专利名称：用于测量双联电容器电容值变化的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量两个电容器电容值变化的电路，尤其涉及用于测量双联电容器电容值变化的电路。
如已有技术中公知的，双联电容器由共用一个公共电极的两个单独的电容器构成。这两个电容器可以都是固定的，或一个是固定的而另一个是可变的，或两个都是可变的；双联可变形式是最常用的。特别是，双联逆向可变电容器是测量应用中双联电容器的最常用形式。双联逆向可变电容器由两个共用一个公共电极的单独电容器构成，它们如此构造，从而与两个电容器接触或靠近的物体的移动将增加一个电容器的电容而减少另一个电容器的电容。
双联逆向可变电容器的一种可取形式是差分电容器。差分电容器具有插在一个固定公共电极以及第一固定独立电极和第二固定独立电极之间的可动的动片；公共电极和第一独立电极形成第一电容器而公共电极和第二独立电极形成第二电容器。动片的旋转增加了靠近公共电极的第一独立电极的区域并(以相同的量)减少了靠近公共电极的第二独立电极的区域。因此，当动片旋转时，第一电容器的电容增加了一定的量，而第二电容器的电容减少了一定的量。
在颁给van Seeters的第5,283,528号美国专利(“528号专利”)中揭示了可取的双联逆向可变电容器的另一种可取形式。在528号专利中，双联逆向可变电容器包括插在第一固定独立电极和第二固定独立电极之间的可动公共电极；公共电极和第一独立电极形成第一电容器而公共电极和第二独立电极形成第二电容器。当公共电极移向第一独立电极时，第一电容器的电容减少而第二电容器的电容增加。然而，第一电容器减少的电容量不等于第二电容器增加的电容量。
因为双联逆向可变电容器不包含任何可结污的电气触点，所以双联逆向可变电容器常用于测量一个物体相对于固定点或另一个物体的移动。把双联逆向可变电容器连到运用电容变化来计算物体移动的测量电路。在已有技术中，把电容电桥电路和包含减法器和积分器的电路用作测量电路。
在Kita的第5,197,429号美国专利(“429号专利”)中，揭示了一种采用电容电桥结构的测量电路。测量电路包括具有电压Vs的交流(AC)电源、由与可变电阻器R2串联的固定电阻器R1以及与R1和R2并联的串联电容器C1和C2构成的电桥电路、全波整流器和直流(DC)放大器。在429号专利中，C1和C2电容的变化引起电桥电路输出电压e的变化，它遵循公式1e=K+C1-C2C1+C2·Vs]]>因为差分电容器的特性使C1＋C2项是常数，所以第一方程式可退化为公式2e＝K1·(C1－C2)·Vs＋K2Kita既没有揭示如何导出公式1，也没有揭示如何把e的变化转换成物体移动量的大小。
在528号专利中，揭示了采用积分器和减法器的测量电路。测量电路的第一实施例包括方波发生器、积分器、并联的电容器C1和C2、两个电流放大器和模/数(A/D)转换器。方波发生器产生一列周期长度为T的方波电压脉冲。在积分器中方波电压脉冲转换成一列峰—峰值为Uss且周期长度为T的三角波电压脉冲。把三角波电压脉冲加到C1和C2的连接电极。如公知的，电容器依据以下关系式用作所加电压Ui的微分元件I=C·dUidt]]>相应地，在C1和C2中对三角波电压脉冲进行微分，分别得到方波电流脉冲序列I1(t)和I2(t)。在电流放大器中I1(t)和I2(t)转换成被放大的方波电压脉冲序列U2(t)和U2(t)。A/D转换器接收U1(t)和U2(t)。在第一信号周期中，A/D转换器装置在半个信号周期间隔(T/2)处确定U1(t)的两个数字幅度值，所述数字幅度值由Us1和Us2代表。在第二信号周期中，A/D转换器在半个信号周期间隔(T/2)处确定U2(t)的两个数字幅度值，所述数字幅度值由Us3和Us4所代表。使用已知的关系式Us=R·C·dUidt]]>得出Us1=R·C1·UssT2]]>Us2=R·C1·(-Uss)T2]]>Us3=R·C2·(Uss)T2]]>Us4=R·C2·(-Uss)T2]]>进行适当的替代，获得以下的关系式(Us1-Us2)(Us3-Us4)=C1C2]]>运用已知的静电学定律，van Seeters把(Us1-Us2)和(Us3-Us4)的值转换成物体的移动量的大小。
Van Seeters揭示了528号专利测量电路的第二实施例，其中用两个A/D转换器替代一个A/D转换器。一个A/D转换器位于一个电流放大器后的测量电路的一个脚处，而另一个A/D转换器位于另一个电流放大器后的测量电路的另一个脚处。两个A/D转换器使测量电路可确定Us1和Us2并同时确定Us3和Us4，即在一个信号周期中而不是在两个信号周期中确定两组数字幅度值。
