位置绝对测量用电容型测试装置的制作方法

专利名称：位置绝对测量用电容型测试装置的制作方法
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07/035，859三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阵列，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阵列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阵列的一列电极上，并测量信号传递到另一电极阵列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阵列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，会产生读数错误。另一方面，增大允许的刻度尺移动速度需要采用高频信号和复杂的信号处理电路。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机/接收机的第一对和第二对电极阵列。在每一阵列对中，发射机电极的间距与接收机电极的间距关系是相同的，但是在两个阵列对中，相应的发射机/接收机电极间距离稍有不同。两个隔开的N相信号加到两个阵列对的相应发射机电极上，并且(通过相连的传输和检测电极)从每一阵列对的相应接收机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，两对分开的电极阵列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机电极的一个阵列;安装在第二支承构件上与测试轴成一直线的第一接收机电极的一个阵列，这样，第一接收机电极阵列的不同部分与第一发射机电极阵列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机电极阵列排列成一相对直线的第二发射机电极的一个阵列。第二发射机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机电极的偏移是由第二发射机电极的位置相对于测试轴的基准位置的予定函数总量确定，测试装置有利的是还包括位于与第一发射机电极阵列成一直线的，在第一支承构件上的第二接收机电极仪表，用于读出电极偏移。
按照本发明的另一种形式，第二发射机电极占据了空间范围，在它上面第二发射机电极与第一接收机电极间的电极偏移程度随一予定量变化，确定第一测试范围;测试装置还包括位于与第一接收机电极成一直线的第二支承构件上的第三发射机电极阵列，而且第一接收机的至少一组电极与相应的第三发射机的至少一组电极分别成电气连接，第三发射机至少一组电极中的每个第三发射机电极与相应的第一接收机电极之一成电气连接，以使其与相应的第一接收机电极的偏移是由第三发射机电极位置相对于第三发射机至少一组电极的中心位置的予定函数总量确定，这样，在第三发射机至少一组电极上的电极偏移程度是随上述的予定量变化。第三发射机电极的至少一组占据的空间范围，确定第二测试范围小于第一测试范围。有利的是，测试装置也有位于与第一发射机电极阵列成一直线的第一支承构件上的第三接收机电极仪表用于读出第三发射机至少一组电极中的第三发射机电极与相应的第一接收机电极之间的电极偏移。
按照本发明的另一种形式，第一接收机电极彼此相对于测试轴由规定的精确波长Wf的间距Pr1隔开，而且第一发射机电极的至少一组由N个相邻的电极确定，此处N是大于2的整数，至少一组第一发射机电极确定发送波长Wt，每一组中的第一发射机电极位于组内，以便分别占据间隔距离大于一个波长Wf的予先确定的组的位置，这样，每一组的位置与不同的一组相对位置对应，不同的一组相对位置是一组相对精确波长的位置，它是将发射波长Wt按精确波长分成间隔得到的，并且每个间隔分成N个相等段。此外，测试装置的优点是包括激励信号仪，它将N个周期变化的激励信号选择性地加到每个第一发射机电极组相应的电极上，这些电极是根据每个第一发射机电极组中发射机电极彼此相对的位置顺序按第一序列连接以及根据安排相应的第一发射机电极组位置的相对精确波长段位置顺序按第二序列连接。
按本发明的另一形式，第二和第三接收机电极仪器分别产生附加的第一和第二输出来响应加于第一发射机电极阵列上的激励信号;同时测试装置还包括信号处理装置，用来选择性地组合相应的第一和第二输出，以产生一个测试信号，它与第二/第三接收机电极装置为细长的无变化的平面形结构所产生的信号相等。
用以下的最佳实施例详细说明本发明的这些和另外一些特征以及本发明的优点。
将结合


最佳实施例。附图中的相同元件在所有的图中用同一数字标注。
图1是按本发明构成的绝对测试卡尺的第一种最佳实施例的部分原理图，部分示意图。
图2A是按本发明构成的一种传感器的第二种实施例的一部分的局部顶视图。
图2B是图2A所示传感器另一部分的局部顶视图。
图3是按本发明构成的一种传感器的第三种实施例的一部分的局部透视图。
图4是按本发明构成的一种绝对测试卡尺的另一实施例的示意图的一部分。
图5是按本发明构成的卡尺的测试电路部分的一个典型实施例的原理方框图。
图6是图5的测试电路中包括的传感器激励信号发生器用的控制信号关系表。
图7是图5所示测试电路中包括的传感器输出信号组合器用的控制信号关系表。
图8A-8E是图5所示测试电路中包括的用微处理机控制器进行的程序方框图。
图9是相对于响应由图5所示测试电路产生的组相位激励信号组合而引起的传感器输出测试轴的空间关系曲线。
本发明将被作为便携式和手动式直线测量卡尺中的器具进行描述。但是，本行业的普通技术人员将会认识到，本发明不仅仅限于这些测试装置，也能在进行直线和角度两者测量的大型和小型测试装置的一个很大范围内应用。
按本发明构成的电容型直线绝对测试卡尺10的实施例示于图1-2中，它适合于测试位置的低分辨力、中分辨力和高分辨力(近似、平均、精确分辨力)的绝对测试，从而使得有可能在一个宽的测量范围内得到高精密度绝对测试。卡尺10主要包括一个电容性传感器12，电子测试仪100，用它将电激励信号加到传感器12上并处理由传感器12产生的总的输出信号，以确定一个给出的测试位置。传感器12包括一个直线第一刻度尺或支承构件20，和安装在支承构件20上的可滑动的直线第二刻度尺或支承构件30，以便相对构件作纵轴移动，从而限定了一个测试轴X。照惯例，有利的方式是能将对所制物体量纲测试的多个延伸卡尺臂(未画出)装备在支承构件20和30上。支承构件20和30之间的间隙大小约为0.05毫米(0.002吋)较为有利。
有七个电极阵列位于相应的支承构件上，它们彼此分别相对，与测试轴及相应的卡尺臂成一直线，通常标注成210A，210B，220A，220B，310，320A，320B。如下进行的详细说明，许多周期性变化的信号按予先规定的顺序加到电极阵列310上，由电极阵列320A和320B的不同电结构产生的信号依据测试类型(近似、平均或精确)读出。此外，为了说明方便，分别将阵列310电极称为第一发射机电极，阵列210A和210B电极称为第一接收机电极，阵列220A和220B电极称为第二和第三发射机电极，而阵列320A和320B电极称为第二和第三接收机电极，在从阵列310到阵列320A和320B的信号传输中，与电极阵列的相应函数相符合。
