恒定电荷密度，定片上可以是正弦电荷密度。而且，两涂层都可具有正弦函数。
还可增加或减少影响相互抵消(有效的交迭或重迭表面)的互补区。
一个定片上的(四)类涂层由电信号激励，设这些信号为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定义为调制电压，φ称为电角。
动片的(两)类涂层在与另一定片去耦后，按反相连接到前置放大器上，其输出信号被解调。经电容耦合系统产生的信号。
1.cos(ni×θ)2.-sin(ni×θ)3.-cos(ni×θ)4.sin(ni×θ)组成了该输出信号(在任选线路布局情况中)。
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)解调和变换后得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)输出信号从而提供机械角与电角(乘以一个常数)之差乘以ni的正弦;通过φ的适当变化该信号可调为零;其结果使Q＝φ如果φ仅代表预估值，uout可以就φ的预估值被控制为零，否则就表明Q的偏差。
由于正弦函数在接近零处近似线性，所以这种控制作用也可以是稳定的;每个周期中两个零交叉点只有一个在控制作用上是稳定的。
控制精度及读数的精确度随极点对数而线性提高，然而，由于出现精精确的ni稳定零点及φ的非单值性，φ在高极点对数处的360°机械角范围内仅对ni＝1是明确的。这就是为什么工作于绝对电平上的传感器要利用ni＝1的轨迹的原因。
对于每一测量轨迹需要一个轨迹计算电子系统，它以例如ai比特的分辨率来确定标量周期360°/ni内的位置。这些轨迹计算的时序表由逻辑控制系统(在这种情况中称为主站计时)定出，该系统将测量结果在逻辑信号综合系统中合成一个总测量结果。
轨迹计算是在一个控制环路中产生的，该环路构造为一种电容测量电桥，在环路中，“电角”恒定地跟随着机械角。该电角以ai比特被存于计数器中。前面所述的电容测量电桥的激励电压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))
在计数读出Zi时，也从中导出。
在这种情况下，选择具有频率fi的锯齿波电压作为调制电压。由轨迹去耦得到的推挽信号馈给“FET”型高阻前置放大器，注解调后，就含有该时刻的机械角相对于存贮的电角的偏差。又将它馈给具有所需控制特性的控制放大器。在调制电压的一个周期之后，通过“窗口”比较器出现一个Zi是否要增加、减少或保持不变的判定;这样，结果的最大再控频率或比特变化频率等于fi。
如果读数要被跟踪，例如，在最大转速值为6000转/分，相应于100Hz，调制频率就应被选为至少是fi＝ni×2ai×100HZ(在精测轨迹情况下，ni＝16，ai＝6，所以fi≥102.4KHz)。
轨迹计算操作中的所有控制信号是经计数器和门电路从频率发生器中获得的。
除了电容电桥的调制频率，还有解调信号，扫描和保持每个测量周期内的测量结果的“闩锁”信号以及增减电角的时钟或计时信号。至此，如果选择各单个轨迹的调制频率使它们相差2的幂，则在锯齿波形的情况中阻止了轨迹的信号转移。
在信号组合的情况中，结果最低值的比特数直接从精测轨迹(更确切地说带有大ni的轨迹)取得。高值的比特数是通过组合两个轨迹结果(更确切地说如果着多个轨迹，则每次两个)获取的。详细地说，这是因为产生了两轨迹的交迭区，而两轨迹都为这个交迭区或范围提供了测量值或“比特”数。这些值或“比特”数在理想情况中应是一致的，但是由于两轨迹间零点位移、测量错误和粗测轨迹的控制漂移，彼此之间将出现差异。只要这些偏差小于可接受的最大限定值就在交迭区内被检测，高值的其余比特数同样地被增减校正。
