專利名稱：用于非接觸間隙和電介質測量的容性傳感器和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種方法和系統(tǒng)，用于采用一個具有多個導電板的容性測量設備來非接觸測量在一傳感器和一導電或者非導電表面之間的間隙。所述容性測量設備允許測量材料深度和在固體和液體中的電介質改變。
背景技術：
非接觸間隙測量傳感器具有兩層平行疊加的導電板，它們彼此電絕緣，上述裝置例如在專利號為4,675,670；5,990,807；6,075,464和6,552,667的美國專利中公開。一個高頻信號位于所述傳感器的第一板上。通過測量傳感器和一接近表面之間的電容，所述傳感器產生了一個表示所述傳感器和所述表面之間間隙的信號。
現有的非接觸容性傳感器的缺點是所述傳感器產生的表示所述間隙的容性信號可能被噪音覆蓋。所述噪音可能是由所述傳感器和相關電子設備之間、信號拾取電子設備和變換器之間的擴展電纜的電容變化，以及所述信號拾取器的寄生電容產生的。這些電容變化所產生的噪音比表示所述間隙的信號的電容大得多。
使用容性傳感器的另一缺點是在所述傳感器和任何接近所述傳感器的表面，包括在所述傳感器后面的表面之間形成電容。即使當一有源屏蔽板位于所述傳感器板的后面時，在所述傳感器后面的表面的某些靈敏度仍然保持著。
因此，需要一種容性測量方法和一種非接觸容性測量傳感器，其對電容變化、在所述傳感器的兩板之間的絕緣體以及將傳感器連接到電路的電纜的電阻變化不敏感。對于這些變化的過度敏感會增加制造所述傳感器的困難并且增加所述傳感器對溫度和其他環(huán)境因素的靈敏度。

發(fā)明內容
一種電子電路，通過利用電容改變一放大器的電壓增益來直接測量傳感器相對于一表面或者電介質的電容，所述電路用于提供一種非接觸間隙測量。而且，一個具有三個平行疊加的導電板的容性傳感器，具有一個與其他板電絕緣的傳感器板，其具有對所述傳感器后面的表面顯著降低的靈敏度。
本發(fā)明的一個實施例是一種方法，用于非接觸測量一表面和一容性傳感器之間的位移，所述容性傳感器包括至少兩個彼此電絕緣的疊加的導電板和一個與所述板耦合的傳感器電路，包括將所述容性傳感器接近所述表面放置以便所述位移是所述表面和所述板之一之間的間隙的距離；將一高頻信號作用于所述板上；應用所述高頻信號和來自所述導電板中的傳感器板的信號控制所述電路中的放大器的電壓增益，其中所述應用的傳感器的信號表示所述傳感器和所述表面之間的位移；差分所述放大器的輸出和所述高頻信號，并且基于所述放大器的輸出和所述高頻信號之間的差來確定所述位移值。
本發(fā)明的一個實施例還可以是一種方法，用于非接觸測量一表面和一容性傳感器之間的位移，所述容性傳感器包括至少三個彼此電絕緣的疊加的導電板和一個與所述板耦合的傳感器電路，其中所述三個彼此電絕緣的疊加的導電板包括一傳感器板、夾在一傳感器板和一無源屏蔽板之間的一有源屏蔽板，所述方法包括(a)將所述容性傳感器接近所述表面放置以便所述位移是所述表面和所述傳感器板之間的間隙的距離；(b)將一高頻信號作用于所述傳感器板和所述有源屏蔽板上；(c)應用由所述高頻信號在所述傳感器電路上感應的信號和所述傳感器板控制所述電路中的放大器的電壓增益，其中所述應用的傳感器信號表示所述傳感器和所述表面之間的位移；(d)差分所述放大器的輸出和所述高頻信號，并且(e)基于所述應用的信號和所述高頻信號之間的差來確定所述位移值。
本發(fā)明的一個實施例還可以是一種非接觸容性傳感器，包括一傳感器板，被配置為相對于一表面位移以便用來測量所述表面和傳感器板之間的間隙的電容；在所述傳感器板上并與所述傳感器板絕緣的一有源屏蔽板，其中一高頻輸入信號被應用到所述有源屏蔽板和傳感器板上；通過第一電阻與地相連的一有效接地屏蔽板，其在所述有源屏蔽板上從而將所述有源屏蔽板夾在所述接地屏蔽板和所述傳感器板之間，并且所述接地屏蔽板與所述有源屏蔽板絕緣；一第二電阻，連接在所述無源屏蔽板和所述有源屏蔽板之間，從而通過傳感器提供了一直流路徑。
