专利名称：用于绝对位置的测量的电容型测量器具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于如数字游标卡尺之类手动工具的位移测量器具，特别是，涉及一种用于绝对位置的测量的所谓电容型测量器具，所说测量是根据位移传感器的可动元件相对于其固定元件的相对位置而进行的。
具有电容型位移传感器的小型测量器具，例如数字游标卡尺，数字测微计和测高器之类正在被日益广泛地应用。电容型位移传感器包括固定元件，如主标度尺，和可动元件，如游标，可动元件相对于固定元件是可动的。大量的电极配置在固定元件和可动元件上。当可动元件相对于固定元件运动时，这些电极间的电容发生变化，传感器输出随电容周期性变化的电信号。因此，可动元件相对于固定元件的位移得以被测量。
根据其输出信号的形式，位移传感器被分为两种类型，即增量型和绝对型。增量型传感器连续地检测周期信号，以测量游标相对于某一参考位置的位移。与此相反，绝对型传感器测量可动元件相对于固定元件的绝对位移(位置)。例如，在绝对型传感器中，根据在可动元件和固定元件上构成的电极图形的形状，输出表示粗节距，中节距和细节距的周期信号。包含这些节距的周期信号中的相位信息被加以合成。从而测得了可动元件的绝对位移。
这种电容型绝对位移传感器的原理公开在第4420754号美国专利中。当将这种位移传感器用于小型测量器具时，信号处理电路部分应当做成IC芯片的形式。此外，电池应当置入在器具中。为了减少电池的尺寸，提高它的使用寿命，简化其替换操作以及节约天然的能源，系统的平均电流消耗应尽可能地降低。
本发明的一个目的是提出一种用于绝对位置的测量的电容型测量器具，该器具能够使系统的平均电流消耗降低，从而减小其电源的大小并延长其使用寿命。
本发明的用于绝对位置的测量的电容型测量器具包括一个具有可动元件和固定元件的位移传感器，其中可动元件与固定元件电容耦合并可相对于固定元件运动，位移传感器则根据可动元件相对于固定元件的位置输出信号;一个用于处理位移传感器的输出信号并对应于可动元件相对于固定元件的位置输出一个绝对测量值信号的信号处理电路;一个用于控制位移传感器和信号处理电路的运作的控制电路;和一个向位移传感器、信号处理电路和控制电路提供电能的电源;其中的控制电路包括启动控制装置，该装置按照适当的时间间隔周期地启动信号处理电路，以进行间歇的测量操作。
本发明的绝对型测量器具的电源仅当测量到最终测量位置时才需接通。然而，如果电源仅在达到最终测量位置时接通，由于数据显示没有跟踪位移传感器的运动，使得数据显示变得不自然。另一方面，如果电源连续供给测量器具，功率消耗就变得十分大。但是，根据本发明，器具电能的消耗有效地降低并且数据显示自然。
在本发明中，周期性测量的时间间隔可根据下文介绍的几种方法以可变方式加以控制。
在第一种方法中，间歇测量的时间间隔能够根据位移传感器的可动元件相对于其固定元件是否运动或者是否停止(即位移传感器是否运动或是否停止)以可变方式加以控制。当位移传感器停止持续了一段特定的时间，则该测量的时间间隔比正常测量状态下要大，当预定长的时间已经过去时，电源会关闭。因此，由于测量的时间间隔能够根据位移传感器的工作状态以可变方式加以控制，系统的平均功率消耗降低。例如在数字游标卡尺中，其传感器停止的时间远大于传感器运动的时间。所以，如果采用本发明，当用绝对型位移传感器进行的周期性测量的时间间隔是以可变方式加以控制时，平均电流消耗会有效地降低。结果可以减小电池的大小而其使用寿命却得以延长。
在第二种方法中，间歇测量的时间隔能够根据系统电源的电压水平以可变方式加以控制。例如当电源的电压水平低于预定值时，测量的时间间隔就会延长。因此，系统的平均电流消耗能够借助低压供电得以降低，并且系统能够在低于现有技术基准的电压下可靠地工作。而且还可以减小电源电池的尺寸，延长其使用寿命。
本发明的其它目的及优点将在下文中予以介绍，通过该描述，它们会变得明显，或者通过本发明的实施而得以理解。本发明的目的和优点通过在附加的权利要求中所特别指出的方案及其组合而得以实现。
图1是表示根据本发明一个实施例做出的位移测量器具的结构的方框图;
图2A是表示根据第一实施例做出的位移传感器的游标结构的示意图;
图2B是表示根据第一实施例做出的位移传感器的主标度尺结构的示意图;
图3是表示根据第一实施例做出的位移测量器具间歇测量过程的控制流程图;
图4是表示根据本发明的第二实施例做出的位移测量器具的系统结构的方框图;
图5是表示根据第二实施例做出的位移测量器具的间歇测量过程的状态转换的状态图;
图6是表示根据第二实施例做出的位移测量器具间歇测量过程的电压波形图;
图7是表示根据本发明第三实施例做出的位移测量器具的结构的方框图;
图8A是解释第三实施例的测量方式的示意图;
图8B是解释第三实施例的污染检测方式的示意图;
图9A是解释污染检测原理的示意图;
图9B是解释污染检测原理的另一个示意图;
图9C是解释污染检测原理的又一个示意图;
图10是表示根据本发明第四实施例做出的位移传感器的结构的方框图;
图11是表示根据第四实施例做出的测量方式和污染检测方式的工作过程时序图;
图12是表示根据第五实施例做出的电源电路结构的方框图;