在实际的实施例中，两轨迹的零点经过精心位移，使得高值比特数只增加，或保持不变，而不是有增有减，这样就简化了线路。
由于所用的原理是将测量任务分给两个子系统，必须检验两个误差机构。第一个可能的故障是信号组合的失误。在这种情况下，粗测轨迹的测量误差升高到这样一个水平，使得所允许的信号组合范围被起过，并对粗测值进行了有缺陷的修正。由于这将导致测量值突然变化为最低值的比特数的一倍，所以这种故障必须避免。这可以由适当地划分测量范围来实现。
所有其它误差都涉及到与测量分辨率的数量级有关的不精确性。考虑到所用的原理，在这方面只须考虑精测轨迹上的误差(或者在两个以上轨迹时显示最高分辨率)。因此，这将是具有最大半径的轨迹。
但是，传感器的原理具有某些自校正特性在高精密度光学传感器的情况下，对编码盘的偏心率的要求是非常严格的。因为读数只是在读数盘的一个点上读取，所以偏心率dE引起的最大测量误差为dθ＝ (dE)/(γ)但是，应用所提出的原理时，测量是同时在整个读数盘上同时进行的，偏心率在不同的点(涂层)有不同的前置符号，因此偏心率的影响几乎完全消失了。
采用多个测量点从统计学上说减少了由最初不合格的蚀刻中的缺陷等引起的刻度误差。由于精测轨迹具有大量测量点，并且这些测量点对最后的精确度起决定性的作用，所以这种统计减少可能会以特别令人满意的方式起作用。
比较起来，这种方式不受动片或定片倾斜的影响。事实上，由于一个定片的测量信号与动片的各个绝缘涂层相耦合，并且在另一个定片再次复合，所以允许涉及多个单独的测量区。如果在某一点动片朝一个定片运动，则离另一个定片的距离同时增加，而这个测量区对于整个测量区的信号耦合作用和影响几乎保持不变。虽然一个定片的移动会改变气隙，但是其它保持不变，所以整个影响是减小的。
正弦和余弦网给所产生的图形形状和零点移动影响插值的精确度。但是与分辨率计算电路比较，最精确轨迹的极点对数ni降低了这些要求。
由于采用推挽激励程序，一方面漏泄或寄生电容被抵消掉(做得完全一样)，另一方面也抑制了电干扰的影响。
此外，调制频率可以这样选择，使传感器对于已知的干扰频谱非常不敏感。
由于采用自平衡测量电桥，既使波动的放大系数也不起作用，这是因为只有校准灵敏度改变，而且后者在适当的控制特性情况下也失去临界状态(Ⅰ-特性)。
尽管如此，如果瞬时的测量误差仍要上升，那么后续的测量会再次进行校正，因为本系统是绝对测量型。
绝对的角度传感器常常用在定位控制系统中。为了改善这种控制电路的动态工作特性，除了定位以外，有时也检测移动的速度。
在这种情况下，至今仍然经常需要第二种传感器元件(即转速表传感器)。但是也可以用微分从位置信号推导出速度数据。在这种情况下提出的传感器往往提供这样一种速度信号即将启动电子计数器的时钟信号送到一个适当的频率-电压转换器上。当传感器在一个方向上以最大转动速度转动时，在每个测量间隔发一个计数信号并送出一个最大电压;在相反方向，通过计算方向数据使输出电压的极性反向;整个结果是一个当V＝0时U＝0的直线图形u(V)。
与光学或感应或传感器比较，叠加在输出信号上的残存的已解调的调制频率可以更容易地滤掉，并且由于测量系统带宽很宽而改善了动态特性。
本发明的目的不仅从各个权利要求
，而且从各权利要求
的组合表现出来。由于本文所公开的所有信息和特征，特别是的实施例，单独地或者结合起来对现有技术是新颖的，因此都作为本发明的基本内容而要求专利权。
下面具体结合附图叙述本发明，这些附图只表明实施例的一种可能性。为此，本发明的其它特征和优点在附图及其说明中体现出来。