本發(fā)明一個實施例還可以是一種方法，用于非接觸測量在一表面和一容性傳感器之間的介質的電介質相關特性，所述容性傳感器包括至少兩個彼此電絕緣的疊加的導電板和一個與所述板耦合的傳感器電路，所述方法包括將所述容性傳感器接近所述表面放置以便所述介質位于所述表面和所述板的傳感器板之間；將一高頻信號應用到所述板和所述介質的電介質上以產生所述傳感器板對所述高頻信號的一響應信號；應用所述高頻信號和來自所述傳感器板的響應信號來控制所述電路中的放大器的電壓增益，所述響應信號表示所述傳感器和所述表面之間的介質；差分所述放大器的輸出和所述高頻信號，并且基于所述放大器的輸出和所述高頻信號之間的差來確定所述位移值。
本發(fā)明一個實施例還可以是一種方法，用于非接觸測量接近一容性傳感器的介質，所述容性傳感器包括至少兩個彼此電絕緣的疊加的導電板和一個與所述板耦合的傳感器電路，所述方法包括將所述容性傳感器接近所述介質放置；將一高頻信號應用到所述板上；應用所述高頻信號和來自所述導電板的傳感器板的信號來控制電路中的放大器的電壓增益，所述來自所述傳感器板的信號表示所述介質的屬性；求所述放大器的輸出和所述高頻信號的差，并且基于所述放大器的輸出和所述高頻信號之間的差來確定所述介質的屬性值。


圖1和2是一種非接觸容性傳感器的示意圖。
圖2是如圖1所示的表面和傳感器的尾部的放大視圖。
圖3是與所述容性傳感器相關的電路示意圖。
具體實施例方式
圖1和2表示鄰近一表面12的一傳感器10以及在所述傳感器和表面之間的間隙14。所述傳感器產生一個信號，表示所述間隙的距離或者在所述傳感器前面的電介質比例。除了測量間隙的距離，所述傳感器也可用于確定在所述傳感器前面流動的液體的電介質的改變，或者一材料的厚度。
所述傳感器10包括三個相鄰的彼此電絕緣的導電板16、18和19。所述第二(有源屏蔽)板16將所述第一(傳感器)板18與所述傳感器后面的表面和第三(無源屏蔽)板19屏蔽。所述傳感器板18面對所述表面12和所述間隙。所述傳感器板用于測量通過所述間隙的電容并且平行所述表面定位。所述有源屏蔽板16緊接著在所述傳感器板18的后面并且通過被連接作為到一運算放大器20的輸入而有源屏蔽所述傳感器板，所述運算放大器20也具有來自所述傳感器板1 8的輸入。
除了測量一間隙位移，所述傳感器10也可用于測量液體深度和材料厚度。所述來自傳感器板18的電容23信號受所述相鄰介質的電介質影響。所述相鄰介質可以是，例如，在所述傳感器板和另一表面12之間的空氣間隙，通過所述傳感器板的液體或者鄰接所述傳感器板的固體材料。所述相鄰介質的電介質影響所述電容23，從而依次影響來自所述傳感器板的信號。所述鄰近傳感器板的介質的電介質可表示液體的深度或液體中的雜質—其中所述液體是介質，或者固體的深度或固體中的雜質—其中所述固體是介質。因此，所述傳感器可用于測量液體深度，固體介質厚度或者在鄰近所述傳感器板的介質內的雜質。
所述無源屏蔽板19向所述傳感器后面的表面提供了附加的屏蔽。如圖3所示，所述傳感器的無源屏蔽板19通過安裝在所述傳感器上的電阻17與地相連。所述電阻值可在0歐姆至10000歐姆(10KQ)之間。所述電阻17的值可被選擇，從而從傳感器后面的表面獲得最大量的屏蔽。所述無源屏蔽19也通過一電阻21與所述有源屏蔽板18相連從而提供用于一非-OK電路36的直流電流路徑，用來檢測打開或者短路的連接器。在所述無源和有源屏蔽板18、19之間的短路將在所述運算放大器20和所述非-OK電路36的輸入線28上產生一直流電壓。根據檢測到所述直流電壓，所述非-OK電路36使所述輸出驅動器50和所述傳感器電路的輸出信號42無效。