图13是解释图12所示的电源电路工作过程的波形图;
图14是解释图12所示的电源电路工作的曲线图;
图15是表示图12所示电压检测电路和开关电路结构的电路图;
图16是解释图15所示的电路工作的波形图;
图17是表示具有图12所示的电源电路的位移测量器具结构的方框图;
图18是表示根据本发明第六实施例做出的位移测量器具的方框图;
图19是第六实施例的工作过程的时序图。
这些附图与说明书相结合并构成说明书的一部分，它们表示了本发明的现有最佳实施例，并且附图与上面的一般说明和下述对最佳实施例的详细说明结合在一起，用以解释本发明的原理。
参阅图1，该图表示根据本发明的第一实施例做出的位移测量器具。在该位移测量器具中，测量工作过程、即绝对型位移传感器(在下文中，该传感器称为ABS传感器)1的输出信号的处理是以间歇方式进行的。由于ABS传感器1与增量型位移传感器相反不需要连续的计数操作，它能够在很短的时间内测定绝对位置。因此，ABS传感器能够实现间歇测量。在该实施例中，间歇测量的时间间隔可以根据位移传感器1是否运动或是否停止以可变方式加以控制。
ABS传感器包括一个游标21和一个主标度尺22。游标21是如图2A所示的可动元件，而主标度尺22是如图2B所示的固定元件。游标21和主标度尺22间隔开一预定的小的距离。游标21沿测量轴线X的方向是可移动的。在游标21的中央部分处，按照预定的节距Pt0在游标21的纵向上配置有若干个第一发射电极23。该第一发射电极23以电容耦合方式耦合到按节距Pr配置在主刻度盘22上的接收电极24a和24b。接收电极24a和24b以三角或正弦波的图形配置。接收电极24a和24b分别连接到与其邻近配置的第二发射电极25a和25b上。第二发射电极25a和25b分别按节距Pt1和Pt2配置。发射电极25a以电容耦合方式耦合到配置在游标21上的检测电极26a和26b上。发射电极25b以电容耦合方式耦合到配置在游标21上的检测电极27a和27b上。检测电极26a和26b一个挨一个按节距Wr1(＝3Pt1)配置。检测电极27a和27b一个挨一个按节距Wr2(＝3Pt2)配置。
第一发射电极23一般按八个间隔相联接以便形成若干个8电极组。由彼此相位差为45°的8相周期信号组成的激励信号Sd施加到每一个8电极组。激励信号Sd是正弦波信号被高频脉冲切隔所形成的信号。激励信号Sd由图1中的激励信号发生器2所产生并由其输出。
在第一发射电极23处利用激励信号Sd所产生的电场图形的节距Wt比发射电极23的节距Pt0高8倍。节距Wt比接收电极24a和24b的节距Pr高N倍。N的数值最好为奇数例如1、3、5，等等。在该实施例中，N的数值指定为3。因此，连续的8个发射电极23通常以电容耦合方式耦合到3或4个接收电极24a或24b上。
当激励信号施加到发射电极23时，检测电极26a，26b，27a和27b产生各自的输出信号，这些信号分别对应于第一发射电极23与接收电极24a和24b之间的电容耦合强度以及第二发射电极25a和25b与检测电极26a、26b、27a和27b之间的电容耦合强度。接收电极24a和24b所接收的信号的相位取决于在第一发射极23和相应的接收极24a和24b之间的电容耦合面积。这些耦合面积依赖于游标21相对于主标度尺22的相对位置而变化。
如果接收电极24a和24b的节距与第二发射电极25a和25b的节距相等，检测电极26a、26b、27a和27b检测每当主标度尺22的X位置偏离节距Pr时所产生的周期信号。在该实施例中的ABS传感器1中，为了检测三种等级的位移，即粗位移(粗标度级)、中位移(中标度级)和细位移(细标度级)，第二发射电极25a和25b分别相对于接收电极24a和24b产生偏移D1(x)和D2(x)。偏移D1(x)和D2(x)是由参考位置x0所测量的相应距离x的函数。偏移D1(x)和D2(x)按下式得出。
D1(x)＝(Pr-Pt1)x/Pr……(1)D2(x)＝(Pr-Pt2)x/Pr……(2)当以电容耦合方式耦合到第二发射电极25a和25b的检测电极26a、26b、27a和27b的波形图形的节距被设定满足关系式Wr1＝3Pt1和Wr2＝3Pt2时，检测电极26a和26b输出信号B1和B2，其中对应于检测电极26a和26b的波形图形的短期部分分别叠加到对应于偏移D1(x)的长期部分上。此外，检测电极27a和27b输出信号C1和C2，其中对应于检测电极27a和27b的波形图形短期部分分别叠加到对应于偏移D2(x)的长期部分上。
信号B1和B2的较长期分量的相位是相反的，而其较短期分量的相位则是相同的。所以，通过一个信号与另一个信号相减得到一个较长期信号，而通过相加这些信号得到较短期信号。这个特点能够用于检测信号C1和C2。当电极图形设定使得检测信号B1和B2的较长期比信号B1和B2的较短期大几十倍，检测信号C1和C2的较长期比检测信号B1和B2的较长期大几十倍时，每一水平的位移可通过下式得到。
C1-C2[粗标度级]……(3)B1-B2[中标度级]……(4)(B1+B2)-(C1+C2)[细标度级]……(5)上述ABS传感器的基本结构和工作原理与在上面提到的第4879508号美国专利等所述的是相同的。