位于支承构件20的第一接收机电极阵列210A和210B是相同的交错阵列，它们最好的结构如所示的那样，用两行隔离开的、具有同样一致几何形状的第一接收机电极212A和212B交错构成。电极212A沿测量轴以彼此相同的距离Pr1隔开(相应端到相应端的距离)，而电极212B也同样以相同的距离Pr1沿测量轴相互隔开，所说距离Pr1是由所需的第一接收机电极波长Wr1(刻度或精确波长Wf)限定。
位于支承构件30上的第一发射机电极阵列310最好包含一行隔离的第一发射机电极312，该电极312与电极阵列210A和210B相对设置，并与电极阵列210A和210B排成一条直线以便使电极阵列210A和210B的各个部分按照支承构件20和30的相对位置成电容性耦合。
让相应的电极阵列310和210A/210B中的电极相对隔开有几个原因。按照本发明进行的低分辨力测试是将N周期变化的激励信号按数字顺序加到N组第一发射机电极312上，此处N等于3或大于3，使其在发射机波长Wt1内建立一个具有予定变化电压的电场，Wt1相当于第一发射机电极组的间距Pg(相邻电极组中先导电极之间边与边间的距离)。第一接收机电极阵列210A/210B相对于第一发射机电极阵列310需要的电极密度应充分满足在一个发射机波长Wt1范围内对第一发射机电极取样，其结果是电容性耦合于第一发射机电极阵列310的第一接收机电极阵列210A/210B的一部分上的电压分布，与第一发射机阵列上的电压分布基本上是相同的。因此，第一接收机电极阵列210A/210B中的电极分布密度在相当于发射机波长Wt1的距离内应至少有三个电极212A/212B。第一发射机电极312的间距Pt1由所需的精确波长Wf部分确定，并要求至少三个第一接收机电极212A/212B位于发射机波长Wt1内。
为了用相同的电极阵列和信号处理电路做精确测试，第一发射机电极312位于每一电极组中，以分别占领N组位置，每组位置代表一个不同的相对精确波长段位置，这些波长段位置是将发射波长Wt1分成许多相对于精确波长Wf的间隔而得到的，并将每一间隔分成N个相等段。第一发射机电极这种排列允许单个发射机电极的测试方位宽度比刻度波长明显增大。关于这些内容，在申请人的题为“具有改进的测试元件排列的电容型测试传感器”的待审查美国专利申请中进行了更充分的讨论，这份待审查美国专利申请在此列入参考文件中。
如图2A所示，每一组中相应的第一发射机电极312最好用连接件314使其相互电连接，同时终端电极组中的一组电极312与相应的传感器输入接头316相连用来将激励信号按照信号连接到接头316上的顺序在予定顺序上加到每一电极组中的相应电极312上。
参看图1-2，位于支承构件20上的第二发射机电极阵列220A包括如图所示的一行隔离的第二发射机电极222A，它与在一面的电极阵列210A相邻并与电极阵列210A成一直线。第二发射机电极222A的每一电极通过连接电极224A电连接到接收机电极212A的一个相应电极上，这样，每一个第二发射机电极222A从相应的第一接收机电极212A相对测试轴的空间偏移或位移的大小为Dc(X)，Dc(X)是第二发射机电极222A的相对于测试轴(没画出)上的基准位置Rc的予先确定的位置函数;而且，发射机电极222A与相应的接收机电极212A之间的偏移不会由于在予定的最大近似测试范围或波长Wc(未画出)内发射波长Wt1的超出量而改变。电极偏移程度最好是一线性函数，它随第二发射机电极222A相对于基准位置的距离增大而增大，但是，人们会发现电极偏移与第二发射机电极相对位置之间的关系可能是任何所希望的非线性函数。第二发射机电极222A相互间最好由相同的间距Pt2隔开，间距Pt2与间距Pr1不同，如所示的那样，在电极偏移和第二发射机电极相对位置之间提供一个直线性关系。就这种排列而言，偏移程度Dc(X)有如下的关系Dc(X)＝(Pt2-Pr1)f(X)f(X)＝X/Pr1Dc(X)=( (Pt2-Pr1))/(Pt2) )X式中X代表第二发射机电极离开基准位置的距离。
还会发现，与电极偏移程度有关的基准位置Rc有可能被安置在卡尺近似波长Wc的一端，如图1和2所示实施例，也有可能被安置在卡尺近似波长Wc的中间位置，如图3所示实施例。将会发现，在图1和2的排列中电极偏移程度对每对电极是唯一的，而在图3所示的排列中，对称地放置在相应的基准位置Rc上的第二发射机电极其偏移程度相同，但是在相对于测试轴的相反方向上，如所示的那样。因此，在图3的实施例中，偏移Dc(X)在+ 1/2 发射机波长Wt1和- 1/2 波长Wt1之间变化。图3所示的对称偏移结构的优点是限制了最大偏移Dc(X)，它使连接电极224的斜度和长度减小，因此制造容易。
位于支承构件20上的第三发射机电极阵列220B包括如所示的那样，一行隔离的第三发射机电极222B在与第二发射机电极阵列220A相反的一边上的第一接收机电极阵列210B相邻，并与210B相对成直线。接收机电极组212B通过连接电极224B与相应的发射机电极组222B电连接，如所示的那样。在每一组相互连接的第一接收机电极和第三发射机电极组中，第三发射机电极222B从毗连的第一接收机电极212B空间偏移，它们与第一接收机电极的连接方式与第二发射机电极222A和第一接收机电极212A的连接方式相同，即每组中的偏移Dm(X)量是第三发射机电极222B位置相对于电极组中测试轴上基准位置Rm的予定函数(线性或非线性)。测试距离中，偏移Dm(X)的变化，即被每组第三发射机电极222B复盖的平均波长Wm等于发送波长Wt1。如图所示的那样，该组基准位置Rm最好位于每组的中心，而每一组中的偏移Dm(X)在+ 1/2 发射机波长Wt1和- 1/2 波长Wt1之间，对称于所说的基准位置变化。另外平均波长的长度最好应当是发射波长的整数倍。该电极组按等于平均波长Wm的间距重复。
近似波长Wc最好是平均波长Wm的整倍数，平均波长Wm应该是精确波长Wf的整倍数。此外，平均波长Wm的长度应是发射机波长Wt1的整倍数。近似测试需要确定位于平均波长上的测试位置，而平均测试需要确定位于精确波长上的测试位置。因此，平均测量的精度必须超过一个精确波长，而近似测量精度应超过一个平均波长。
此外，近似波长Wc，平均波长Wm和精确波长Wf之间的关系应进行选择以得到一个好的精确度。例如，在图2的实施例中，N＝8，Wc＝40Wm，Wm＝40Wf，对于1/320近似测量和平均测量的内插分辨力将允许近似测量在平均波长的1/8内确定测量位置，而平均测量将可能在1/8精确波长内确定测量位置。这对小于一个波长的最大允许误差是一个非常好的限度。实际设计中Wf＝1.024毫米，精确的内插分辨力是Wf/512，或2微米。总绝对测量范围是40×40×1.024毫米＝1638毫米＝1.64米，在整个范围内的分辨力是2微米。
第三发射电极222B最好是用间距Pt3均匀地彼此隔开，这样，第三发射机电极的偏移Dm(X)是电极组中电极相对位置的线性函数。正如图1和3中分别所示。间距Pt3可以是一组第三发射机电极复盖的距离(平均波长Wm)，它小于(图1)或大于(图3)与第三发射机电极连接的第一接收机电极212B组复盖的距离。在图1的排列情况下可以看到，每个第一接收机电极212B均可以接到相应的第三发射机电极222B上，但并不是每个第三发射机电极均能接到相应的第一接收机电极上。也会发现图3中的排列情况正好相反。至少在图1的排列情况下，发现哪些没有接到接收机电极212B去的发射机电极222B′应接到接地导体225上(图2)。