图1表示本发明旋转型传感器的截面，它放大说明动片的倾斜位移;
图2表示电路的方框图;
图3表示比图2更详细的计算电路的方框图;
图4表示旋转型传感器的正向视图;
图5表示分解形式的旋转型传感器的后向视图;
图6表示定片的一个扁形区;
图7表示动片的一个扇形区;
图8a示意表示精测轨迹区的涂层部分的布置;
图8b表示在涂层内积分建立的正弦轨迹;
图8c表示一个微分量;
图8d表示计算电角和机械角的公式;
图9表示与图2比较修改了的计算电路的实施例;
图10表示粗测轨迹的角度指示;
图11表示粗测轨迹信号和精测轨迹信号的信号合成;
图12表示精测轨迹的角度指示;
图13表示在逻辑组合系统中得到数字输出信号的方式的功能图;
图14表示得到数字输出信号的比特位;
图15表示动片电极上得到的正弦形式。
在定片1和定片2之间的间隙中可旋转地设置动片3，动片3通过枢轴承(未示出)可旋转地固定在外壳的轴颈上，并且与轴4可旋转地连接，轴4向外伸出到外壳外面，与被测物体可旋转地连接。
在本实施例中，定片1、2和动片3做成圆盘或圆板的形式。就此而论，定片和动片的外边缘不是关键的。本发明的实质在于在所述元件1、2、3上环形地固着着涂层(下面将叙述这个涂层)。
在本发明的另一形式的实施例中，旋转型传感器做成直线型传感器。为此，动片3作为轴向可移动元件在外壳中直线定向，并且其自由端连接到同样直线位移的被测物体上。
在图1的进一步说明中，“a”表示动片的厚度，“d”表示两个互相面对的定片之间的间隙减去动片的厚度a。
电子计算电路(下面将要叙述)例如可以安装在外壳内的动片2的右侧，并用外壳盖(没有具体表示出)盖住。
据根测量现场的气候条件，外壳也可以是密封封装型的。此外，在图1中还表示出动片可能受一定的倾斜或扭曲缺陷的影响;在图1中故意以夸大的方式表示出这种扭曲缺陷，以表明在这样大的扭曲缺陷的情况下，仍然可以保证良好的测量结果。
实际上，很明显示，在图1所示位置中，动片3与定片1的气隙宽度可以用d/2+△表示，而动片3的另一侧面与定片2的气隙宽度要小些，用d/2-△表示。
按照图1的方框图，其测量原理是，气隙，如气隙5，成为定片1和动片3之间的测量间隙，而第2气隙6成为动片3和定片2之间的去耦间隙。这两个概念的定义，即“测量间隙”和“去耦间隙”的定义下文会予以说明。
按照图1的方框图，其测量原理是利用了导体轨迹图形(涂层)，这些导体轨迹图形是电容涂层或电容网络的“涂复板”，它们在定片1和动片3之间，位于测量间隙区内相互正对着的面上由动片1和动片3的间隙5隔开，其电容值取决于旋转(测量电容系统)的角度。
在动片3和定片2相互正对着的面上的导电轨迹图形(涂层)形成电容，其电容值理论上完全不受旋转角影响;鉴于此原因，这些导体轨迹图形仅起到去耦作用，在动片3和定片2之间的间隙6便被称为去耦间隙。
在按照图2的实施例(只应理解为一个实例)中，动片3在其一面上具有涂层结构13，而在其反面上具有涂层结构14。
涂层结构13和14依靠有待于描述的电接触装置相互连接。
在由间隙5隔开的情况下，涂层7-10位于与涂层结构13相对的定片1上，这些涂层部分7-10相互电隔离。
每一个涂层部分7-10具有与其配置的导体7a-10a，所述导体构成振荡器15的输出端，调节器17发出的一个控制信号作为输出信号，通过导体16输入振荡器15的输入端。鉴于此目的，调节器的输入端由导体11a、12a构成，对于导体11a、12a来说，它们又电连接至定片2的涂层部分11、12。
定片2跨越间隙6(去耦间隙)电容性地耦合到对侧，即动片3的涂层部分14。