输出信号(C1-C2)利用粗标度级解调器3和粗测相位检测器6处理。输出信号(B1+B2)利用中标度级解调器4和中测相位检测器7处理。输出信号[(B1+B2)-(C1+C2)]利用细标度级解调器5和细测相位检测器8处理。每一个解调处理都是利用激励信号波形的斩频取样方法、混合方法、低通滤波方法、数字处理方法等进行。在此之后，产生一个在其边界处含有相位信息的方波相位信号CMP。在该实施例中，得到了3种相位信号，即粗标度级相位信号CMPCAO，中标度级相位信号CMPMED和细标度级相位信号CMPFINE。相位检测器6、7和8参照从激励信号发生器2接收的具有0°相位的激励信号Sd来检测各自的输入信号的相位。所检测的相位以数字值方式输出。
相位检测器6到8的输出数值利用合成电路进行加权和合成。合成电路10从偏移存储器11接收一个偏移数值，该存储器是一个EEPROM芯片或其类似物。因此，合成电路10调节该合成值的偏移量。合成电路10的输出被送到计算电路12。例如，计算电路12将电极的节距转换成其实际的尺寸值。控制电路9产生对间歇测量所必需的启动/休止信号ON/OFF，时钟信号CK，复位信号等等，并将它们输出到上述各电路中。通过计算电路12所得到的实际尺寸值在LCD(液晶)显示器13上显示。在该实施例中，将一个置入型小电池用作系统的电源14。电源14的输出电压VDD利用调节器15调节然后供给整个系统。
在该实施例中，装设有一个传感器位移检测器16。传感器位移检测器16对从计算电路12加到LCD显示器13的输出信号进行监测，以便检测ABS传感器1的运动。传感器位移检测器16的输出送到控制电路9。控制电路9对应于ABS传感器1的运动状态以可变方式控制间歇测量的时间间隔。
图3是表示根据传感器位移检测器16的输出由控制电路9进行测量时间间隔控制的工作过程的流程图。在正常测量方式下(步骤S1)每秒进行10次测量(测量周期40毫秒)。当ABS传感器1停止时，控制电路9测量ABS传感器1的停止时间并在ABS传感器1已经停止后判别是否持续经过1分钟(步骤S2)，当控制电路9判定在ABS传感器1停止后持续1分钟则将测量方式从正常测量方式变到每秒测量5次的稀疏测量方式(步骤S3)。当ABS传感器1开始运动时，控制电路9将测量方式恢复到正常测量方式。控制电路9判别ABS传感器1的停止时间是否超过3分钟(步骤S5)。当控制电路判定持续3分钟则关掉电源(步骤S6)。
因此，根据该实施例，间歇测量的时间间隔和系统的电源是根据传感器1的位移状态进行控制的。因而，系统的平均电流消耗能够降低而电池的寿命能够延长。
控制电路9包含一个ZERO/ABS开关SW1和OFF开关SW2。当ZERO/ABS开关SW1在电源断开状态下按下时，控制电路9被启动并使LCD显示器13显示一个测量值。当该开关SW1再次被按下时，LCD显示器13被零复位并显示“0”。换句话说，无论何时ZERO/ABS开关SW1被按下时，测量值和0交替显示在LCD显示器13上。当电源14是太阳能电池时，OFF开关SW2是不需要的。
控制电路9还接收监测电源输出的电压检测器17的输出。当电源的输出电压低于预定参考值时，控制电路9向系统的每一个电路输出测量终止信号。
在上述实施例中，当位移传感器停止后已经持续1分钟时，间歇测量的时间间隔加倍。然而，应当指出，停止时间和测量时间能够设定为其它适当数值。此外，测量的时间间隔对于停止时间可以按若干个数值变化。再者，通过控制每个时间单位的测量时间，可以得到同样的效果。传感器的位移可以利用位移传感器1的输出或另一个信号处理电路的另外的结点信号，而不是利用LCD显示器的输入信号来检测。此外，蓄电池、二次电池或太阳能电池可以代替常规的一次电池。
图4是表示根据本发明的第二实施例作出的位移测量器具结构的方框图。该位移测量器具包括ABS传感器41，信号处理电路42和控制电路43。ABS传感器41和信号处理电路42的实际结构与上述第一实施例的相应部分是相同的。在第二实施例中，蓄电池或者太阳能电池用作系统的电源45。电源45的输出电压总是由电压检测电路44进行检测。
在该实施例中，代替检测ABS传感器的运动状态或与之相补充，间歇测量的时间间隔根据电源的电压进行控制。电源的系统工作电压为例如1.5V。电压检测电路44利用三个阈值1.5V、1.4V、1.3V检查输出电压。控制电路43根据电压检测电路44的输出电压对间歇测量的工作过程以可变方式控制每个时间单位的测量时间。
在该实施例中，测量的时间间隔按照图6所示加以控制。当电源电压超过1.5V时，测量的时间间隔设定为100毫秒(即每秒进行10次测量)当电源的电压为1.5V或较低时，测量的时间间隔设定为200毫秒(即每秒进行5次测量)。在这些情况下，测量时间是40毫秒。如第一实施例一样，控制电路43也向系统的每一个电路提供复位信号、时钟信号等等，以便控制整个系统。
图5是表示根据第二实施例提出的位移测量器具的间歇测量工作过程的状态转换的状态图。如上所述，测量的时间间隔根据电源电压是否超过1.5V而变化。此外在该实施例中，当电源的电压处在1.3V-1.4V的范围内时，只有控制电路43保持工作，而测量工作过程则停止。这是因为控制电路43保持在备用状态，使得它能够在电源电压超过1.5V之后立即重新开始工作。当电源电压为1.3V或低于它时，整个系统的工作停止。