位于支承构件30上的第二接收机电极阵列320A最好包括结构形状互补的两个第二接收机电极322A、322A′，这两个电极相邻，与第二发射机电极阵列220A相对着排成一条直线。正如所示，电极322A，322A′有一长的相对于测试轴周期性变化的形状，电极322A，322A′的有效长度是发射机波长Wt1的整倍数。从信号处理的观点看，电极有一正弦形变化形状，最好是图1所示形状。但是，如图2所示的三角形或矩形也可以用。图4中示出的是一种矩形形式，其中第二接收机电极阵列320包括一行隔离的矩形电极324，它位于支承构件30上，与第二发射机电极阵列220A相对着成一直线。正如所示，电极324有相等的间距，并交替按正和负输入信号连接到处理电路104。因此电极324总起来说相对于测试轴，随予定的波长Wr2有一周期性形状，这在下面会更充分说明。
当N个逐渐增大的不同周期变化的信号(或如下所讨论的信号的一组组合)按数字顺序根据电极组中相应电极各自的物理位置加到N个第一发射机电极312的每一组上。在第一发射机电极312上的总电场分布具有波长Wt，并且该电场分布是电容性耦合到第一接收机电极212A上，然后通过连接电极224电容耦合到第二发射机电极222A，沿支承构件20的偏移Dc(X)是根据每个第二发射机电极的距离从基准位置Rc变化。第二接收机电极322A和322A′(324)的几何结构，当电极的输出不同地连接时，作为空间滤波器检测电场分量，该电场分量取决于第二发射机电极偏移Dc(X)，正如上面所述，由于偏移与支承构件20上的予定基准位置的关系，偏移与支承构件上的相对位置有关。在最佳实施例中，偏移Dc(X)是一线性函数，这用第二接收机电极构形很容易实现，即使其有一周期或接收波长Wr2，这样，检测波长为一个发射机波长Wt1的电场分量校正第一接收机电极212A和第二发射机电极222A之间的间距差。简而言之，确定了第二接收机电极的形状就能显示出与发送波长有下列关系的接收波长Wr2上的电场曲线Wr2＝Wt1(Pt2/Pr1)与电极阵列320A同样地构成第三接收机电极阵列320B的形状，并使320B与第三发射机电极阵列220B相对着排成一条直线。实际上，阵列320B的第二接收机电极322B的形状类似阵列320A的电极，这就能显示出在接收波长Wr3上由第三发射机电极222B产生的电场曲线，接收波长Wr3与发射波长有如下关系Wr3＝Wt1(Pt3/Pr1)如图3所示，最好用第一接收机电极212的单个阵列210代替图1所示的双阵列210A和210B。在图3所示的实施例中，第二发射机电极220A接到第一接收机电极212的一端，而第三发射机电极220B接到第一接收机电极212的相对一端。此外，如图1所示，第一接收机电极最好是正弦形结构，这样，电极间的空间形成一个基本上是全波形的正弦形曲线且平行于测试轴展开。
在精确测试模式中，第二接收机电极322A和322A′的输出接头电气连接在一起，因此，电极阵列320A有效地起到在整数倍发射机波长Wt1内展开的单个矩形电极的作用。同样地，第三接收机电极322B，322B′的输出接头电气连接在一起，也形成一个有效的单个矩形电极320B在整数倍发射机波长上展开。从第一接收机电极312通过第一接收机电极212A和联结的第二发射机电极222A耦合到组合的第二接收机电极320A的信号将是周期性变化的，该变化是支承构件20和30之间的距离相对于两个支承构件上的基准位置的函数，其波长等于第一接收机电极阵列210A的波长Wr1。
同样地，从第一发射机电极312通过第二接收机电极212B和联结的第三发射机电极222B耦合到组合的第三接收机电极320B的信号是同样的周期函数，其相位比组合的第二接收机电极320A产生的信号相位相差180度。
第一发射机电极和第二/第三接收机电极320A/320B的精确结构形状之间的这些信号传递函数形状取决于第一发射机电极和第一接收机电极的形状。如果相应的电极是矩形，那么对于支承构件20和30之间的小间隙来说，传递函数是一复合的三角形波形，并随间隙增大而变成正弦形。将第一接收机电极做成正弦形，如图1所示，获得的正弦形传递函数与支承构件之间的间隙大小无关。
对第一发射机电极的第一个电极，上述的精确型传递函数Tf1可以用数学式表示为Tf1＝Cf0+CfSin( (2πX)/(Wf) )式中Cf0＝恒定电容量，Cf＝可变电容量的范围。
对第一发射机电极的第二个电极，离开所述的第一发射机电极的第一个电极的距离为d(在X轴测试方向)，精确模式传递函数Tf2能用如下d相对于Tf1传递函数的函数来表示Tf2(d)＝Cf0+CfSin( (2π(X-d))/(Wf) )如上述的和申请人所述的作为参考的待审查的申请中所述的那样，选择第一发射机电极之间的间距为d，在一组N个电极组中，第一发射机电极被分布在几个精确波长Wf内，并在一组第一发射机电极中的第一个电极与第n个电极之间的间距dn可以确定为
dn＝n(Wf/N)+(Mn)(Wf)式中Mn是一个相应于刻度波长间隔的整数，电极组中第n个电极被安置在其中。
就精确测试而言，系数Mn可以是任何整数，因为Sin(V+M2π)＝Sin(V)假如M＝整数。
因此对于第一发射机电极在电极组内的每一“相位”位置的传递函数能与M无关的定义为Tn＝Cf0+CfSin〔2π( (X)/(Wf) - (n)/(N) )〕这说明在一组电极中，N个第一发射机电极构成N“相”具有正弦形传递函数的电极，它们相互间的相对“相位移”为360/N度。
在近似和平均测试模式中，第二和第三接收机电极的输出连接不同，即被处理的近似测试信号不同于来自第二接收机电极322A和322A′的信号，被处理的平均测试信号不同于来自第三接收机电极322B和322B′的信号。特别提及近似测试模式(平均测试模式的说明是类似的)，为了构成第二接收电极情况，用正弦形分割线使之互相隔开，如图1所示，第二发射机电极222A和第二接收机电极322A之间的电容量是支承构件之间相对位移X的函数C″(X)=Cco+CcSin(2π( (X)/(Wr2) - (n)/(N) )]式中Cc0＝一个恒定电容量，Cc＝电容量的可变范围。
对于互补的第二接收机电极322A′，相应的电容量函数为C″(X)=Cco+CcSin[(2π( (X)/(Wr2) - (n)/(N) )]
微分组合电容量函数得到C(X)=C″(X)-C″(X)=2CcSin[(2π( (X)/(Wr2) - (n)/(N) )]信号从第一发射机电极312的第一个电极通过第一接收机电极212A和第二发射机电极222A，到第二接收机电极322A，322A′的传递函数是一个由第一接收机电极产生的精确波长调制的组合函数，上面确定的电容量函数为Tc1(X)＝〔Cf0+CfSin( (2πX)/(Wf) )〕〔Cc0+CcSin( (2πD(X))/(Wc) )〕-〔Cf0+CfSin( (2πX)/(Wf) )〕〔CC0-CCSin( (2πD(X))/(Wc) )〕＝〔Cf0+CfSin( (2πX)/(Wf) )〕〔2CcSin( (2πD(X))/(Wc) )〕与前述的第一发射机电极的第一个电极相隔N/2个相位位置的第一发射机电极中的第二个电极将同时具有翻转的精确和近似正弦函数，并且第二个接收机电极的传递函数是Tc2(x)＝-〔Cf0-CfSin( (2πx)/(Wf) )〕〔2CCSin( (2πD(X))/(Wc) )〕将一个与加到第一发射机电极的第一个电极上的信号相反的信号加到第一发射机电极的第二个电极上，由于两个第一发射机电极的组合产生下列的总传递函数Tc(x)＝Tc1(x)-Tc2(x)＝4(Cf0)(Cc)(Sin( (2πD(X))/(Wc) ))组合的传递函数与第一接收机电极的精确波长调制无关，只与第一接收机电极212和关联的第二发射机电极222A之间的偏移D(X)有关，可以用这种函数关系进行近似的位置测试。
