电容测微器制造技术

一种能够在大频率范围以低噪声水平测量位移的电容测微器，包括一个可变振荡器（ＪＲ１、Ｌ１、Ｃｍｉｃ），该可变振荡器包括一个可变电容（Ｃｍｉｃ），振荡器频率随电容而变，振荡器安装在与要测量的物体相邻的一个测头（Ｐ）中，并且一个鉴别器（Ｄ）由一根同轴电缆（Ｗ）联接到测头上，鉴别器相对于一个预定频率值估计振荡器频率，该预定频率值可以由一个模拟谐振电路（图３）或一个数字电路提供，在数字电路中，预定频率值由一个基准时钟信号提供，该基准时钟信号把振荡器频率符号延迟一个预定量，并且把它乘以振荡器信号的末延迟形式，以给出其值相对于振荡器信号的频率而变化的电压信号（图６、７）。振荡器频率信号的频率可以由一种外差式结构减小，并且鉴别器包括在一种锁相环路结构中。描述了测头的各种结构。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及可变电容传感器，并且特别地(但并不排他地)涉及一种电容测微器。测量小距离变化的便利方法是通过使用电容测微器。在简单的平行板电容器中，电容由下式给出C=ϵϵ0Ad----1]]>其中ε是板之间介质的相对磁导率(介电常数)，ε0是自由空间的介电常数，A是板面积，及d是板之间的距离。允许感兴趣的位移改变A或d，并且测量产生的电容变化。一般地说，通过改变电容器板之间的距离d提供的灵敏度较高。有多种其中在实际电容测微器中测量电容C的方法。最普通的是，通过使恒定幅值的交流通过电容器、且测量跨过它产生的生成电压，测量电容器的阻抗。如果电流I流经电容器，则由下式给出产生的电压VV=Idjωϵϵ0A----2]]>因而，如果电流I保持恒定，则V与d成正比-就是说，V是d的线性函数。Thomas Hicks和Paul Atherton的、国际标准书号为0 9530658 0 4的书“毫微定位手册(The Nanopositioning Book)”进一步详细描述了该技术。尽管上述技术的优点在于测量的电压是电容测微器板之间的距离的线性函数，但有多个缺点，特别是频率响应。如果要测量的位移d快速地变化，如当试图测量高频振动或快速旋转轴的偏心率时，那么载波频率ω必须也很高。然后变得难以产生适当的恒定电流和准确测量电压V。典型地，ω将限制为2π×30kHz或更低，把振动频率最好限制为该频率的一半，即约15 kHz。对于这类载波频率，测微器电容器的标称电容必须高得足以给出明显大的电流，否则精度受到电子散粒噪声的限制。典型值在2与10pF(微微法)之间，尽管小于1pF是可能的。这又给出10毫米直径的典型测微器电容器板尺寸，还具有100微米左右的标称间隔。为了监测振动，便利的是具有在离开产生振动的制品较大标称距离操作的一个小直径传感器。小直径给出高的空间分辨率，使小直径轴等能被监测。大的标称间隔使设备较容易安装。测量电容的一种不同方法是，让电容确定振荡器电路的频率并且然后测量该频率。该技术在R.Whiddington的，Phil.Mag.1920中，卷40，634-639页，“超测微器；热阴极电子管对非常小距离测量的应用(Theultra～micrometer；an application of the themionic valve to themeasurement of very small distances)”中进行了描述。在该论文描述的测微器电容器是在约1 MHz下操作的电感电容(LC)振荡器的一部分。改变电容器板之间的距离改变了电路的谐振频率(因为ω0＝(LC)-1/2)。在这个例子中，通过用另一个以固定频率操作的振荡器的输出给该振荡器的输出打拍、并且倾听经一个扬声器产生的音调，可检测频率的变化。由打拍产生的“音符”能与固定的基准音调相比较，以能够检测非常小的间隔变化。FR-A-2334089公开了一种包括连接在一个克拉普振荡器中的可变电容二极管的电容测微器，借此振荡的频率按照二极管的电容和与电感器并联的测微器电容的变化而变化。振荡器的输出提供给一个转换器，该转换器把振荡频率转换成其值与该频率成正比的电压。