在该实施例中，由于测量的时间间隔是根据电源的电压控制的，使得系统的平均功率消耗能够降低。特别是，在使用太阳能电池的ABS传感器系统中，因为系统的平均电流消耗在低照度的状态下降低，测量工作能够在比常规系统低的照度下进行。此外，利用太阳能电池的输出电压的检测结果，在低照度下可以发出报警指示。
在该实施例中，测量的时间间隔按两级加以控制。然而，应当指出测量的时间间隔可以按三级或更多级，或者根据照度连续地加以控制。在该实施例中，测量的时间间隔利用固定的测量时间加以控制。然而应当指出，测量时间可以利用固定的间隔加以控制。采用这种方式，由于每个时间单位的测量时间是可控制的，功率消耗能够降低。
在本发明的电容型位移测量器具中，如上所述，在发射电极和接收电极之间的电容是根据游标相对于主标度尺的相对位置关系而变化的。因此，电容根据别的因素发生变化是不可取的。例如，当一种污染物质，如水，存在于ABS传感器发射电极与接收电极之间时，该物质使得其间电容发生变化。因此，测量精度变差。在下面的第三实施例中，作为对常规位移测量方式的补充，还提供了一种污染检测方式，在该污染检测方式中，系统自动检测是否在其中存在污染并显示其结果。
图7表示具有这样一种污染检测方式的系统的结构。为了简化，与图1相对应的部分用相同的参考数字标注并且对它们的介绍予以省略，参照标号70是一个加法/减法电路，它按照在位移测量方式中的上述表达式(3)至(5)进行计算。加法/减法电路70包括在图1所示的解调器电路3至5之中。在污染检测方式中，加法/减法电路70接收ABS传感器1的输出信号并执行C1+C2+B1+B2的计算。
在该实施例中，一个方式控制电路71被提供用于在位移测量方式与污染检测方式之间进行开关控制。加法/减法电路70和激励信号发生器2由方式控制电路71的输出信号控制。如同在位移测量方式中一样，污染检测方式的计算输出信号利用监测信号解调器72和监测相位检测器73进行处理。监测相位检测器73检测已解调的监测信号的相位。相位检测器73的输出信号送到一个判别电路74，由其判别ABS传感器1是否被污染。
在污染检测方式中，ABS传感器的发射电极被分成单元组，用于检测污染的激励信号一个接一个地施加到这些单元组中。当在各个单元组之间的检测输出信号的相位差处于预定的范围内时，判别电路74判定ABS传感器1没有被污染。否则，判别电路74判定ABS传感器1已被污染。判别电路74的判别结果显示在LCD显示器13上。实际上，判别电路74中有一个存储器，它存储从监测相位检测器73接收的数字相位信号，以便依次比较和判定接收的相位信号的数值。
下面将介绍该实施例的污染检测方式的工作原理。图8A是ABS传感器1在正常的位移测量方式下的示意图。图8B是在污染检测方式下的示意图。在这些图中，T对应于配置在图1中游标21上的发射电极23，而R对应于配置在图中主标度尺22上的接收电极24a和24b。
在正常的位移测量方式下，如图8A所示，彼此之间相位差为45°的正弦波激励信号(以下称为第一发射信号)被施加到8个发射电极T。在图中，接收电极R按照4个发射电极T的间隔配置。各接收电极R交替地连接到信号处理电路和接地。
另一方面，在污染检测方式下，如图8B所示，发射电极T被分成4电极单元组T1和T2。例如，彼此之间相位差45°的正弦波信号(以下称为第二发射信号)被施加到单元组T1的4个发射电极上，在此之后，同样的激励信号被施加到单元组T2的4个发射电极上。所有的接收电极R被连接到信号处理电路上。因此，在发射电极组T1和T2的每一组与相应接收电极之间的电容都是相同的。首先，激励信号被施加到单元组T1并且得到接收电极所检测的信号的相位(这些相位称为第一相位)。接着，激励信号被施加到单元组T2并且得到接收电极所检测的信号的相位(这些相位称为第二相位)。如果第一相位和第二相位间的差值处于预定范围中，则判定结果是“正常(未被污染)”。否则判定结果为“不正常(已被污染)”。使用者可从LCD显示器上知道判定结果，并决定是否开始进入测量方式或者清理电极的表面。
在污染检测方式下，每一个单元组中的发射电极的数目并不只限于4个。每一个单元组可以由2个或任意多个电极，而不是4个构成。此外，例如，单元组可以以这样一种方式构成，即第一单元组由连续4个发射电极构成，第二单元组则由在第一单元组左侧和右侧的总共4个发射电极所构成。所用的不同类型的单元组的组合越多，测定误差就变得越小。
图9A到9C是表示发射信号和接收信号的相位关系的向量图。这些图是用于解释污染检测方式的工作原理。发射信号向量X由在图9A所示的彼此之间相位差为45°的若干正弦波信号合成而形成的。发射信号向量X被检测成为如图9B所示的接收信号向量Y。单元组T1的接收信号向量Y的相位Θ2与单元组T2的对应相位相同，除非在各电极间存在污染物质。为了介绍简便，假设发射信号向量X的相位Θ1与接收信号向量Y的相位Θ2相同。然而，在实际的器具中，由于信号检测电路的电容及电阻的存在，这些相位一般是不相同的。
如图8A和8B所示，当在电极单元组的0°处发射电极与接收电极R之间存在污染物质Z时，构成接收信号向量的0°相位分量发生变化。因此，如图9C所示，接收信号向量Y的相位Θ3不同于如图9B所示的接收信号向量Y的相位Θ2。因此通过比较每个单元组的接收信号向量的相位能够判定是在各电极之间是否存在污染物质。