429号专利的测量电路对于温度和其它环境因素引起的电容器中的相互漂移敏感，因为假定测量电路的电容之和(C1＋C2)是一个常数。此外，429号专利的测量电路对于AC电源电压Vs的漂移敏感，因为如先前所示输出e是Vs的函数。
528号专利的测量电路对于电容器中的相互漂移不敏感，因为被测量的特征等于电容比C1/C2，这就消除了任何漂移。然而，528号专利的测量电路的第一实施例需要一个方波发生器。方波电压脉冲是必需的，因为在积分后，它们必须产生可被微分并具有限定斜率的三角波电压脉冲。此外，方波发生器必须稳定。因此，三角波电压脉冲和方波电压脉冲在两个相继的信号周期内必须是可重复的，即，它们必须具有相同的幅度，且它们互相对应的半波部分必须具有相同的持续时间。因此，为了实际应用，由方波发生器40产生的方波电压脉冲必须具有相同的幅度和半波宽度。
528号专利测量电路的第二实施例不需要三角波电压脉冲，因此也不需要方波电压脉冲以具有相同的幅度或半波宽度，因为在相同的信号周期中确定Us1、Us2和Us3、Us4。然而，528号专利的测量电路的第二实施例仍然需要一个方波发生器。因此，528号专利的测量电路的两个实施例都需要一个方波发生器。
由于上述原因，想要得到一种用于测量双联电容器电容值变化的方法和装置，它不需要方波发生器也对于电容器中的相互漂移或电压源中的漂移不敏感。本发明的方法和装置符合这个需要。
本发明旨在提供一种满足测量双联电容器电容值变化需要的方法和装置，而它不需要方波发生器以及对于电容器中的相互漂移或电压源中的漂移不敏感。把具有本发明特征的电路连到分别具有第一和第二电容值C1和C2的第一和第二电容器。第一和第二电容器每个具有一个独立电极并共用一个公共电极。该电路计算C1与C2成反比关系的比值R。
该电路由用于产生AC电压Vs的装置、整流装置、转换装置和计算装置构成。Vs被加到引起第一和第二电容器的独立电极处产生第一和第二AC电流信号的第一和第二电容器的公共电极。整流装置把第一和第二AC电流信号分别转换成第一和第二半波电流信号。转换器装置接收第一和第二半波电流信号，并把它们分别转换成具有频率值f1和f2的第一和第二频率信号。计算装置运用f1和f2来计算R。
根据以下的描述、所附的权利要求和附图，将更容易理解本发明的特征、方面和优点，其中
图1示出包含依据本发明实施的测量电路的位移测量设备的典型图。
图2示出依据本发明实施的测量电路的典型图。
图3示出用于依据本发明实施的测量电路中的模拟切换装置的元件示意图。
图4示出用于依据本发明实施的测量电路中的电流—频率转换器的元件示意图。
现在参考图1，其中示出包含依据本发明实施的测量电路200的位移测量设备5的典型图。位移测量设备5由外壳40、支架12、附件15、杆20、底座30、测量电路200、AC电源140和具有半板形动片120的差分电容器100构成。把差分电容器100固定在外壳40中。杆20连到半板形动片120的中心并穿过差分电容器100的开口和外壳40的开口。支架12连到底座30和外壳40，从而把差分电容器100保持在某一位置，这个位置使杆20穿过底座30的开口并与附件15相连。当垂直于图1的转矩加到附件15时，杆20用作半板形动片120绕着旋转的轴。
差分电容器100由半板形动片120、公共电极110、第一独立电极132和第二独立电极134构成。公共电极110安装得平行于第一和第二独立电极132和134。公共电极110和第一独立电极132形成第一电容器，而公共电极110和第二独立电极134形成第二电容器。半板形动片120安装得可在公共电极110以及第一和第二独立电极132和134之间转动。
AC电源140电气连接到公共电极110，而半板形动片120连到电路公共点。第一独立电极132和第二独立电极134连到电容测量电路200。当把垂直于图1的顺时针转矩加到附件15时，半板形动片120顺时针转动，增加了靠近公共电极110的第一电极132的表面区域，从而增加了第一电容器的电容。靠近公共电极110的第二电极134的表面区域减少了相同的量，从而减少了第二电容器的电容。两个电容器的电容随附件15和半板形动片120的角位移而线性变化。