从上述的情况可以看出，可以用本发明的传感器电极排列作空间滤波器，其滤波功能是容易通过第二接收机电极输出的不同电气连接改变它的几何形状来变换的，从而得到传感器几何形状所需要的部分(或者第一接收电极精确波长的调制，或者是在表征偏移D(X)的第二发射机电极上已调制的发射机波长信号分布)，并去掉其它部分。
如上所注意到的，第二和第三接收机电极322A，322A′，322B和322B′可以有不同的形状，其结果是每一电极阵列的关联电极之间的分隔线可以是除正弦形外的其它形状，如三角形或矩形。这样交替的电极排列也可以提供上述所需的空间滤波功能，且通常只需第二发射机电极与第二接收机电极间的传递函数满足下列条件C(X)＝C(X-Wr2/2)还会发现，相应的传感器输出信号波形相对于基准位置的空间位置也与传感器支承构件20和30相互间的相对位置有关，它是使用测量瞬时信号相位漂移确定测试位置能实现的基本关系。
按照本发明，根据所说的原理，由至少一个低分辨力测试和一个高分辨力测试的组合导出绝对位置测试。最好采用一个低分辨力测试、一个中分辨力测试和一高分辨力测试的组合来获得在扩大的测试范围内的精确绝对测试。将激励信号按予定的顺序或相位组合加到第一发射机电极和相连的第二/第三接收机电极上以按不同的测试模式提供合适的空间滤波的方法，从相同电极阵列获得多级测试。第一和第二/第三发射机电极的几何排列是使它有能获得N个分布的相位位置作为有精确波长的电容量函数;并能获得也具有延伸在几个精确波长上的较长波长的N个分布相位位置，同时它分别通过第一接收机电极和第二、第三发射机电极间的相应偏移Dc(x)和Dm(x)传送近似和平均位置的信息。
上面讨论的不同传递函数主要是电容量函数，对每种测试模式(近似、平均、精确)在每一测试波长Wc、Wm、Wf中的绝对位置可以用许多不同的已知的电容性位置测试电路来测量。例如包括申请人前面提到在此作参考资料的待审查专利申请中的电路和申请人前面提到在此参考的美国专利4420754号中所说的电路。这些电路是基于采用不同相位位置的周期性信号连续激励发射机电极，使其均匀分布在N个输入上，并基于测量所得到的合成信号相对相位位置的接收机和计算电路能在以下限定条件内很方便的被使用a)如果选择的传感器电极的几何形状对所有的测试模式采用相同的激励信号顺序连接，近似、平均，精确测试能用上述种类的三个并联电路同时进行，并从这些测量的输出数据中能够计算出绝对位置值。
b)如果选择的传感器电极的几何形状对精确、平均/近似测试要求不同的激励信号连接顺序，则在测试模式之间必须按时进行多次测量。
c)如果近似、平均、精确三种测试模式是通过同样的测试电路依次多步进行，则必须允许有足够的时间使每一种测试模式使信号在取得测量值之前获得稳定状态条件(允许在滤波器和积分器中的时间恒定)。
电子测试仪100的最佳实施例示于图5中，它的优点是比前面提到的连续信号相位测试方法快，在测试模式之间通过一公共电子测试电路重复测试，而在三个模式之间不需要调整时间。通常，图5中的测试仪用双等变率(dual-ramp)模-数(A/D)变换方法测量每一测试模式中激励信号的不同“组相位”组合产生的传感器输出信号比。
为了更清楚起见，下面的说明将涉及一个典型实施例的传感器12，这种传感器的电极形状如图2所示，具有下列参数波长Wf＝1.024毫米Wm＝40Wf＝40.096毫米Wc＝40Wm＝1638.4毫米第一发射机电极间隙Pt1＝5/8(Wf)激励信号“组相位”组合数N＝8N个第一发射机电极构成的每组电极的激励信号连接顺序近似/平均测试模式1-2-3-4-5-6-7-8精确测试模式1-6-3-8-5-2-7-4如图5所示，电子测试仪包括一个微处理机控制器110，用于控制其他部分的工作，并对组合测试数据作必要的计算;一个传感器激励信号发生器120，用于产生激励信号400的予定组相位组合响应由控制器110产生的控制信号112;一个传感器输出信号组合器130响应于控制器110产生的控制信号113，用于选择性地连接第二接收机电极阵列320A的输出410和第三接收机电极阵列320B的输出420，以不同的组合得出总的传感器输出信号430，按测试模式进行随后的处理。这在下面要更充分讨论，一个双等变率A/D变换器140响应于控制信号114，用于转换成对依次合成的输出信号430的幅度比，它表示通过传感器的不同传输路径对于时间间隔T用控制器110可以从每种测试模式中的位置测量导出;显示器150响应由控制器110产生的输出信号115，用于显示控制器110计算出的位置数。
如图5所示，传感器激励信号发生器120最好包括一个时钟脉冲振荡器122，以产生频率为f0的高频矩形波时钟脉冲信号123;和一个调制器128产生翻转的和非翻转的信号123的予定的指令顺序(即组相位组合)作为传感器激励信号400。时钟脉冲频率f0最好选择成使每个时钟脉冲周期与由所需精确波长分辨力的增量表征的相位漂移相符。正如所示，调制器128最好包括N个异-或逻辑门128-1至128-8构成的一个阵列，每个门有一个输入连接在时钟脉冲信号123而另一个输入连接到与控制器控制信号112响应的只读存储器126(ROM1)产生的门控信号127-1至127-8，如表6所示，控制信号112最好是四位二进制字，其数量由毕特U，V，W和F/MC决定，确定了ROM1输出127-1至127-8的16个不同组相位组合，8个用于高分辨力(F)测试模式(毕特F/MC＝1)，8个用于低分辨力(C)和中分辨力(M)测试模式(毕特F/MC＝0)。(正如本行业普通技术人员所了解的，当门控信号127是低时(0)，相联的门128产生的激励信号为时钟脉冲信号123，而当门控信号是高的(1)时，产生的激励信号相对于信号123翻转)。
如图5所示，激励信号发生器120产生的相应激励信号400最好以固定的连续的数字顺序接到相应的传感器输入接头316-1至316-8上，有N个电极的每一组中的第一发射机电极被分别接到传感器输入接头上，其连接是按照电极在电极组中的物理排列的相对顺序而与电极组占据的相对精确波长段(相位)位置的顺序相反。简言之，第一信号400-1加到每组中第一发射机电极312-1，第二信号400-2加到每组中第二发射机电极312-2，按此方式，将第N个信号400-N加到每组中的第N个发射机电极312-N上。因此，在近似、平均测试模式中，各种组相位组合是由四个连续的不翻转的和四个连续的翻转的激励信号顺序构成，由于加上未翻转的和已翻转的信号的电极在每组中使一个电极组相位位置依次的从一个组相位组合移至下一个。这就是说，对图6所示的组相位组合K＝1，用未翻转的激励信号馈入传感器输入接头316-1至316-4，而已翻转的激励信号馈入接头316-5至316-8。对下一个相继的组相位组合(K＝2)，使未翻转的信号馈入接头316-2至316-5，而翻转的信号馈入316-6至316-1;依次继续进行。
比较起来，在精确测试模式中，因为在所说例子中采用的电极几何形状，所以必须将激励信号400的相同组相位组合按在电极组中每个电极的相对相位位置(精确波长段位置)加到每一组中的第一发射机电极上。激励信号发生器输出400固定连接到传感器输入接头，这就需要产生第二次校准组相位组合，如图6所示，精确模式对每个输入接头316与相对精确波长段位置关系反映如下接头号电极段位置316-11316-26316-33316-48316-55