在图7所示实施例中，提供了一个用于正常位移测量方式和污染检测方式的专用信号处理电路，以进行方式开关控制。在图10中，表示了另外一个实施例(以下称作第四实施例)。在该实施例中，位移测量方式和污染检测方式两者共用一个信号处理电路并且按照时间分配基本原则进行开关控制。因为第四实施例的基本结构与第三实施例的基本结构相同，同样为了简便，对应于第三实施例的部分使用同样的参考数字标注，对它们的介绍省略。
在图10中，参照标号81、82和83分别是粗标度级处理电路，中标度级处理电路和细标度级处理电路。如图7所示，粗标度级处理电路81包括粗标度级解调器3和粗标度级相位检测器6。同样，中标度级处理电路82包括如图7所示的中标度级解调器4和中标度级相位检测器7。细标度级处理电路83包括如图7所示的细标度级解调器5和细标度级相位检测器8。在这些信号处理电路中，中标度级处理电路对正常测量方式和污染检测方式两者都进行信号处理。
与上述第三实施例相反，方式控制电路84不是简单地改变工作方式。而是，当正常的位移测量方式的间歇操作处于空闲状态时，方式控制电路84进行污染检测的操作。所以，方式控制电路84是作为如图1所示控制间歇测量工作过程的控制电路9的一部分而工作。
在位移测量方式下，与在上述实施例中所用的激励信号相类似的激励信号输送到ABS传感器1。ABS传感器1的输出信号送到加法/减法电路70。加法/减法电路70进行(C1-C2)，(B1-B2)和[(C1+C2)-(B1+B2)]的计算，所计算出的输出信号送到进行信号处理的每一部分，如解调和相位检测部分，然后合成所得的信号。于是输出所测量的位移值。
另一方面，在污染检测方式下，与上述实施例中的激励信号相类似的信号送到ABS传感器1。在这种方式下，ABS传感器1的输出送到加法/减法电路70。加法/减法电路70进行(C1+C2+B1+B2)的计算。加法/减法电路70的输出送到中标度级处理电路82，中标度级处理电路82对输入数据信号的相位进行解调和检测。中标度级处理电路82的输出送到判别电路74判别是否存在污染物质。污染检测方式的工作过程是在位移测量方式的工作过程处于空闲状态时进行的。
图11是表示该实施例工作实例的时序示意图。如图所示，对所有粗标度级、中标度级和细标度级来说，位移测量的工作过程是按照100毫秒的间隔周期性地进行的。当这些位移测量工作过程处在空闲状态时，污染检测方式的工作过程按照例如500毫秒的间隔重复进行。
在该实施例中，在位移测量方式下，如图1和图4中所示的实施例所述，测量工作过程的间隔根据ABS传感器的位移或电源的电压加以控制。
根据第四实施例，因为正常位移测量方式和污染检测方式两者共同使用一个信号处理电路，器具结构和电路结构都变得简单了。特别是当信号处理电路由IC芯片构成时，IC大小的增加能够有效地限制。
应当指出，污染检测方式的工作过程可能并不总是按照预定的间隔重复。例如，污染检测工作过程可以在间歇位移测量的工作过程开始时的一段空闲时间里进行。而且，粗标度级处理电路81或细标度级处理电路83可以代替中标度级处理电路和污染检测信号处理电路共同使用。
当将太阳能电池用作电容型增量位移测量器具的电源时，假如太阳能电池所受的照度低于预定值时，测量的起始值将失去。因此，测量结果变得不精确。为了防止这个问题，大容量的充电电路已经作为常规使用，以便存储太阳能电池的过剩电能。然而，当绝对型位移测量器具中，原理上不存在失去起始值的问题。因此，在增量型器具中充电电路的必要性在绝对型器具中并不需要。然而，当绝对型测量器具在黑暗场所临时使用并且测量数据要输出或存储时，那么绝对型位移测量器具最好装备电能存储装置，以便使器具能在黑暗场所测量数据持续几秒。当常规的充电电路直接用在绝对型位移测量器具时它可以坚持例如10-30分钟直到电量完全充满。
为了解决这个问题，在本发明中采用一种能够高速充电的新的太阳能电池型电源电路。在本发明中使用的电源包括一个太阳能电池、第一电容器、第二电容器、第三电容器、电压检测电路和开关控制电路。第一电容器通过一个二极管与太阳能电池并联。第二电容器通过第一开关元件与第一电容器并联，第二电容器的电容比第一电容器的电容要小。第三电容器通过第二开关元件连到第二电容器，第三电容器的电容比第一电容器的电容要大。电压检测电路检测第一电容器的充电电压。开关控制电路受电压检测电路的输出控制。当第一电容器的充电电压达到预定值时，开关控制电路开始控制第一和第二开关元件交替地导通和判断，以便将第一电容器过量的电能经过第二电容器充到第三电容器。电压检测电路最好按照预定的时间间隔进行间歇的电压检测工作过程。在该电源电路中，所谓的开关电容器由小电容的第二电容器、大容量的第三电容器以及第一和第二开关元件构成。直接利用太阳能电池的输出充电的第一电容器的电容比存储过量电能的第三电容器的电容要小。因此，第一电容器具有中等电容。
所以，比较第一电容器与存储过量电能的第三电容器的整个充电持续时间，假设这些电容器都直接由太阳能电池充电，那么前者将比后者要短。此外，在太阳能电池不能工作的黑暗场所，存储第一电容器的过量电能的第三电容器能够使系统工作持续一段短的时间。