电容的变化对电路的影响可从以下的已知关系式确定I=VR2+(XL-XC)2]]>这里I是电路的有效电流，V是有效电压，R是电阻，XL是感抗，XC是容抗。因为差分电容器100和测量电路200中XL和R的值与XC相比可以忽略的，所以上述关系式可退化为I=VXC]]>因为也已知XC=12πfC]]>关系式还可再退化为I＝2πfCV因此，第一电容器电容C1的变化可引起第一独立电极132处产生的AC电流信号的有效电流的正比变化，而第二电容器电容C2的变化可引起第二独立电极134处产生的AC电流信号的有效电流的正比变化。测量电路200运用有效电流的变化来测量半板形动片120以及随后附件15的角位移。
现在参考图2，其中示出依据本发明实施的测量电路200的典型图。测量电路200由模拟切换装置210、第一电流一频率转换器220、第二电流—频率转换器225和微控制器250构成。用于本发明的模拟切换装置210是四刀双掷开关。说得更具体些，模拟切换装置210是Linear Technology Corporation制造的市售的零件号码为LTC1043的单片、电荷平衡、双开关电容器集成电路。图3中示出模拟切换装置210的简单示意图。
现在参考图3，把来自AC电源140的AC信号引至模拟切换装置210的脚16并把它用作取代模拟切换装置210内部振荡器(未示出)的外部时钟。第一独立电极132和第二独立电极134分别在脚11和12处连到内部开关211和212的一边。内部开关211和212的另一边分别通过脚8和14连到第一电流—频率转换器220和第二电流—频率转换器225。由AC信号的频率控制内部开关211和212的断开和接通，从而内部开关211和212用作半波整流器。因此，来自第一独立电极132和第二独立电极134的AC电流信号分别作为第一和第二半波电极信号由脚8和14从模拟切换装置210输出。
正比于C1的变化，第一半波电极信号的电流I1在3和6μAavg之间改变。同样地，正比于C2的变化，第二半波电极信号的电流I2在3和6μAavg之间改变。第一和第二电流—频率转换器(220，225)分别把第一和第二半波电极信号转换成具有变化频率的第一和第二电极信号。本发明的第一和第二电流—频率转换器(220，225)非常适合于把I1和I2等小电流信号转换成频率信号。由于是小电流，第一和第二电流—频率转换器(220，225)保持其线性并提供基本上无限大的分辨率。
现在参考图4，其中示出第一电流—频率转换器220的简单示意图。第一半波电极信号连到.1μF的电容器245和比较器240的正输入端。.1μF的电容器245对第一半波电极信号进行滤波，在比较器240的正输入端产生了连续的正向电压斜坡。假定比较器240的正输入端电压低于比较器240的负输入端电压(比较器230的输出为低电平)，当比较器240正输入端的电压坡上升，比较器240的输出将为低。电平当比较器240的输出为低电平时，倒相器(250，260)将变为高电平，使电流从基准VCC通过倒相器(250，260)的馈电脚向1500pF电容器270流动。向1500pF电容器270充电的电压是VCC的电势和跨于晶体管280的电压降的函数。
当比较器240的正输入端处的电流斜坡升到足够高时，比较器240的输出变为高电平，倒相器(250，260)变为高电平，从而使电流从1500pF的电容器270通过倒相器(250，260)对地放电。这又使电流从比较器240正输入端的.1μF电容器245通过晶体管290引到1500pF电容器270。如果比较器240负输入端电压保持不变，则比较器240的输出将几乎立刻变为低电平。然而，当比较器240的输出变为高电平时，倒相器255也变为低电平，使47pF电容器295放电并对比较器240的负输入端提供反馈。该反馈降低了比较器240的负输入端的电压，从而延迟了使比较器240的输出变为低电平并使1500pF电容器270充分放电。肖特基二极管298防止比较器240的负输入端电压超出其负共模极限。当来自47pF电容器295的反馈减弱时，比较器240变为低电平，并重复整个循环。循环的周期与第一半波电极信号的电流直接有关。因此，由第一电流—频率转换器220输出的第一电极信号的频率f1的变化正比于第一半波电极信号的电流I1的变化。
第二电流—频率转换器225在结构和功能上与第一电流—频率转换器220相同。相应地，这里没有包括第二电流—频率转换器225的示意图。第二电流—频率转换器225工作，产生第二电极信号，该信号的频率f2的变化正比于第二半波电极信号的电流I2的变化。