振荡器15是自由振荡式振荡器，具体地说是计数器，它进行累加或递减计数，对其来说，计数器按照供给振荡器15输入端的控制信号停止计数，其后，依靠两个相互并行加入的测量值，在其输出侧产生一个具有特定测量频率的sin，cos，-Sin，-cos调幅信号，这样，该调制信号便传输过间隙5、6。
该原理的更具体的描述将在后面结合图4给出。
调节器17，更确切说是接收器，对来自涂层部分11、12(经过构成调节器输入侧的导体11a和12a)的测量信号进行解调，并由此产生一个控制信号，该控制信号通过导体16作用于振荡器15的输入侧上。
图3以方框电路图的形式示出了总体电路。图3的方框电路图包括二个基本相同的方块18和19，18和19具有相同的结构，但工作在不同的频率上。为简化起见，则只描述方块18或19中的一个的功能，另一方块则以类似的方式工作。
图2的振荡器15实质上包括有一个计数器20，计数器20的输出端21(例如是六线电缆)引至逻辑组合系统，该系统影响并控制10比特数据并行输出端。
根据输出端21的比特的处态，导体22、23上便产生信号，这些信号供给方块24、25，方块24、25从加到导体22、23的信号中分别产生正弦信号或余弦信号。
如果比方说将0°的角以二进制状态从计数器20送到输出端21，则获得一个以术语“状态”标示在图2中的具体条件，根据图2，然后在导体7a-10a上产生图2的图形形状作为这个角度的函数。
在导体7a和9a上便出现幅度为0的交流电压，最大可能幅度出现在导体8a和10a上;这二个导体的信号互补。
方块24的输出端26因此输出一个正弦信号，而余弦信号在方块25的输出端27产生。输出端26、27连接至多路调制器28、29，多路调制器28、29各具有二个输出导体30、31，导体30、31作用于驱动器上，每个驱动器又通过关联导体7a-10a作用在相关的涂层部分7-10上。
这些信号然后通过间隙5电容性地传输至动片3的涂层结构13，而在去耦间隙6的情况下，涂层结构14位于与涂层部分11、12相对处，并且与涂层部分11、12建立电容性耦合，在连接在多路解调器33后的方块34中装备有差动放大器，该差动放大器根据二个相互对应的测量推挽状态产生一个单个测量信号作为误差信号供给调节器。
如果误差信号保持在某个阈值以下，下面连接的方块35、36就会被控制，以使得计数器20维持其实际计数器读数;如果调节器的输出超过某个上限值，方块35、36便会依照信号得到调节，以使读数器20进行一步累加计数。如果计数器的输出超过一个下限值，就会导致计数器20进行一步递减计算。
来自多路解调器33输出端的二个误差信号在减法器(方块34)中相减，这样，在理想情况下便会产生一个不影响调节器的零信号。因此，调节器便处于稳定状态，并且不会通过输入端37、38引起计数器20的任何变化。但是，如果在多路解调器33的二个输出信号之间出现偏差，则由减法器34产生的信号不再为零，并且以上述方式对调节器起作用。
在偏差发生时，总电路的计时依靠振荡器41提供。计数器20的高值比特数，为MSB，被供给控制器39的输入端40。
控制器39最初通过导体42从振荡器41接收主定时。在线40上的高值比特数的馈入目的是以前述方式产生Sin、Cos、-Sin和-Cos信号。
就此而论，很明显，在方块24内形成正三角形信号，该信号由后面连接的元件(多路调制器，驱动器)整形为正弦信号，而在方块25的情况下，则由后面连接的元件整形为余弦信号。
尽管误差信号具有其特性和幅度，但还是产生了这些图形的形状。
在本发明的发展中还作了补充，这就是，速度信号通过导线43从频率-速度转换器44去耦，导线43从包括减法器和调节器的方块34中引出。该速度信号的目的是获取被测物体的旋转速度作为补充信息。