316-62316-77316-84可发现较为有利的是激励信号发生器120的输出400通过可控接口电路交替的接到传感器输入接头316，可控接口电路确定加到输入接头上的相应激励信号在电路中的顺序，在这种情况下，只需对激励信号的组相位组合校准。还可发现，对其它传感器电极几何形状，例如N＝8，Wt1＝9Wr1，在每组中第一发射机电极占据的相对精确波长段位置顺序是增大数字顺序1-2-3-4-5-6-7-8，因此，在近似/平均测试和精确测试两种情况下能采用相同的组相位组合的校准。
如图5所示，传感器输出信号组合器130最好包括一个电子转换网络，通常标注成132，响应由只读存储器134(ROM2)产生的二进制转换控制信号133，根据两位字控制器信号113指示测试模式，和一个接到转换网络132输出上的微分放大器电路136，并产生一个作为输出的总的传感器输出信号430。如图所示，转换网络132有四个输入接头A、B、C、D，它们分别接到传感器输出410和420上。形状S11、S12、S13、S14、S21、S22、S23、S24、S25和S26响应控制信号133，如图7所示，当相应的控制信号是高位时(图7中的“1”)，这些开关是在图5所示的上位(例如开关S11)，当相应的控制信号是低位时(图7中的“0”)，开关是在图5所示的下位(例如S21)。如所示的，开关S11-S26相互连接，使总的信号430构成下面的输入组合，响应具有图7所示数量的转换控制信号133，对于三种测试模式的每一种是精确信号430＝(A+B)-(C+D)平均信号430＝C-D近似信号430＝A-B如图5所示，A/D转换器包括一个同步解调器142，它由用于产生激励信号400的同一时钟脉冲信号123控制，为了产生一个已解调的DC传感器信号440与信号组合器130产生的总传感器输出信号430的幅度成正比;一个积分器144对传感器信号440的双等变率积分对的控制信号114起反应，在下面进一步详细说明;一个比较器146用于检测积分器144产生的积分输出信号450的极性和零交叉，并产生反馈信号115给控制器110，在下面将更详细说明。
控制器110程序控制传感器激励信号发生器120，传感器输出信号组合器130和A/D转换器140;并按图8A-8E所示流程图处理测试数据以获得位置数值。图8A列举了控制位置测试的主测试程序，当控制器110按普通方式作用，开始测试时(51000步骤)，依次进行近似、平均和精确测试的子程序(S1200、S1300和S1400步骤)以获得低分辨力、中分辨力和高分辨力刻度尺位置值Mc、Mm、Mf。正如下面要更详细说明的，中分辨力和高分辨力模式测试子程序每一步运算引起校正，适当的从测试前电平获得刻度尺位置量。在精确模式测试子程序完成之后就立即获得三个刻度尺位置量Mc，Mm，Mf的最后量，刻度尺位置被转变成(S1500步骤)一绝对位置测试量MP。一个测试周期是由与显视器170显示的位置测量值有关的程序进行常规操作(S1600步骤)完成。例如，这样的操作最好能包括校正位置测试值对任何零点偏移;将位置测试值转换成时;将二进制量转换成合适的输出数据形式;例如，二进制编码的十进制(BCD);并转换成所需的显示数据形式。
如下进一步地说明，对每一种测试模式的解调总传感器输出信号的A/D转换由列举的传感器12的例子标示出来，因此，刻度尺位置量数据中的每个递增变化使传感器支承构件相对于测试轴的相应位移关系如下精确模式1数据增量＝1024/512＝2微米平均模式1数据增量＝40× 1024/320 ＝128微米近似模式1数据增量＝40× 1024/8 ＝5120微米此外，刻度尺位置量转换成相应的位置测试量(步骤1500)只要求按下列的加权公式组合三个刻度尺位置量Mp＝2Mf+128Mm+5120Mc如图8B-8D指出的在近似、平均和精确三种模式的任何一种中，进行同样的A/D转换(AC)子程序(步骤S1240，S1340，S1440)。在每一测试模式中，控制器110一开始选择发生传感器激励信号400的N个可能的组相位组合的第K个组相位组合，如下面要更详细说明的，控制信号组合器130产生适合于测试模式的总传感器输出信号430。参看图8E的流程，根据ADC子程序控制器110首先使积分器144重新校准到予定的“0”输出电压(步骤S1710)(本行业的普通技术人员会发现积分器的“0”电平不需要是绝对零电压，但可能是电路设计时选择的使信号为“0”的电平的任何电压电平)。然后，控制器110使积分器对解调的总传感器输出信号440积分作为予定的时间周期T0(步骤S1720)。然后控制器110校验(步骤S1730)积分器输出450的极性使与比较器140(信号115)读出的极性一致。极性指示器常数P根据读出的极性(步骤S1740和1750)校准到正或负1值。而后，控制器110根据K+2P的量(步骤S1760)选择传感器激励信号400的一个新的第K个组相位组合，并对由新的组相位组合激励信号产生的解调总传感器输出信号400积分，直至积分器144的输出达到比较器146(步骤S1770)读出为“0”。在第二次积分过程中，积分时间T由控制器110中的内部计算器测量，并被时钟脉冲信号123增大，直至比较器输出信号115指示一个零的积分器输出为止。如果在第二次积分间隔中积分器输出在预定时间Tmax达不到零，则每一种测试模式子程序将进入循环外的ADC子程序(步骤S1250，S1350，S1450)，并且改变所用的激励信号组相位组合以在ADC子程序(步骤S1720)的最初积分过程中产生积分的最初传感器输出信号440，正如下面要更详细说明的。
上述的ADC子程序的任务是测试以下的系数，Ⅰ)总传感器输出信号系数，能从激励信号组相位组合的校准中获得，对给定的测试模式产生一个接近于零交叉(Zero-Crossing)的信号，作为上述的精确和近似/平均的传递函数;以及Ⅱ)作为传递函数的总传感器输出信号，与初始信号相差四分之一波长。参见图9，如果实测位置Xp所处的位置相对于零交叉位置X0的关系如图9所表示的，用图6所示K＝1组相位组合激励信号通过积分器144完成的第一积分将产生一个输出电压V1＝VSin〔2π( (X)/(W) - 1/8 )〕;式中的V等于激励信号400的输入电压，W等于近似、平均、精确波长Wc、Wm、Wf。在第一积分间隔中，积分器的最终输出电压将是电压V1乘以时间T0。
参见图9，电压V1应该为正(P＝1)，而下一个积分间隔应由K+2＝3的组相位组合的激励信号产生的传感器输出信号完成，它引起一个相反的积分器输出。也就是说，积分器输入电压应有一幅度V3＝VSin〔2π( (X)/(W) - 3/8 )〕。因为，该信号的相位比第一信号超出90度(在该例中为负)，积分器输出将朝零减小。当积分器信号在时间T时达到零，V1T0-V3T＝0，从而T＝T0(V1/V3)。V1和V3是Xp的正弦函数，Xp是相对于基准位置的传感器支承构件的相对位置，V3与V1差90度，上述的T的等式是一正切函数T＝T0tg(2π(X/W-1/8)〕该正切函数在角度高到22.5度(W/16)一段有较好的直线性。因而能够用T值作为测试数据进行进一步的线性计算确定该范围内的测试位置Xp(如果要求提高精度，可在随后的计算机处理中修正因线性函数而产生的正切函数的偏差)。
为了取得正切函数中上述的直线性优点，用给定的组相位组合激励信号在仅限定的空间范围Xa内进行测试，比较第二积分时间T与予定的最大值确保测试在该范围内进行。如果时间T超过予定的最大值，用新的组相位组合激励信号进行初始积分，并重复处理直至获得在予定极限中的第二积分时间T。