圖3是用于所述傳感器10的電子電路的示意圖。所述電路包括具有一容性反饋環(huán)22的運算放大器(op-amp)20，用來檢測所述傳感器10和所述表面12之間的間隙14的電容23。一高頻信號24被應用到所述運算放大器20的非反相輸入28和所述傳感器的有源屏蔽板16。所述高頻信號可以在1KHz至10MHz之間，并且具有不變的在1至100v之間的峰-峰值電壓。一高頻產生器或者提供固定幅值的交流信號的振蕩器電路26輸出所述周期信號24。
所述傳感器板18和所述表面12之間的電容設置所述運算放大器20的高頻增益(輸出電壓改變/輸入電壓改變)。所述傳感器和所述表面12之間的電容23作為間隙14的函數變化。所述運算放大器20的電壓增益類似地作為所述間隙14的函數變化。一恒定高頻信號24被應用到所述非反相輸入28并且所述傳感器板18輸出的信號被應用到所述反相輸入30。由于所述高頻信號28具有一恒定幅度并且所述運算放大器20的電壓增益最為所述間隙電容23的函數變化，所述運算放大器的輸出電壓作為所述間隙的函數變化。
所述運算放大器的反相輸入30與所述傳感器板18相連。所述運算放大器20保持應用到所述反相輸入30的傳感器板信號與應用到所述非反相輸入28和所述有源屏蔽板16的高頻信號24相等。由于所述信號等于運算放大器的輸入28、30，所述傳感器板和所述有源屏蔽板之間的阻抗不是測量的一部分。發(fā)生在所述兩個輸入之間、所述傳感器的板之間和所述將所述電路與所述傳感器相連的電纜內的導線之間的所述電容和阻抗變化基本上被消除了。
所述從操作放大器20輸出的輸出信號32(輸出)等于輸出＝Vin+Vin×C(測量)/C(反饋)Vin是應用到所述非反相輸入28的高頻信號；C(測量)是在所述傳感器板18和所述表面12之間的電容，而且C(反饋)52是在所述運算放大器輸出32和所述運算放大器的反相輸入30之間的電容。C(測量)是被測量并且表示所述間隙14距離的電容值23。
在所述高頻信號24和所述運算放大器輸出信號32之間的差表示在所述傳感器板18和表面12之間的間隙14的電容23。所述運算放大器輸出信號32和高頻信號24被作用到一差分放大器34，所述差分放大器34產生表示所述操作放大器作用到所述輸入信號24的增益的振蕩電壓差信號37，所述輸入信號依次表示所述間隙的電容的。
利用解調器38，例如，一峰值檢測器，將所述電壓差信號37從所述高頻輸入信號中解調并線性化40。最終輸出電壓42與被測量的間隙14成正比。所述被測量的電容(C(測量))23被與所述間隙成反比。所述線性化電路40提供與所述輸入電壓成反比的輸出電壓46。除非所述非-OK電路36使所述驅動器無效，輸出驅動器50輸出42所述輸出電壓48。
以上結合最實用的和優(yōu)選實施例已描述了本發(fā)明，應該知曉的是，本發(fā)明并不局限于所公開的實施例，相反，它覆蓋了在所附權利要求范圍和精神內的各種修改和等效配置。

權利要求
1.一種用于非接觸測量一表面(12)和一容性傳感器(10)之間的位移的方法，所述容性傳感器包括至少兩個彼此電絕緣的疊加的導電板(16、18)和一個與所述板耦合的傳感器電路，所述方法包括(a)將容性傳感器(10)接近所述表面(12)放置以便所述位移是所述表面和所述板之一之間的間隙(14)的距離；(b)將一高頻信號(24)應用到所述板上；(c)應用所述高頻信號和來自所述導電板的傳感器板(18)的信號控制所述電路中的放大器(20)的電壓增益，其中來自所述傳感器板的信號表示所述傳感器和表面之間的位移；(d)差分所述放大器的輸出和所述高頻信號(34)，并且(e)基于所述放大器的輸出和所述高頻信號之間的差來確定所述位移值(42)。
2.依據權利要求1所述的方法，其中所述差分還包括檢測在所述放大器輸出的峰值和所述高頻信號的峰值之間的差(38)。