在计数器20和20a的每种情况下，以6比特幅度的输出，在逻辑组合系统45中产生二进制输出信号，该信号供给一个10比特幅度的并行输出端46，该幅度的输出允许对作为10比特信号的模拟旋转角进行检测和进一步处理。
在逻辑组合系统中，与方框18相对应的精测系统的信号，和与方块19相对应的粗测系统的信号相加，并且移去2比特，这样做的目的是使二个信号系统能达到完美叠加。该功能的另一部分描述结合图13和14给出。
图4和图5是本发明旋转型传感器的实施例的详细说明图，图4示出了旋转型传感器的前向视图，图5是旋转型传感器的后向视图。
4条螺旋状的导体轨迹47-50位于定片1的前面上，导体轨迹的开头或端头以近乎均匀地分布情况安置在周边上，而分隔的导体轨迹47-50以一定方式螺旋地相互向内环绕，以使它们具有精确且固定的相互间隔，而且不相互接触。
这些导体轨迹供定片1(见图5)背面上的涂层部分7-10相互连接(通过后面描述的穿通-接触装置)之用，即所有参考符号7标出的涂层部分依靠一个螺旋状导体轨迹如导体轨迹47连在一起。同时其它涂层部分也相应地连在一起。至此，涂层部分7-10形成了定义为涂层55的结构的一部分。
以前述方式旋转地与动片3相联的轴4穿过定片1的内孔51。
涂层52呈现延长的导电条带的形式，它们是精测系统部分，在图4所示的动片3的一面的外周边上相互隔置并相互平行，而位于动片3内部区域上的涂层53是粗测系统部分。
这种配置的特点及意义和涂层52、53的形状在前序的描述中予以了定义，也在前序的描述中以数学函数予以定义。
这些涂层这样成形使相互对着的涂层的重叠区亦即动片3上的涂层52上的重叠区和定片1上的含有涂层部分7-10的涂层55上的重叠区在旋转位移中一部分一部分地按正弦变化。就成形而言，具有无数的可能性。在实施例中所选的形状基于这样的事实，即定片1的涂层55的涂层部分7-10在要确定的角度范围内具有不变的电荷密度，而动片3的涂层52具有例如与正弦函数相对应的电荷密度。
同心环状导体轨迹示于定片2的一面上，这在图4中很明了，形成间隙6的一部分的四条这样的轨迹全部在一起最佳地示出。
根据图5，位于精细或精测轨迹的涂层55是环绕定片1内侧面的外园周排列的，而配置于粗测轨迹的涂层56则在定片1的内园周上均匀环形分布。
涂层55的形状正如前文所定义的，具有恒定的电荷密度，在最佳实施例中，有4×16个涂层55以形成精测轨迹;和4个形成粗测轨迹的涂层56。
具有环形截面并径向彼此错开的涂层57、58处于动片3背面的精测轨迹区内。在这方面，关键是动片正面的涂层52的径向长度应恰好与两个涂层57，58的径向长度一致，这样就可以认为动片正面两个相邻的涂层52在每种情况下都具有相反的极性，并且极性相同的每一涂层52或者位于涂层58上，或者位于涂层57上。涂层52的每一个同极性单元接到涂层58的一个单元上;而涂层52的每一反极性单元(即涂层52的每一第二单元)，在每种情况下，接在涂层57的一个单元上。
动片3背面的环形涂层59，在每种情况下配置给动片正面形成粗测轨迹的涂层53(见图4)。
图4所示的定片2的一面上的环形轨迹54接在其背面，如图5所示，在每种情况下，即接在接触轨迹60上，它们通过适当的触点与电子计算系统连接。
在每种情况下，接触轨迹60的两个导体形成粗测系统的导体11、12;或精测系统的导体11a，12a。
图6绘出了定片的环形扇面。分别示出位于正面和背面包括涂层部分7-10的涂层55，和与特定涂层部分互相连接的导体轨迹47-50。