作为一个特例，上述的传感器12的典型实施例，320(即40×8)刻度尺位置量数据增量最好等于相应测试模式中的一个近似波长Wc和一个平均波长Wm;而512(64×8)刻度尺位置量增量等于精确测试模式中一个精确波长Wf。因此空间范围Xa＝360/16度相当于近似和平均模式中的320/16＝20的数据增量，以及精确模式中的512/16＝32的数据增量。计算值大于相应测试模式中的两个值，因此在空间范围Xa之外。适当地校准积分时间T0和TmaxTmax＝20＝T0tg(360/16)-对近似和平均测试模式;
Tmax＝32＝T0tg(360/16)-对精确测试模式。
这种关系在近似和平均测试模式中产生对于T0的48时钟脉冲周期，对精确测试模式产生77时钟脉冲周期。
参见图8B，用产生控制信号113使近似测试模式子程序起动(步骤S1210)，控制信号113校准传感器输出信号组合器130，以产生适合于上述的近似测试模式的总传感器输出430。控制器110接着从图6所示的近似/平均组合中选择一个组相位组合数K(步骤S1220)。在上述的近似测试过程中，最好在开始起动后，校准K值使等于计算值Kc。在大多数情况下，若测试位置量变化率不大，则所选的指标应使初始的K数值很接近被测试位置的正确值。在无先前的K值情况下，例如，切断电源状态之后卡尺起动时，能用K的任意值作为最初值。在近似测试模式过程，使程序保持重复直至达到K的正确值。
一旦K的数值选定，传感器激励信号的相应组相位组合也就产生(步骤S1230)，并且上述的ADC子程序就完成(步骤S1240)。将ADC子程序产生的第二积分时间T与Tmax比较，对近似测试模式而言，上述的典型实施例Tmax为20(步骤S1250)。对T值大于20的，根据ADC子程序发生的P值将K数在一个步骤上调上或调下(步骤S1260)。此后，测试循环(步骤S1230-S1260)随所用的新K数再重复以选择使用的激励信号初始组相位组合，产生初始的总传感器输出信号430。继续该过程直至从ADC子程序获得的时间T值不大于20。
接着用K值校正Kc值，因为对它来说测试时间T是处于予定极限内。将用Kc值作为下次近似测试的初始K值，并且还用它来获得该近似刻度尺位置的Mc值。典型的实施例要求Mc＝40Kc+PT在典型实施例情况下，Mc值完全能够在0至319的范围内。当Mc的计算值超出该范围时，控制器110运行“包络”(Wrap-arownd)计算，即321的计算值等于1的测量值，-3的计算值等于317的计算值。通过选择使近似波长测试分辨力为320，Mc值的每一个增量等于1/(40×8)等平均测试模式中的一个相位步程(等于一个K增量)。
参看图8c，平均测试模式子程序与近似模式子程序基本相同。控制器110由产生一个控制信号113起动(步骤S1310)，控制信号113校准信号组合器130以产生适用于平均测试的总传感器输出信号430，接着(步骤S1320)控制器计算来自图6所示的近似/平均组合的激励信号组相位组合的K数。与近似模式子程序不同的是，平均模式子程序使用按公式K＝Mc-N(Int(Mc/N))，从近似模式计算中得到的近似刻度尺位置量Mc，式中Int(Mc/N)是Mc/N比的整数值。
随后，控制器110引起产生激励信号K组相位组合，并执行ADC子程序(步骤S1330和S1340)。与近似模式子程序类似，若第二积分时间T值超过20，按ADC子程序产生的P值将用于计算K的Mc值在一个步骤上调上或调下(步骤S1360)。此后，测量循环随新的K数再重复。该过程继续到第二积分时间T值在予定极限中从ADC子程序获得为止。校正Km值(步骤S1370)，并用计算公式(对典型实施例)算出平均刻度尺位置量Mm(步骤S1380)Mm＝40Km+PT平均模式中也用了一个与近似模式中使用的类似包络计算以导出Mm值。选择320为一个平均波长分辨力，使平均刻度尺位置量中的一个增量等于1/(40×8)，等于精确测试模式中一个相位步程(等于1K增量)。
参看图8d，精确测试模式子程序一般与平均模式子程序相似。校准信号组合器130起动控制器110，产生适用于精确测试的总传感器输出信号430。控制器110接着用先计算出的平均刻度尺位置量Mm按下列公式算出激励信号初始组相位组合的K数K＝Mm-N〔Int(Mm/N)〕产生激励信号的第K个组相位组合后(步骤S1430)，像以前所述执行ADC子程序(步骤S1440)。类似于近似/平均测试模式，如果T计算值超过极限Tmax，根据ADC子程序产生的P值用一个步骤将用于计算K值的Mm数上或下增大(步骤S1450和S1460)。如果该调节使Mm量在上或下方向中通过量319/0(步骤S1462)，那么Mc量也是用一个增量适当地上或下增大。此后，测试程序(步骤S1420-S1464)随新的K数再重复，并继续该过程直至在极限Tmax内从ADC子程序获得时间T值。紧接着用K的最终计算值校正Kf值(步骤S1470)，并用下列公式(对典型实施例)算出精确刻度尺位置量MfMf＝64Kf+PT用所举例子中提供的范围，Mf值能够在0-511范围内。与其他两种测试模式相似，如果Mf的计算值超过该范围时，控制器110执行包络(Wrap-around)计算。例如，513的计算值等于1的测试值，-3的计算值等于509的值。对于一个精确波长Wf，选择512的分辨力值，使在精确刻度尺位置测量中的一个增量等于1/(64×8)＝1/521精确波长，它等于2微米，具有Wf等于1.024Mm的典型量纲。
执行主测试程序的转换步骤S1500，如上述的用以执行全部三个测试模式子程序得到的Mc，Mm和Mf值。因此，执行近似模式子程序得到的Mc初始值可以紧接着变更成执行平均模式和精确模式的子程序，同时，Mm的初始值可以变更成执行精确模式程序，如上所述。可看到，在平均和精确测试模式子程序中采取的措施用于连续地校正以较低波长数据结果为基础的较高波长测试数据。因为较高波长测试的最低有效毕特中存在一些模糊点，在下一较低波长中的那些毕特与K数相符。在较长低波长测试模式中，K数有效性在有更高精度的ADC子程序中测出。因此，将较高波长测试中K数的任何调节量反射进较低波长转换中，来消除较高波长测试中的模糊点，并获得正确的位置测试量。
将会发现，所述的最佳实施例只是本发明的一个例子，凡能够做出的许多改型均属于本发明的思想和范围。实际上，也会发现，这里所说的最佳实施例实用于组合的近似、平均和精确测试以获得精确的绝对位置测试。按本发明的低分辨力测试的主要特征是相应于第一接收机电极-第二发射机电极排列的设备，其中被连接的第二发射机电极与相应的第一接收机电极的偏移关系是第二发射机电极位置相对于基准位置的予定函数;以及构成读出偏移函数D(X)的另一个接收机电极阵阵列设备。本发明的范围与第一发射机和第一接收机电极的特定分布无关，也与读出电容量函数用的信号处理方式无关。
当然更可取的是对于近似测试不需要第一发射机电极均匀分布，致使由N个第一发射机电极组的发送波长Wt1在所有电极组中均相同，只要第一发射机电极分布与第二接收机电极的结构之间一致，第一接收机电极和第二发射机电极间的偏移率是匹配的。此外，第一发射机电极组中的电极数N可以是一个小到2的数。
此外，按照本发明，第一接收机电极的分布对近似测试不是最重要的。第一接收机电极间的间隔甚至可能是完全不规则的。也有可能对于从第一发射机电极通过第一接收机电极和第二发射机电极到第二接收机电极产生的多个传送通道采用叠加第一发射机组和读出传递函数来获得每个发射机波长Wt1上少于一个第一接收机电极的低分辨力测试。假如这种通道数至少是3，第一接收机电极的宽度不是第一发射机波长Wt1的整数，测量函数D(X)是可能的，并由此获得近似位置测量(传送通道的确定方法是一个激励信号连接到一个第一发射机电极组中N个第一发射机电极中的任一个上，通过第一接收机电极和第二发射机电极到第二接收机电极连接的一个上。如上所述，一个第二接收机电极连接也可能是相反极性的2个连接。确定传送通道的方法也可以用将几个这样的连接加在一起获得如上述的最佳实施例中所用的方法)。