当这样的电源电路用于绝对位置的测量的电容型测量器具时，由于器具的测量工作过程是断续进行的，充有过量电能的第三电容器的电容可以比常规的充电电容器的电容减少3-4个数量级。此外，当第一电容器和第二电容器的电容的比率进行最佳设计时，纹波将受到有效的抑制。因此，在这种结构中，与常规的电源电路相反，不需要滤波器。所以，器具需要的安装空间将减少。此外，当电压检测电路以不连续方式工作时，功率消耗将有效地降低。
图12是表示具有根据第五实施例提出的上述电源电路的，用于绝对位置的测量的电容型测量器具的结构的方框图。在该图中，参照标号91是用作电源的太阳能电池。第一电容器C1通过二极管D1与太阳能电池91并联。第一电容器C1的端电压利用调节器95调整到例如1.55伏。调整后的电压加到主系统96上。
第一电容器C1用于初充电。第一电容器C1的端部连接到充存第一电容器C1的过量电能的开关电容器积电器94上。该开关电容器积电器94包括第二电容器C2和第三电容器C3。第二电容器C2通过第一开关元件S1与第一电容器C1并联。第三电容器C3通过第二开关元件S2与第二电容器C2并联。第一电容器C1、第二电容器C2、以及第三电容器C3的电容按下式设计。
C1＜C2＜C3第一电容器C1的充电电压利用电压检测电路92进行检测。在该实施例中，电压检测电路92根据从主系统96接收的系统时钟信号CK进行不连续的检测工作过程(下面将介绍)。当电压检测电路92已经检测到第一电容器C1的充电电压为预定电压例如2伏时，已检测的输出信号使得开关控制电路93开始控制第一开关元件S1和第二开关元件S2使之交替导通和关断。开关控制电路93的输出信号被直接送到第一开关元件S1。此外，开关控制电路93的输出信号经过一个反相器INV送到第二开关元件S2。因此，第一和第二开关元件S1和S2是交替导通和关断的。由此，第一电容器C1的过量电能经过小电容的第二电容器C2送到大电容的第三电容器C3。于是过量的电能就存储在第三电容器C3中。
大电容的第三电容器C3存储在明亮场所所得到的过量电能，以便在黑暗场所中提供电能持续一段预定的时间。中等电容的第一电容器C1用作临时的能量存储部分，使得系统即使在供电电压下降时也能正常工作。如果没有第一电容器C1，当第三电容器C3开始充电时，第二电容器C2充电并因此产生一个急剧的电压降。
第三电容器C3的端电压通过二极管D2加到电压调节器95上。当第一电容器C1在明亮场所具有足够的充电电压时，充电电压由调节器95调节，施加到主系统96上。在黑暗场所，第一电容器C1的充电电压很快下降。这时二极管D2导通，第三电容器C3的充电电压加到电压调节器95上。因此在黑暗场所该系统能够持续一段时间进行位移测量工作过程。
下面通过参阅图13更详细地介绍电源电路的充电工作过程。在图中，V1是第一电容器C1的端电压，V2是第三电容器C3的端电压。一直到第一电容器C1的充电电压达到2伏时，开关电容器积电器94才开始工作。当第一电容器C1的充电电压达到2伏时，电压检测电路92检测该充电电压。于是，开关控制电路93开始控制第一和第二开关元件S1和S2以使它们交替导通和判断。当第一开关元件S1导通时，第一电容器C1的电荷向第二电容器C2分配。当第一开关元件S1关断而第二开关元件S2导通时，第二电容器C2的电荷向第三电容器C3分配。这种工作过程重复进行，以使第一电容器C1的过量电能存储在第三电容器C3中。
当第一开关元件S1导通而第三电容器C3放空时(即在充电过程的起始阶段)会产生大的电压冲击△V1。电压冲击的数值△V1可由下式得出。
△V1＝V1′·C2/(C1+C2)其中V1′是第一电容器C1的充电电压。假如没有包含第一电容器C1，如上式所表达的，△V1＝V1′。于是，在端点N1的电压立即变为0伏。因此，系统可能不正常工作。
在该实施例中，当C2/(C1+C2)的数值适当设定时，电压冲击△V1能够减小。例如，在V1′＝2伏，C1＝3.3μF及C2＝0.1μF的情况下，上述电压冲击△V1似近为60毫伏。
图14是表示本实施例的绝对型位移测量器具与常规的增量型位移测量器具比较其充电电压随时间基点变化的曲线图。在该情况下，常规系统中的由太阳能电池直接充电的充电电容器的电容比第一电容器C1的电容大一个数量级。假设计系统工作在1.5伏或其以上，在位移传感器已被放在明亮场所后大约10秒钟常规系统将开始工作。另外一方面，在该实施例中，随着第一电容器C1的充电，如图14所示系统能够在大约1.5秒之内工作，而第一电容器C1的电容比常规系统中的相应电容要小一个数量级。利用一个2伏的电压检测点，超过该电压的过量电能被存储在第三电容器C3中。在此之后即使在黑暗场所也能够进行临时测量。
图15是表示如图12所示的电压检测电路92和开关控制电路93的结构的电路图。第一电容器C1的端电压即VDD-V1施加到缓冲器97上。此外，与系统时钟信号CK同步的时钟信号CTL1提供给缓冲器97。因此，缓冲器97根据充电电压，并且与时钟信号CTL1同步输出不连续的信号。