到此为止，穿通接触装置61是以适当的方式安置的，即导体轨迹47通过适当的穿通触点61联接到例如涂层部分7上;导体轨迹48接在涂层部分8上;导体轨迹49接在涂层部分9上;导体轨迹50接在涂层部分10上。
在定片1的环形扇面的径向内侧还可看到配置给粗测轨迹的涂层56同样具有环形扇面的形状;并通过一个穿通触点61接在一个端子上，从而使之可连接到一相应的导线上。
图7以类似的方式表示了动片3的一个扇面。在此图中，可以清楚地看到，配置在精测轨迹的涂层58和57(两者都由虚线表示)，在每种情况下，通过适当的穿通触点61接在位于另一面的涂层52上。其连接方式与前面所说的相同。
同样可见的是，位于动片3的粗测轨迹的新月形涂层53，这一涂层通过适当的穿通触点接在动片另一面的环形涂层59上。
图8a所示是定片1的涂层56的平面展开图。图8a和图8b的示意图不仅可用于精测轨迹涂层的展开图，也可用于粗测轨迹涂层的展开图。因此，在图上也标识了定片1的精测轨迹涂层55的涂层部分7-10。为了简单起见，下面除了对粗测轨迹涂层56的功能进行描述外，不再做更多的描述。所做的描述也类似地适用于位于精测轨迹的涂层55。
图8b表示了动片3的粗测轨迹的新月形涂层53的线性展开图，图8c是个线路示意图。从两个区内的单元E1和E2求得的差值为信号S，它出现在减法器输出端。图8d表示了从机械角和电角得出的误差信号的公式。
为了简化起见，涂层56的矩形部分7-10之间的空间没有表示在图8a中。
图8b中的阴影区是对应于测量数量的区域。在图示的实施例中，图8a和图8b的涂层56，53的比较为任选的。
如果计算电路是这样选择，即将画在图8b上部的阴影区的负E2涂层改为相反极性，这一涂层则应折到下面来;从而获得了理想的正弦曲线，如虚线部分。
在这种情况中，由于形成了断续性的正弦曲线，便可顺次连接这些涂层而得到一个完全连续的(稳定的)正弦图形。
例如，信号E1是62部分的涂层9、8，7的信号之和;从而这一涂层信号的积分便产生了电压E1，由此，按照图8d中上面的公式产生误差信号，根据前面的解说，这一误差信号是电角和机械角的函数。
按照图8d，偏差值给出了在测量操作时保持不变的第一批数据量，可用于测量外壳的紧固，轴的紧固，及外壳内的部件。
图9再次表示了对应于图3所描述的线路的控制线路系统，所示的是一个简化方框图。在图3中出现过的部件所用的说明和图3相同。
这表明，这是一个闭环控制系统。当受到激励后，这一系统向测量值收敛，并在测量操作的过程中紧紧跟随测量值。
图10至图12以图形的形式表示出粗测轨迹信号如何与精测轨迹信号组合;从而得到一个具有绝对型函数的高分辨率的信号。
图10表示了粗测轨迹指针63是怎样按绝对基准指示角度的，但精确度和分辨率较差。在图12中，对角度的测量值由具有高分辨率的另一个系统提供而具有多值性。
在图11中，实际出现的角度是由测量值来确定的，更确切地说是由图10和12中的指针确定的。图10中的不精确性和图12的多值性因此而消除，借助于图10的优点，即绝对函数的优点，和图12的优点，即精确度，建立了角度测量，而消除了各自的缺点。
图13表示了精测轨迹和粗测轨迹的信号收敛性，就此，作为概括它示出了其它信号也可以馈入，即从中等分辨率的轨迹或从其它轨迹馈入。
这表明来自图3中导体65的振幅为6比特的精测轨迹的输出加入到从粗测轨迹来的导体66，它同样地有一个6比特幅度的信号，这两种信号在逻辑组合系统45中组合，作为一个10比特幅度的数据输出提供给数字计算电路。