再参考图2，来自第一和第二电流—频率转换器(220，225)的第一和第二电极信号很适于输入到微控制器250，因为它们是在800到1600Hz范围内的频率信号。微控制器250是一个具有16位自由振荡(free running)计数器(未示出)的8位摩托罗拉(Motorola)MC68H微控制器，其中该计数器是由MCUE时钟(未示出)驱动的四级预定标器(prescaler)(未示出)的输出来定时的。由微控制器250中的第一和第二输入通道(未示出)来接收第一和第二电极信号。由第一和第二输入俘获边沿(input capture edge)检测器(未示出)分别监测第一和第二输入通道。第一和第二输入俘获边沿检测器分别检测第一和第二电极信号中的下降沿。
当第一输入俘获边沿检测器在取样周期中检测到第一电极信号中的第一个下降沿时，计数器的起始值保持在第一输入俘获寄存器中。当第一输入俘获边沿检测器在取样周期中检测到第一电极信号中的最后一个下降沿时，计数器的终止值保持在第一输入俘获寄存器中。从计数器终止值中减去计数器起始值，再将其差值被取样周期中检测到的下降沿个数除，得到频率值f1。
同样地，当第二输入俘获边沿检测器在取样周期中检测到第二电极信号中的第一个下降沿时，计数器的起始值保持在第二输入俘获寄存器中。当第二输入俘获边沿检测器在取样周期中检测到第二电极信号中的最后一个下降沿时，计数器的终止值保持在第二输入俘获寄存器中。从计数器终止值中减去计数器起始值，再将其差值被取样周期中检测到的下降沿个数除，得到频率值f2。应理解，通过对输入俘获边沿寄存器进行编码以检测第一和第二电极信号中的上升沿而不是下降沿，将获得相同的频率值f1和f2。
微处理器250的只读存储器(ROM)部分(未示出)中的程序对第一和第二输入俘获寄存器进行访问，从而获得第一和第二电极信号的频率值f1和f2。运用f1和f2，ROM程序计算比值R，它等于C1-C2C1+C2]]>按照关系式R=C1-C2C1+C2=R1=f1-f2f1+f2]]>因为C1和C2分别正比于f1和f2并消去了比值中f1和f2的恒定参数，所以R等于Rf。ROM程序运用R来计算半板形动片120以及附件15的角位移A。应理解，也可用其它比值其中f1和f2互相成反比关系，即，f1在分子中而f2在分母中或f2在分子中而f1在分母中。
在起始定标过程中，附件15(图1中示出)移到它的极限位置，即，0°位移和90°位移。ROM程序计算0°和90°位移处的R值，分别得到定标频率比值R0和R90。把值R0和R90的值存入微控制器250的电可擦可编程只读存储器(EEPROM)部分(未示出)，从而可在测量电路200正常工作期间使用。
因为两个电容器的电容随半板形动片120(图1中示出)的角位移A线性地变化，因而在第一和第二独立电极(132，134)(图1中示出)处产生的AC电流信号的电流以及由此产生的半波电极信号也线性地变化。相应地，f1和f2，因此R，随A线性地变化。因此，在测量电路200的正常工作期间，ROM程序按照线性关系式计算AA=(R-Ro)·90R90-Ro]]>因为测量电路200运用比值R来计算A，可消去f1和f2的恒定参数，因此这些参数在用于计算A的关系式中不出现。此外，可消除任何由环境引起在第一和第二电容器中产生的相互漂移和AC电源140中的频率或幅度漂移。因此，测量电路200测量差分电容器100中电容值C1和C2的变化而对第一和第二电容器中的相互漂移或AC电源140中的漂移不敏感。测量电路200实现上述测量而消耗的功率少于5毫瓦。如此低的功耗放宽了内在的安全关系。
应理解，本发明的测量电路也同样适用于其中一个电容器固定而另一个电容器可变的双联电容器。可变电容器电容(以及相应的频率值)的变化将给出所需的位移而由电容器中的相互漂移或AC电源中的漂移引起固定电容器电容(以及相应的频率值)的波动将抵消可变电容器电容(以及相应的频率值)相应的漂移。
可理解，较佳实施例的描述仅仅是对本发明的例示，而不是穷举。本领域内的普通技术人员能对所揭示的主体的实施例进行某些增加、删减、和/或改变，而不背离由所附权利要求限定的本发明的精神或其范围。
权利要求