缓冲器97的输出送到由电容器C4和C5构成的分压电路。分压电路的输出提供给比较器93。比较器98将分压器输出与一个参考电压Vref进行比较，一个P沟道MOS晶体管T1与分压电路的电容器C5并联，该晶体管T1由与时钟信号CTL1几乎反相的时钟信号CTL2驱动作为一个放电器件。一个P沟道MOS晶体管T2连接到一个比较器98以便接通和关断电源。P沟道MOS晶体管T2由与时钟信号CTL1同步的时钟信号CTL3驱动。
开关控制电路93由一个锁存电路99和输出门100构成。一个D触发器构成的锁存电路99接收比较器98的输出。输出门100以与系统时钟信号CK同步的方式接收锁存电路99的输出。输出门100输出一个开关控制信号。
图16是表示图15所示电路工作过程的时序示意图。在电压检测停止期间，其中晶体管T1处于导通状态而晶体管T2处于截止状态，电容器C5的电荷被放出，比较器98的电源被关断。在电压检测周期内，其中晶体管T1处于关断状态而晶体管T2处于导通状态，来自缓冲器97的不连续的输出电压被分压。分压输出V1·C4/(C4+C5)以及参考电压Vref利用比较器98进行比较。每一个分压输出的常量V1·C4/(C4+C5)和参考电压值Vref都是预定的，使得充电电压例如为2伏时，得到比较器98的输出。比较器98的输出由锁存电路99锁存。锁存电路99的输出经过输出门100得到，该输出作为使开关电容器投入工作的控制信号。
图17是表示具有本发明第五实施例的上述电源电路的用于绝对位置的测量的电容型测量器具的结构的方框图。
为了简便，与上述实施例相同的各部分使用相同的数字标注，对它们的介绍被省略。使用如图12所示太阳能电池的电源电路的输出，即电压调节器95的电源电压，被加到信号处理电路。电压调节器95所得到的电压利用升压电路101升压后加到LCD显示器13上。
太阳能电池91、电压检测电路92、开关控制电路93和开关电容器积电器94构成了一个所谓的第一充电电路。除了第一充电电路，还有一个第二充电电路102。第二充电电路102连接到电压调节器95的输出端。由第二充电电路102所得到的高电压用于向/从一个EEPROM(未示出)写入和搽去数据。该高压通过一个EEPROM接口提供给EEPROM。
在该实施例中，像在图1中所示的第一实施例和在图4中所示的第二实施例一样，是根据ABS传感器的运动状态或根据电源的电压进行间歇的测量工作过程的。
在上述各实施例中，从控制间歇的测量工作过程的控制电路9输出的ON/OFF信号可以同时加到信号处理电路的所有电路单元上。此外，ON/OFF信号可以在不同时间内加到信号处理电路的若干单元上。
图18是表示根据本发明第六实施例的，用于绝对位置的测量的电容型测量器具的结构的方框图。在该图中，为了简便，与上述实施例相同的部分用相同的参考数字标注，对它们的介绍被省略。在该实施例中，控制电路9控制每一个电路以便在预定的显示刷新周期内进行周期性的测量工作过程。控制电路9产生具有不同时长的第一启动信号ON1和第二启动信号ON2以便控制间歇的测量工作过程。第一启动信号ON1施加到激励信号发生器2、解调器3、4、5(都是模拟电路)和相位检测器6、7、8。第二启动信号ON2施加到数字合成电路10和数字计算电路12，它们对相位检测器6、7、8的输出信号进行合成和计算。除了启动信号ON1和ON2以外，控制电路9还提供时钟信号CK和复位信号RS到每一个回路上，像在上述实施例中一样。实施该实施例的间隔测量方法的单元电路结构可以适合于如图1、4、7、10和17所示的第一到第五各实施例。
图19是根据第六实施例提出的器具的间隔测量工作过程的波形图。假如显示刷新周期过长，LCD显示器13就可能没有跟踪ABS传感器1的移动，数据显示就会变得不自然。另一方面，假如显示刷新周期太短，当ABS传感器高速运动时，不易采集数据。实验表明，优选的显示刷新周期为0.1秒。在这个显示刷新周期内，由第一启动信号ON1所产生的数据抽取时间设定为40毫秒而由第二启动信号ON2所产生的合成和显示时间设定为40毫秒。数据抽取时间为合成和显示时间所接续。
显示刷新周期的剩余时间为等待时间，然而等待时间并不总是需要的。换句话说，首先设定显示刷新周期。在显示刷新周期内，数据设定数据抽取时间和合成显示时间。剩余时间是等待时间。
从解调器3、4、5所得到的解调信号的时间取决于ABS传感器1的运动速度和方向。当ABS传感器1的运动速度变高时，时间的变化就会变得越来越大。按细标度级相位信号CMPFINE，中标度级相位信号CMPMED和粗标度级相位信号CMPCOA的顺序被解调的信号的时间变化很大。考虑这些情况，设定数据抽取时间，即第一激励信号ON1的接通时间。例如，假如数据抽取时间设定为50毫秒，接着的合成和显示时间设定为50毫秒，这样等待时间变为0。
根据该实施例，通过利用间歇的测量工作过程，系统的能量消耗能够有效降低。特别是对解调器来说降低能量消耗的效果是显著的，该解调器在信号处理电路中消耗大量的电流。因此，当将太阳能电池用作电源时，在相对低的照度下能够进行测量工作。此外，当将电池用作电源时，其使用寿命能够延长。
在上述各实施例中，已经介绍了粗、中和细三个标度级的位移测量器具。然而本发明并不局限于这些器具。本发明还能够适合于以单标度级形式的用于位置的绝对测量的电容型测量器具。
更多的优点和改进对本领域熟练的技术人员来说是易于理解的。因此，广义而言本发明并不局限于特定的细节，代表性的器具和图示并加以描述的实施例。因此，在不脱离由附加的权利要求以及它们的等价物所限定的总的发明构思的精神或范围的前提下根据这些详细的介绍还可以做出许多改进。