在逻辑组合系统中6比特幅度的两个通道的组合情况如下精测轨迹的6比特直接从数字输出信号中取出，作为最低值或权的6比特。粗测轨迹的最高权的4比特或是减一，或是增加，或是作为一个组合的函数(这还要进一步加以描述)保持不变。这4比特形成数字输出信号的较高权的较高的4比特。精测轨迹最高权的2比特和粗测轨迹最低权的2比特代表重叠区，他们大致相等。可由此得到一个信号的最高权的前述比特数是否保持不变的结论。
由于这一作法，可以保证输出信号分别在粗测轨迹和精测轨迹的不规则比特的过渡中不会跳变。就此而论，有一种特定的方法，可保证两个轨迹，即粗测轨迹和精测轨迹，相互之间错开一定相位，使粗测轨迹的4个最高权比特或是增加，或是保持不变。由于只需要一个可转换增值器，而不是全加器，这就减少了本方案的电子线路的复杂性。
示于图14中的各个位的组合中均带有一个重叠区。如果M1是最精测轨迹的整个宽度，M2是粗或较粗的粗测轨迹的整个宽度，K1，2就表示重叠区。它在逻辑组合中的结果是逻辑组合系统在这一范围内被激励，并确保这一区域内的比特传送到输出端。
各轨迹的振幅减少到输出项的总振幅是显然的。实际上的意义是m1+m2-K1，2是该系统的输出信号幅度。
该图还概括地表示了有几个轨迹存在，但只示出了两个轨迹，这只是做为本实施例的一个特例。
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况下，由于重叠区占了2比特的区域，则可获得10比特的总分辨率。
这一分辨率原则和组合原则适用于任何轨迹数目。
图15表示动片图形平面图。如果能够获得满意的线性度，它便具有分辨率不受角度影响的优点。
根据上文，应当可以看到，加在绝缘材料上的涂层不一定是金属表面。另一没有专门提到的实施方案可利用能够提供同样电容调制的绝缘材料。应予理解的是动片涂层同动片上所划出的容积单元一道形成填有不同介质的容积。这意味着这些容积具有不同于邻近容积单元的介电常数。
权利要求
1.一种通过测量移动物体的位移、角度或速度对该物体进行控制和定位的电容式直线型或旋转型传感器(实施例中为旋转型)包括两个对置的确定一相对间距的定片，定片的间隙中置有一个可在其中转动的动片，动片与主轴相联，主轴又与位移的物体相联，在一个定片和动片之间形成了第一气隙，在另一定片和动片之间形成了第二气隙，在定片和动片的互相对着的各面均涂有导电涂层，它们与相应的气隙一起组成了电容器，其电容值随动片的转动而变化，上述这种传感器的特征在于在动片和定片上的涂层要配置得至少形成两个同心的园环区，其中一个区组成粗测系统的测量轨迹，而另一个区组成精测系统的测量轨迹，精测系统的涂层以360°的几分之一周期地配置在动片和定片的园环轨迹上，而粗测系统的涂层则以360°为周期配置，这样，由动片和定片相互相应的涂层所产生的耦合电容沿主轴的旋转位移图形部分地呈正弦形，加上带有不同前置符号的相对位移的部分正弦电容图形，就可产生一个周期为360°/ni的近似为纯正弦关系的电容图形，ni为正自然整数，用以表示具体测量轨迹的极点对数，下标i表示测量轨迹的号数。
2.根据权利要求
1的旋转型传感器，其中，在一个精测轨迹和一个粗测轨迹的情形时，在定片的涂层上有四个相同形状的不同涂层部分，而这种关系对于一个涂层部分的每类j(j由1至4)都适用，于是，相对于另一个相当于零角度的涂层部分，该涂层部分的位移可用下式表示j× (360°)/(2×ni) +K× (360°)/(ni) (K为任意整数)而在动片上的两类“L”涂层，其相对于一个零角度(相对于动片固定)的位移用下式表式L× (360°)/(2×ni) +K× (360°)/(ni)
3.根据权利要求