在Rev.Sci.Instrum.54(5)，1983年5月第552页Norris等的“通过计数器杆偏转的电容监测在被辐照硅中近表面体积膨胀的准确位置测量(Accurateinsitu Measurement of Near-Surface Volume Dilatation in Radiated Silicathrough Capacitance Monitoring of Counterlever deflecton)”中，在图2中描述了一种包含在一个克拉普振荡器中的可变电容装置，并且把一个可变振荡器输出信号提供给一个缓冲器放大器和计数器。计数器是频率确定的精确装置，但由于必须提供时间计数足够多的脉冲以给出要求的分辨率，所以计数器本来较慢。本专利技术的一个目的在于，提供一种改进的电容测微器，该测微器减轻了先有技术的问题，并且能够在大范围频率以较低噪声水平测量位移。根据本专利技术的第一方面，提供了一种包括可变振荡器装置的可变电容传感器，该电容传感器包括一个用来改变振荡器输出频率的可变电容装置、和一个响应振荡器输出信号的鉴别器装置；包括用来相对于预定频率值估计振荡器频率的装置，以便提供一个其值相对于振荡器输出信号的频率而变化的输出电压信号。在第二方面，本专利技术提供了一种测量物体希望参数的方法，该方法包括提供一个测头；及通过提供来自一个振荡器的可变频率来测量物体与测头之间的电容；和通过相对于一个预定频率值估计可变频率把可变频率转换成电压信号；该振荡器包括电容，并且其频率随电容而变。在又一个方面，本专利技术提供了一种包括一个克拉普振荡器的可变电容传感器，该克拉普振荡器包括与一个电感器串联的可变电容装置，由此确定克拉普振荡器的振荡频率，振荡器频率随电容装置的电容而变；和响应振荡器频率的鉴别器装置，以便提供一个其值相对于振荡器频率的频率而变化的输出电压信号。根据本专利技术，所述输出信号提供所述可变电容值的直接测量。这提供了一种更灵敏的测量系统。输出信号装置可以包括任何适当的装置，例如一个频率鉴别器或一个用于与基准时钟信号比较的相位比较器。如希望的那样，提供一个相位鉴别器，该相位鉴别器包括用来把中间信号与其本身的延迟形式相乘的装置，并且采用其幅值正比于中间频率的相乘信号的直流分量作为输出信号。如希望的那样，鉴别器用石英钟数字地实现，石英钟本来就是一种非常稳定的装置。而且，本机振荡器最好是一个数字频率合成器，该频率合成器对于非常快的响应本来就非常稳定。多种熟知的振荡器可以用来产生振荡器输出信号，包括克拉普振荡器、隧道二极管振荡器、及谐振腔或传输线振荡器。对于可变振荡器的通常操作频率约200MHz可能产生问题。这对于电路的稳定性有非常高的要求，并因此根据本专利技术最好把可变振荡器的输出信号与一个固定频率“本机振荡器”相混合，以给出一个最好约10MHz的中间频率。因此根据本专利技术的又一个方面，提供了一种包括可变振荡器装置的可变电容传感器，该可变电容传感器包括一个可变电容装置，用来改变振荡器输出信号频率；本机振荡器装置，用来产与振荡器输出信号混合的一个信号，以产生中间频率信号；和鉴别器装置，响应中间频率信号，以提供一个其值相对于中间频率信号的频率而变化的输出电压信号。可变电容可以包括一个相邻一个物体定位的单根电极，测量该物体的一个参数，例如位置。可选择的是，可变电容可以是一个平行板电容器。电容器板之间的相对运行引起电容器电容的变化。然而，对于某些用途，而是可能希望板的或电介质的相对面积改变。将会理解，电容测微器是一种形式的传感器，其中测量变量引起电容的变化，该电容转化成能监测的频率输出。通过相同的技术同样能够测量除距离之外的变量。例如，电介质的变化也将引起电容的变化。因而，流体的变量对于相同的传感器技术是灵敏的。通常是把电容器装入一个测头组件中，通常作为一个有可变电容器定位在壳体末端处的圆柱形壳体。此外，在测头组件中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括可变振荡器装置的可变电容传感器，该电容传感器包括：一个用来改变振荡器输出信号频率的可变电容装置、和一个响应振荡器输出信号的鉴别器装置，包括用来相对于预定频率值估计振荡器频率的装置，以提供一个其值相对于振荡器输出信号的频率而变化的输出电压信号。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯鲁道尔夫海克思，
申请(专利权)人：坤门仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]