每个传送通道具有的传递函数随第一和第二支承构件之间的位移变化(即是X的函数)。所有传送通道的传递函数幅度最好是相等，但不是必须相等;并且传递函数幅度是通道间的相位漂移(在X方向)。这些传递函数的形状可能是正弦形、三角形或一些其它予定的形状。正弦形传递函数最好，因为传递函数的形状对第一和第二支承构件之间的间隙依赖性小。两个传送通道在X方向具有的相位漂移是四分之一波长，原则上，在函数的周期长度中到处有测定位置的充足信息。因此，按照本发明可以构成一个N等于2的函数装置。
将第一发射机电极和第二接收机电极阵列做成有规则的周期性结构，那么设计和予测测试系统的特性就变得较简单了。另外，可能读出偏移函数D(X)而不是直接读出第二发射机电极响应第一发射机电极的至少一个组的激励而产生的电场特性曲线的电压分布。读出偏移函数的其它方法的例子是依赖第一发射机阵列和第二接收机阵列间通过第一接收机电极和第二发射机电极的信号的至少两个传递函数。如果传递函数相对于测试方向之间的形状和关系是已知的，则从传递函数的测试中可以导出测试位置。
按照本发明，采用电极的相同校准，提供同时测量精确和近似-平均分辨力的测试传感器的能力是由于近似分辨力测试对第一接收机电极阵列的形状限止不足引起，因此，为满足精确分辨力测试可以给出第一接收机电极阵列的周期和电极形状。给定了第一接收机电极阵列的间隔Pr1和电极形状，结合第一发射机电极的电极间隔和形状，给出以第一发射机电极到第一接收机电极的传送信号的具有波长Wf的周期性传递函数。间隔Pr1等于精确波长Wf，一个小于Wf的电极(最好不大于Wf/2)对于一个宽度最好不大于Wf/2的第一发射机电极提供所需周期的传递函数。位于波长Wf整数倍的间隔上的几个第一发射机电极能够连接在一起以提供一个较强的传感器输出信号。用位于波长Wf整数倍的间隔上的第一接收机电极结合位于等于波长Wf的固定间隔上的第一发射机电极也能得到相同的传递函数，甚至第一发射机和第一接收机电极不规则分布的某些组合也能产生所需要的传递函数。然后，在这些实施例中，全部第一发射机和第一接收机电极必须位于相对于公共基准点为波长Wf整数倍的位置上。
权利要求
1.电容型测试装置包括第一和第二支承构件，所说的支承构件可彼此相互移动，而且至少一个所说的支承构件可相对于测试轴移动；位于所说的第一支承构件上的第一发射机电极阵列与所说的测试轴排成一条直线；位于所说的第二支承构件上的第一接收机电极阵列与所说的测试轴排成一条直线，所说的第一接收机电极阵列的不同位置与所说的第一发射机电极阵列依所说支承构件的相对位置成电容性耦合；和位于所说第二支承构件上的第二发射机电极阵列与所说的第一接收机电极阵列排成一条直线，每一个所说的第二发射机电极电气连接到相应的一个所说的第一接收机电极上，致使与相应的第一接收机电极有偏移，偏移量是第二发射机电极的位置相对于所说测试轴上的基准位置的予定函数。
2.按权利要求1的测试装置进一步包括位于所说的第一支承构件上的与所说第一发射机电极阵列排成一条直线，用以读出所说的电极偏移的第二接收机电极设备。
3.按权利要求2的测试装置，其特征是所说的第一发射机电极彼此之间相对于测试轴按予定的间隔隔开，并且至少一组第一发射机电极由至少两个相邻的第一发射机电极确定;所说的第二接收机电极设备包括至少一个细长的第二接收机电极，其形状随测试轴变化，与每一个第一发射机电极组复盖的测试轴距离一致。
4.按权利要求3的测试装置，其特征是所说的第一发射机电极按相同的预定间隔Pr1隔开，所说的至少一组第一发射机电极组确定传送波长Wt1;所说的至少一个第二接收机电极其形状在接收波长Wr2内，为周期性变化，接收波长Wr2与传送波长Wt1有予定关系。
5.按权利要求4的测试装置，其特征是所说的至少一个第二接收机电极复盖传送波长Wt1的整数倍。
6.按权利要求4的测试装置，其特征为所说的第一接收机电极由确定一个刻度尺波长Wf的间隔Pr1均匀的被隔开。
7.按权利要求6的测试装置，其特征是所说的第二发射机电极彼此由一个与间隔Pr1不同的间隔Pr2均匀隔开，因此使第二发射机电极相对于相应的第一接收机电极的所说偏移变化是每个第二发射机电极位置相对于所说基准位置的线性函数;其中所说接收波长Wr2＝Wt1(Pt2/Pr1)。
8.按权利要求4的测量装置，其特征是所说第二接收机电极形状基本上是正弦形。
9.按权利要求4的测试装置，其特征是所说第二接收机电极形状基本上是三角形。
10.按权利要求4的测试装置，其特征是所说第二接收机电极形状基本上是矩形。
11.按权利要求3的测试装置，其特征是所说第一发射机电极按均匀的予定间隔Pt1隔开，所说的至少一个第一发射机电极组确定一个传送波长Wt1;所说第二接收机电极设备包括一个细长的彼此隔开的不连续第二接收机电极阵列，以致第二接收机电极相邻对之间的间隔确定接收波长Wr2，Wr2与所说传送波长Wt1有予定关系。
12.电容型测试装置包括第一和第二支承构件，所说的支承构件可彼此相对移动，至少一个所说的支承构件可相对于测试轴移动;位于所说的第一支承构件上的第一发射机电极阵列与所说的测试轴排成一条直线;位于所说的第二支承构件上的第一接收机电极阵列与所说的测试轴排成一条直线，以致所说的第一接收机电极阵列的不同位置与所说第一发射机电极阵列按所说支承构件的相对位置成电容性耦合;位于所说的第二支承构件上的第二发射机电极阵列与所说的第一接收机电极阵列排成一条直线，至少一组第一接收机电极分别电气地连接到相应的至少一组第二发射机电极，在所说的至少一组第二发射机电极组中的每一个所说的第二发射机电极电气连接到相应的所说第一接收机电极的一个电极上，以致与相应的第一接收机电极偏移，偏移量是第二发射机电极位置相对于所说至少一组的中心位置的予定函数。
13.电容型测试装置包括第一和第二支承构件，所说的支承构件彼此可相对移动，所说的支承构件至少有一个相对于测试轴可移动;位于所说的第一支承构件上的第一发射机电极阵列与所说的测试轴排成一条直线;位于所说的第二支承构件上的至少一个第一接收机电极阵列与所说的测试轴排成一条直线，以致所说的至少一个第一接收机电极阵列的不同部分与所说的第一发射机电极阵列按所说支承构件的相对位置电容耦合;位于所说的第二支承构件上的第二发射机电极阵列与所说的至少一个第一接收机电极的第一阵列排成一条直线，每个所说的第二发射机电极电气连接到相应的一个所说的第一接收机电极上，以致与相应的第一接收机电极有偏移，偏移量是第二发射机电极位置相对于所说测试轴上的基准位置的预定函数;第二发射机电极占据空间范围，在该空间范围内，第二发射机电极和第一接收机电极之间电极偏移程度是通过一预定量改变，确定第一测试范围;位于所说的第二支承构件上的第三发射机电极阵列与所说的至少一个第一接收机电极阵列排成一条直线;至少一组第一接收机电极分别电气连接到相应的至少一组第三发射机电极上，在所说的至少一个第三发射机电极组中的每个所说的第三发射机电极电气连接到相应的一个所说的第一接收机电极上，以致与相应的第一接收机电极有偏移，偏移量是第三发射机电极位置相对于所说的至少一个第三发射机电极组的中心位置的预定函数，用预定量改变在所说的第三发射机电极上的电极偏移程度，用所说的至少一组第三发射机电极组占据空间范围，确定小于所说的第一测试范围的第二测试范围。
14.按权利要求12的测试装置进一步包括第二接收机电极设备，位于所说的第一支承构件上，与所说的第一发射机电极阵列排成一条直线，用于读出所说的电极偏移。