3.依據權利要求1的方法，其中控制所述增益還包括將來自所述傳感器板的信號和所述高頻信號作為輸入(30、28)應用到一運算放大器(20)。
4.依據權利要求1的方法，其中控制所述增益還包括將來自所述傳感器板的信號和所述高頻信號作為輸入(30、28)應用到一運算放大器(20)并將所述放大器的輸出作為反饋(22)應用到來自所述傳感器板的信號上。
5.依據權利要求1的方法，其中所述差分還包括線性化(40)所述放大器輸出和所述高頻信號之間的差。
6.依據權利要求1的方法，其中控制所述增益還包括將來自所述傳感器板的信號和所述高頻信號作為輸入(30、28)應用到一運算放大器(20)上，而且其中所述差分還包括將所述運算放大器的輸出和所述高頻信號(24)作為輸入應用到一差分放大器(34)，所述差分放大器產生表示所述間隙的周期差信號，并且將所述周期差信號應用到一峰值檢測器(38)，所述峰值檢測器產生表示所述周期信號的峰值的信號并且其中所述峰值表示所述間隙。
7.依據權利要求1所述的方法，其中所述至少兩個疊加的導電板還包括所述傳感器板(18)、一有源屏蔽板(16)和一無源屏蔽板(19)，其中所述高頻信號被應用到所述傳感器板和所述有源屏蔽板，并且所述無源屏蔽板與所述有源屏蔽板和所述傳感器板絕緣，并且所述方法還包括將所述無源屏蔽板經由一電阻連接與地相連。
8.依據權利要求1所述的方法，其中所述至少兩個疊加的導電板還包括所述傳感器板(18)、一有源屏蔽板(16)和一無源屏蔽板(19)，其中所述高頻信號被作用到所述傳感器板和所述有源屏蔽板，并且所述無源屏蔽板與所述有源屏蔽板和所述傳感器板絕緣，并且所述方法還包括將所述無源屏蔽板接地并將所述無源屏蔽板經由一電阻導電路徑與所述高頻信號耦合。
9.依據權利要求8所述的方法，還包括為由所述無源屏蔽板的耦合引起的一直流(dc)信號監(jiān)控(36)所述高頻信號并且，當檢測到一直流信號時，阻止確定所述位移值。
10.一種方法，用于測量接近一容性傳感器(10)的介質(14)的特性，所述容性傳感器包括至少三個彼此電絕緣的疊加的導電板(16、18、19)和一個與所述板耦合的傳感器電路，其中所述板包括一傳感器板(18)、夾在一傳感器板和一無源屏蔽板(19)之間的一有源屏蔽板(16)，所述方法包括(a)將容性傳感器接近所述介質放置以便所述介質與所述傳感器板容性耦合；(b)將一高頻信號(24)應用到所述傳感器板和所述有源屏蔽板上，其中所述介質引起所述傳感器板對所述高頻信號的響應；(c)應用由所述高頻信號在所述傳感器電路中感應的信號和所述傳感器板控制電路中放大器(20)的電壓增益，所述應用的傳感器信號表示所述介質；(d)差分(34)所述放大器輸出和所述高頻信號，并且(e)基于所述應用的信號和所述高頻信號的差確定表示所述介質的值(42)。
全文摘要
一種用于非接觸測量一表面(12)和一容性傳感器(10)之間的位移的方法，所述容性傳感器包括至少兩個彼此電絕緣的疊加的導電板(16、18、19)和一個與所述板耦合的傳感器電路，包括將容性傳感器(10)接近所述表面設置以便所述位移是所述表面和所述板之一之間間隙(14)的距離；將一高頻信號(24)應用到所述板上；應用所述高頻信號和一傳感器板(18)控制所述電路中的放大器(20)的電壓增益，其中所述傳感器的電容表示所述傳感器和表面之間的位移；差分所述放大器的輸出和所述高頻信號(34)，并且基于所述放大器的輸出和所述高頻信號之間的差來確定所述位移值(42)。
文檔編號G01D5/12GK1683901SQ20051006527
公開日2005年10月19日 申請日期2005年4月15日 優(yōu)先權日2004年4月16日
發(fā)明者J·E·霍瓦德, O·H·利德爾, B·B·鮑爾茲, P·A·林賽 申請人:通用電氣公司