1.一种电路，它连到分别具有第一和第二电容值C1和C2的第一和第二电容器，所述第一和第二电容器都具有一独立电极并共用一个公共电极，所述电路计算具有C1和C2成反比关系的比值R，其特征在于所述电路包括a)用于产生交流电压Vs并把Vs加到所述第一和第二电容器的所述公共电极以在所述第一和第二电容器的所述独立电极处分别产生第一和第二交流电流信号的装置；b)连到所述独立电极，以把所述第一和第二交流电流信号分别转换成第一和第二半波电流信号的整流装置；c)连到所述整流装置，以把所述第一和第二半波电流信号分别转换成频率值分别为f1和f2的第一和第二频率信号的装置；以及d)用于从f1和f2计算R的装置。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于R等于C1-C2C1+C2,]]>且用于计算R的所述装置依据下式计算RR=f1-f2f1+f2]]>。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于R等于C1C2,]]>且用于计算R的所述装置依据下式计算RR=f1f2]]>。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于R等于C1C1+C2,]]>且用于计算R的所述装置依据下式计算RR=f1f1+f2]]>。
5.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述第一和第二电容器是双联逆向可变电容器。
6.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述第一电容器是可变的而所述第二电容器是固定的。
7.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述整流装置由双开关电容器集成电路构成。
8.如权利要求7所述的电路，其特征在于所述转换装置由两个电流—频率转换器构成。
9.如权利要求5所述的电路，其特征在于所述双联逆向可变电容器是差分电容器。
10.一种用于测量第一物体相对于第二物体的位移D的设备，D在最大值Dmax和最小值Dmin的范围内，其特征在于所述设备包括(a)分别连到所述第一和第二物体的具有电容值C1和C2的第一和第二电容器，所述第一和第二电容器都具有一独立电极并共用一个公共电极，如此布置所述第一和第二电容器，从而使所述第一物体的位移引起C1的线性变化；(b)用于产生交流电压Vs并把Vs加到所述第一和第二电容器的所述公共电极，以在所述第一和第二电容器的所述独立电极处分别产生第一和第二交流电流信号的装置；(c)连到所述独立电极，以把所述第一和第二交流电流信号分别转换成第一和第二半波电流信号的整流装置；(d)连到所述整流装置，以把所述第一和第二半波电流信号分别转换成频率值分别为f1和f2的第一和第二频率信号；(e)用于从f1和f2计算C1和C2成反比关系的比值R的装置；(f)用于当所述第一物体的位移在Dmin时存储R值(Rmin)，并且当所述第一物体的位移在Dmax时存储R值(Rmax)的装置；以及(g)用于依据下式计算D的装置D=(R-Rmin)·Dmax-DminRmax-Rmin]]>。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于R等于C1-C2C1+C2,]]>且用于计算R的所述装置依据下式计算RR=f1-f2f1+f2]]>
12.如权利要求10所述的设备，其特征在于所述第一和第二电容器是双联逆向可变电容器，如此布置它们，从而使所述第一物体的位移引起C2负的线性变化。
13.一种用于计算电容值C1和电容值C2成反比关系的比值R的方法，其中C1和C2分别是第一和第二电容器的电容值，所述第一和第二电容器都具有一独立电极并共用一个公共电极，其特征在于所述方法包括以下步骤a)产生交流电压Vs并把Vs加到所述第一和第二电容器的所述公共电极，以在所述第一和第二电容器的所述独立电极处分别产生第一和第二交流电流信号；b)把所述第一交流电流信号转换成第一半波电流信号；c)把所述第二交流电流信号转换成第二半波电流信号；d)把所述第一半波电流信号转换成频率值为f1的第一频率信号；e)把所述第二半波电流信号转换成频率值为f2的第二频率信号；以及f)从f1和f2计算比值R。
14.如权利要求13所述的电路，其特征在于R等于C1-C2C1+C2,]]>且用于计算R的所述装置依据下式计算RR=f1-f2f1+f2]]>。
全文摘要
一种用于计算C
文档编号G01R27/26GK1140260SQ96100299
公开日1997年1月15日 申请日期1996年5月10日 优先权日1995年5月11日
发明者B·D·亨普希尔 申请人:埃尔国际N.V.