15.按权利要求13的测试装置，进一步包括第二接收机电极设备，位于所说的第一支承构件上，与所说的第一发射机电极阵列排成一条直线，用于读出所说的第二发射机电极与所说的第一接收机电极间的电极偏移;和第三接收机电极设备，位于所说的第一支承构件上，与所说的第一发射机电极阵列排成一条直线，用于读出所说的至少一组第三发射机电极中所说的第三发射机电极与相应的第一接收机电极之间的电极偏移。
16.按权利要求15的测试装置，其特征是所说的第一发射机电极相对于测试轴以同样的预定间隔Pt1隔开，至少一组第一发射机电极由至少两个相邻的第一发射机电极确定，所说的至少一组第一发射机电极组确定传送波长Wt1;所说的第一接收机电极彼此用间隔Pr1均匀地隔开，确定一刻度尺波长Wf;所说第二测试范围是所说刻度尺波长Wf的整数倍，所说电极偏移变化的予定量基本上等于所说的传送波长Wt1。
17.按权利要求16的测试装置，其特征是在所说的至少一组第三发射机电极组中的所说的第三发射机电极彼此由一均匀间隔Pt3隔开，Pt3与间隔Pr1不同。
18.按权利要求17的测试装置，其特征是所说的间隔Pt3小于所说的间隔Pr1。
19.按权利要求17的测试装置，其特征是所说的间隔Pt3大于所说间隔Pr1。
20.按权利要求1的测试装置，其特征是所说的第一接收机电极与测试轴之间由间隔Pr1彼此隔开，确定刻度波长Wf，至少一组第一发射机电极由N个相邻的电极确定，N是大于2的整数;所说的至少一组第一发射机电极组确定传递波长Wt，每一组中的第一发射机电极位于组内，以便分别占据预定的组位置，它所复盖的距离大于一个波长Wf，如此每组位置与不同的一组相对位置对应，该不同的一组相对位置是由按精确波长将传送波长Wt分成间隔得到的一组相对精确波长位置，并将每一间隔分成N个相等段。
21.按权利要求13的测试装置，其特征是所说的第一接收机电极相对于测试轴由确定刻度尺波长Wf的间隔Pr1隔开，至少一组第一发射机电极由N个相邻电极确定，此处N是大于2的整数;所说的至少一组第一发射机电极组确定传送波长Wt，且每一组中的第一发射机电极位于组内，以便分别占据预定的组位置，该位置复盖的距离大于一个波长Wf，如此每组位置与不同的一组相对位置对应，该不同的一组相对位置是由按精确波长将传送波长Wt分成间隔得到的一组相对精确波长位置，并将每一间隔分成N个相等段。
22.按权利要求20的测试装置进一步包括激励信号设备，用于选择性地将N个周期性变化的激励信号加到每组第一发射机电极中的各个电极上，第一连接顺序是按每组第一发射机电极组中第一发射机电极彼此间的位置顺序排列，而第二连接顺序是按所排列的各个第一发射机电极组位置中的相对精确波长段位置顺序排列。
23.按权利要求22的测试装置，其特征是N个信号彼此不同的递增，并按数字顺序加到按第一顺序连接的每组第一发射机电极组的各个第一发射机电极上。
24.按权利要求20的电容型测试装置，其特征是，所说第二接收机电极设备产生互补的第一和第二输出响应于加到所说第一发射机电极阵列的激励信号;测试装置进一步包括信号处理设备，用于选择性地组合所说的第一和第二输出以产生一个测试信号，它与所说的第二接收机电极具有细长的无变化的平面结构产生的信号相等。
25.电容型测试装置包括第一和第二支承构件，所说的支承构件可以彼此相对移动，所说的支承构件至少一个可相对于测试轴移动;位于所说的第一和第二支承构件上的电极阵列设备与测试轴排成一条直线，用于提供许多不连续的信号传送通路，每一路径有一电容性传递函数，它按所说第一和第二支承构件彼此间的相对位置变化，所说的电极阵列设备包括一发射机电极阵列，它有至少一组由N个相对于测试轴彼此隔开的发射机电极，此处的N是4的整倍数，所说的电极阵列设备产生一输出信号响应于加到所说发射机电极阵列上的激励信号;用于发生N组激励信号，加到按预定的空间顺序排列的所说的至少一组发射机电极的各个N电极上的设备，所说的激励信号组的每一组包括两个激励信号位置，它们互相之间的相位相反，而且当加到所说的发射机电极时，空间相位相差90度，相对的空间相位位置被激励信号的各个位置占据，每组激励信号从一组到下一组依次递增地变化;用于选择性地将所说的激励信号组的第一组和第二组构成的第一对激励信号加到所说的至少一组发射机电极上以产生连续的第一和第二电极阵列设备输出信号的设备;用于解调所说的第一和第二输出信号产生第一和第二解调信号，并为了对所说的第一和第二解调信号进行双等变率积分的设备，此处所说的第一已解调信号以预定时间间隔用积分设备积分，而所说的第二已解调信号是用所说的积分设备积分直至积分器输出反回到基准电平，选出所说激励信号组的所说第一和第二组，以致所说第二解调信号的积分引起积分器输出根据所说的第一解调信号输出的积分反方向的积分;测试所说的第二解调信号积分的积分时间并在该积分时间超出预定极限值时产生输出的设备;响应于所说的用于重校所说的解调的积分时间测试设备和双等变率积分设备，积分总的第一和第二解调信号，直至所说的积分时间测试设备中没有输出为止。
26.按权利要求25的测试装置，其特征是所说信号传送通路传递函数基本上是正弦形;所说第二解调信号积分时间的预定极限值相当于这样的范围，在该范围内所说第一和第二电极阵列设备输出信号比基本上是线性的。
27.电容型测试装置包括第一和第二支承构件，所说支承构件彼此可以相对移动，且至少有一个所说的支承构件相对于测试轴可以移动;位于所说的第一和第二支承构件上的电极阵列设备与所说的测试轴排成一条直线，以提供许多不连续的信号传送通路，每个通路有带第一和第二分量的电容性传递函数，所说的第一分量按在第一预定波长内的支承构件之间的位移的予定函数变化，所说的第二分量按在比所说的第一预定波长短的第二预定波长内的支承构件之间的位移的预定函数变化。
28.按权利要求27的测试装置，其特征是所说的第一传递函数分量随关联的信号传送通路位置相对于第一支承构件上的基准位置变化。
29.按权利要求28的测试装置进一步包括滤波设备，用于选择性读出由所说电极阵列设备响应加到电极阵列设备上的激励信号而产生的输出信号中的所说第一和第二传递函数分量之一引起的变化。
30.按权利要求29的测试装置，其特征是所说的滤波设备是由包括在所说电极阵列设备中的检波器电极设备组成，所说的检波器电极设备产生第一和第二输出，它们按所说第一传递函数分量逐一地变化，并且当两个输出信号组合后产生一个随所说的第二传递函数分量变化的信号。
31.按权利要求30的测试装置，其特征是所说检波器电极设备包括第一和第二互补的细长电极构件，每一电极构件的形状按预定函数相对于测试轴变化。
32.按权利要求30的测试装置，其特征是所说的检波器设备包括许多相对于测试轴相互隔离的电极对，如此每对电极对中的电极占据互补的相位位置。
全文摘要
位置绝对测量用电容型测试器，包括可相对测试轴位移的第一和第二支承构件(20，30)，位于构件20上的第一发射机电极阵310，构件30上的第一接收机电极阵201A/210B使该阵列与阵列310成相对电容耦合，位于构件30上的与阵列210A/210B排列成行的第二发射机电极阵列，各第二发射机电极电气连到相应的第一接收机电极，以使其间的偏移量是第二发射机电极相对于测试轴上的基准位置的预定函数。从而实现用同一电极阵列进行不同分辨力测量和高精度绝对位置测量。
文档编号G01B7/02GK1039301SQ8910605
公开日1990年1月31日 申请日期1989年5月31日 优先权日1988年5月31日
发明者尼尔斯·I·安德莫 申请人:株式会社三丰