权利要求
1.一种用于绝对位置的测量的电容型测量器具，它包括位移传感装置，包括固定元件和可动元件，所述可动元件以电容耦合方式耦合到所述固定元件并且相对于所述固定元件可以相对运动，所述位移传感装置适合于根据所述可动元件相对于所述固定元件的相对位置而产生输出信号；信号处理装置，用于处理所述位移传感装置的输出信号并根据所述可动元件相对于所述固定元件的位移输出绝对测量值；控制装置，用于控制所述位移传感装置和所述信号处理装置的工作过程；以及电源装置，用于向所述位移传感装置、所述信号处理装置和所述控制装置提供电能；其特征在于所述控制装置包括用于按照适当的时间间隔周期性地启动所述信号处理电路以便进行间歇测量工作的启动控制装置。
2.如权利要求1所述的测量器具，还包括状态检测装置，该装置用于检测所述位移传感装置的所述可动元件是否运动或是否停止，其特征在于所述启动控制装置适合于根据所述状态检测装置的输出控制间歇测量工作过程的时间间隔。
3.如权利要求1所述的测量器具，还包括电压检测装置，该装置用于检测所述电源装置的输出电压，其特征在于所述启动控制装置适合于根据所述电压检测装置的输出控制间歇测量工作过程的时间间隔。
4.如权利要求2或3所述的测量器具，其特征在于所述电源装置是电池。
5.如权利要求2或3所述的测量器具，其特征在于所述电源装置包括太阳能电池;第一电容器，通过一个二极管与所述太阳能电池相并联;第二电容器，通过第一控制元件与所述第一电容器相并联，所述第二电容器的电容比所述第一电容器的电容要小;第三电容器，通过第二开关元件与所述第二电容器相并联，所述第三电容器的电容比第一电容器的电容要大;充电电压检测装置，用于检测在所述第一电容器所具有的电压;以及开关控制装置，该装置由所述充电电压检测装置的输出控制，并适合于在所述第一电容器的电压变到预定值之后使所述第一和第二开关元件交替导通和关断，并使所述第一电容器的过量电能经过所述第二电容器提供给所述第三电容器。
6.如权利要求1所述的测量器具，其特征在于所述控制装置具有测量方式控制装置，该控制装置用于将污染检测方式置于间歇的位移测量方式的空闲时间内。
7.如权利要求1所述的测量器具，其特征在于所述的信号处理装置被分成若干个利用所述控制装置按不同的计时方式启动的电路单元。
8.一种用于绝对位置的测量的电容型测量器具，它包括位移传感装置，该装置具有固定元件和可动元件，所述可动元件以电容耦合方式耦合到所述固定元件并且相对于所述固定元件可以相对运动，所述位移传感装置适合于根据所述可动元件相对于所述固定元件的相对位置而输出信号;信号处理装置，用于处理所述位移传感装置的输出信号并根据所述可动元件相对于所述固定元件的位移输出绝对测量值;状态检测装置，该装置用于检测所述的位移传感装置的所述可动元件是否运动或是否停止;控制装置，用于控制所述位移传感装置、所述状态检测装置和所述信号处理装置的工作过程;以及电源装置，用于向所述位移传感装置、所述信号处理装置、所述状态检测装置和所述控制装置提供电能;其特征在于所述控制装置包括启动控制装置，该启动控制装置用于根据所述状态检测装置和所述电源装置中至少一个的输出按适当的时间间隔周期性地启动所述信号处理电路和以可变方式控制间歇测量工作过程的时间间隔。
9.如权利要求8所述的测量器具，其特征在于所述电源装置是电池。
10.如权利要求8所述的测量器具，其特征在于所述电源装置包括太阳能电池;第一电容器，通过一个二极管与所述太阳能电池相并联;第二电容器，通过第一开关元件与所述第一电容器相并联，所述第二电容器的电容比所述第一电容器的电容要小;第三电容器，通过第二开关元件与所述第二电容器相并联，所述第三电容器的电容比第一电容器的电容要大;充电电压检测装置，用于检测在所述第一电容器中所具有的电压;以及开关控制装置，该装置受所述充电电压检测装置的输出控制，并适合于在所述第一电容器的电压变到预定值之后使所述第一和第二开关元件交替导通和关断，并使所述第一电容器的过量电能经过所述第二电容器提供给所述第三电容器。
11.如权利要求8所述的测量器具，其特征在于所述控制装置包括测量方式控制装置，该控制装置用于将污染检测方式置于间歇的位移测量方式的空闲时间内。
12.如权利要求8所述的测量器具，其特征在于所述的信号处理装置被分成若干个利用所述控制装置按不同的计时方式启动的电路单元。
全文摘要
一种用于绝对位置测量的电容型测量器具，包括一个有固定和可动元件的位移传感器，可动元件以电容耦合方式耦合到固定元件并可与其相对运动，位移传感器根据两元件的相对位置输出信号；一个信号处理电路，用于处理该传感器的输出信号并根据两元件的位移输出绝对测量值；一个控制电路，用于控制位移传感器和信号处理电路的工作；一个电源装置，用于提供电能；其中控制电路按适当的时间间隔启动信号处理电路以进行间歇测量工作。
文档编号G01D5/241GK1084268SQ9310799
公开日1994年3月23日 申请日期1993年6月25日 优先权日1992年6月26日
发明者下村俊隆, 安达聪, 夜久亨, 松浦辰彦, 川床修 申请人:株式会社三丰