2的旋转型传感器，其中，在精测轨迹的涂层区内，定片的每一涂层区在每种情形下用下列信号电压激励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为调制电压，φ为电角，这样在定片上去耦并送至前置放大器后，动片的两类涂层反相连接，其输出信号被解调并经重新整形后得到如下的信号图形uout＝U0×2×sin ni(θ-φ)θ为机械角，这样，改变φ使等式中θ＝φ，输出Uout只对预估值φ被控制为零，而其它φ值时，表示θ的偏移。
4.根据权利要求
3的旋转型传感器，其中每个测量轨迹配置一个电子轨迹计算系统，该系统在标量周期360°/ni内以ai比特分辨率确定位置，使电角φ跟随机械角θ，而电角以ai比特贮存在计数器内。
5.根据权利要求
4的旋转型传感器，其中粗测系统的数字输出与精测系统的数字输出在逻辑组合系统中被组合，与逻辑组合系统的两个输入比特值振幅之和比较，逻辑组合系统的数字输出信号至少被降低2比特，而在精测系统的6比特振幅情形时，所有的比特值被直接转换成为该逻辑组合系统的10比特振幅输出信号，粗测系统的6比特振幅数字输出的4个最高数比特则可增加或减少1比特，或保持不变，作为在精测轨迹的两个最高权比特与粗测轨迹的两个最低权比特之间的交连是否呈现某个特定值的函数。
6.根据权利要求
1的旋转型传感器，其中，动片和定片以绝缘材料制成，而涂层和所有的其它导电元件则由导电材料构成，动片和定片的正面和背面间的电连接由穿过绝缘材料的穿通触点建立。
7.根据权利要求
6的旋转型传感器，其中定片的一面上配置4个螺旋形导体轨迹，它们与相应的导体相连，而且导体轨迹经穿通触点与定片的另一面上的涂层部分连接，并附着在精测轨迹的涂层上，使得4个涂层部分极性不同时，将信号送至各涂层部分。
8.根据权利要求
7的旋转型传感器，其中与精测轨迹相关联的，属于定片涂层的涂层部分的电荷密度是不变的，而且，位于动片前面的并与定片涂层部分相对的涂层上的电荷密度呈正弦函数分布，而在轴旋转移位时，动片和定片互相对着的涂层的重叠区一部分一部分地呈正弦变化。
9.根据权利要求
7和8的旋转型传感器，其中在动片背面的精测轨迹区域内配有两个在径向上相互错开的园环，其上包括电气上分开的涂层，该涂层的径向长度与前面上的涂层的径向长度相一致，涂层的每个同极性涂层部分与涂层的一个单元连接，而涂层的每个反极性涂层部分在每种情况下都与涂层的一个单元连接。
10.根据权利要求
1的旋转型传感器，其中，涂层由绝缘材料制成，该绝缘材料的介电常数与动片的其它表面材料的介电常数不同。
11.根据权利要求
10的旋转型传感器，其中，介电常数比上述其它表面材料的介电常数要高。
12.根据权利要求
1的旋转型传感器，其中，为了消除动片上精测轨迹区内的倾斜和/或偏心误差，位于前面的同极性的，互相隔开的涂层彼此绝缘，并在所有情况下都与背面上的与之相应的各涂层的各个涂层部分各自连接。
专利摘要
一种通过测量移动物体的位移、角度或速度对该物体进行控制和定位的电容式直线型或旋转型传感器(实施例中为旋转型)包括两个对置的确定一相对间距的定片，定片的间隙中置有一可在其中转动的动片，其特征是动片和定片上的涂层形成粗测系统的测量轨迹和精测系统的测量轨迹，通过在已知的粗测轨迹上增加精测轨迹，本发明的传感器具有大大改进了的分辨率，即具有极高的精度并降低了电路的复杂程度。
文档编号H03M1/64GK87106077SQ87106077
公开日1988年6月1日 申请日期1987年9月2日
发明者克劳斯·彼得·克鲁姆霍茨, 索马斯·沃特 申请人:亨格斯特勒有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan