專利名稱：電容型位置傳感器和測(cè)知方法
專利說明電容型位置傳感器和測(cè)知方法 本發(fā)明涉及諸如活塞之類的往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，更具體地說涉及用來瞬時(shí)監(jiān)測(cè)其位置的裝置和方法。各種不同的應(yīng)用需要關(guān)于快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的位置的測(cè)知和最終確定。這樣的往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的可仿效的類別包括在自由活塞內(nèi)燃機(jī)、液壓缸和氣壓缸中的活塞，和在自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(FPSE)或壓縮機(jī)中的活塞和壓氣活塞。雖然傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)是被普遍使用而且有許多優(yōu)勢(shì)，但是與這些發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)聯(lián)的廢氣排放往往超過可接受的水平。除此之外，這些發(fā)動(dòng)機(jī)可能有過度的噪聲而且需要頻繁的維護(hù)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)代表這些領(lǐng)域中的進(jìn)步，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶\(yùn)轉(zhuǎn)中極為有效和安靜，而且它們可能被配置成事實(shí)上不產(chǎn)生任何排放物。與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)聯(lián)的共同應(yīng)用是借助自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(FPSE)驅(qū)動(dòng)的直線交流發(fā)電機(jī)從熱能產(chǎn)生電能。在這些類型安排的實(shí)際應(yīng)用中，由于負(fù)載阻抗的變化和一些或全部負(fù)載的連接和斷開，在正常操作期間，電負(fù)載的功率要求實(shí)質(zhì)上是變化的。此外，操作溫度和其它變量在操作期間可能這樣改變以致在功率要求方面隨著時(shí)間逝去造成小的和并非如此小的改變。在廣泛的電力要求和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度條件的范圍內(nèi)獲得最佳的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)-交流發(fā)電機(jī)設(shè)備效率，需要控制動(dòng)力活塞位移。不僅需要依照電負(fù)載和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度條件通過連續(xù)調(diào)節(jié)動(dòng)力活塞位移維持最佳的設(shè)備效率，而且在安全界限之內(nèi)維持斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的行程振幅也是至關(guān)重要的。如果強(qiáng)加在FPSE上的負(fù)載被突然減少相當(dāng)大的數(shù)量，那么發(fā)動(dòng)機(jī)的行程振幅將相應(yīng)地被突然增加。如果振幅方面的增加是足夠大，那么活塞可能撞擊其活塞缸，從而由于活塞而且有可能還有活塞缸的變形造成無法恢復(fù)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障。另一方面，如果負(fù)載被相當(dāng)大地并且突然的增加，那么行程振幅可能被突然減少到發(fā)動(dòng)機(jī)不再能夠振蕩的點(diǎn)上。迄今，已有兩種主要的解決這些潛在問題的辦法。在第一種情況下，使活塞行程成為本質(zhì)上自我限制的。依照一種途徑，壓氣活塞依靠直線電動(dòng)馬達(dá)的振蕩運(yùn)動(dòng)被機(jī)械地驅(qū)動(dòng)。這樣，諸如壓氣活塞行程振幅之類的驅(qū)動(dòng)參數(shù)受到控制，以便間接控制活塞行程振幅和交流發(fā)電機(jī)輸出電壓。盡管這種途徑通常是有效的，但是它確實(shí)有許多缺點(diǎn)。首先，它需要附加的機(jī)電裝置和控制電路，從而增加成本和復(fù)雜性。此外，由于機(jī)械部份的慣性，對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)時(shí)間可能是緩慢的。在解決活塞和壓氣活塞振幅的控制問題的第二類辦法中，可以使用主動(dòng)方式，其中測(cè)量活塞和/或壓氣活塞位置并且基于該測(cè)量結(jié)果完成系統(tǒng)控制。在FPSE驅(qū)動(dòng)直線交流發(fā)電機(jī)的情況下，交流發(fā)電機(jī)電樞中的感應(yīng)電壓可能用來最后確定活塞位置。典型地，這是依靠獲得行程振幅通過電樞感應(yīng)電壓實(shí)現(xiàn)的。這類解決辦法也有缺點(diǎn)。具體地說，存在負(fù)載電流取決于由于電樞線圈的電阻和電感而產(chǎn)生的電壓降。而且，直接影響電樞感應(yīng)電壓的交流發(fā)電機(jī)場磁鐵的強(qiáng)度將隨著溫度和隨著時(shí)間逝去改變。電阻和電感的電壓降必須在位置計(jì)算時(shí)予以解釋，因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)量可觀測(cè)的交流發(fā)電機(jī)接線端電壓期間負(fù)載電流正在流動(dòng)。雖然如果磁鐵溫度能被估計(jì)出來，隨著溫度的可恢復(fù)的磁鐵強(qiáng)度的變化或許能得到補(bǔ)償，但是難以解決磁鐵老化造成的變化。此外，如果磁鐵達(dá)到在它們的操作B-H特性曲線中呈現(xiàn)顯著的“膝部”的溫度，那么當(dāng)它們暴露在強(qiáng)烈的電樞反作用場中的時(shí)候可能遭受無法恢復(fù)的強(qiáng)度損失。這樣的變?nèi)醪蝗菀妆话l(fā)現(xiàn)而且能引起對(duì)活塞偏移的掩飾從而導(dǎo)致?lián)p壞性的沖擊。不幸的是，在許多現(xiàn)有技術(shù)的解決辦法中，電壓降和場磁鐵強(qiáng)度變化不被考慮，于是不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)產(chǎn)生。另一方面，為了考慮電壓降，附加的控制電路和計(jì)算必須被執(zhí)行。許多用來監(jiān)測(cè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件位置的現(xiàn)有技術(shù)的方法是使用磁性的，電磁的和光學(xué)的感知技術(shù)。使用這些在時(shí)間和溫度起伏情況下足夠堅(jiān)固和穩(wěn)定的現(xiàn)有技術(shù)的方法監(jiān)測(cè)活塞位置的解決辦法可能過于昂貴而無法實(shí)現(xiàn)。籠統(tǒng)地說，電容型傳感器是已知的，而且進(jìn)一步知道這些傳感器可以用來確定橫向定位，包括關(guān)于往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的位置測(cè)知。舉例來說，Moser在美國專利第4,587,850號(hào)中揭示了一種用來通過使用由在電容結(jié)構(gòu)的固定電極之間的電介體移動(dòng)組成的可變阻抗，以探測(cè)和測(cè)量活塞在活塞缸中移動(dòng)的裝置。在確定位置方面使用可變的電容結(jié)構(gòu)是基于這樣的前提，即電容量變化以電極的位置關(guān)系為基礎(chǔ)。在大多數(shù)情況下，電容的變化以與由此產(chǎn)生的電容量成反比的兩個(gè)電極之間的距離變化為基礎(chǔ)。不幸的是，因?yàn)殡姌O間距離和電容量之間的關(guān)系是非線性的，鑒于傳感器以這種關(guān)系為基礎(chǔ)，困難可能出現(xiàn)。具體地說，電容量在實(shí)際應(yīng)用中可能是極小的，而且由于這種非線性位置-電容量反比關(guān)系同時(shí)適應(yīng)在一個(gè)位置極值如此小的變化而在另一個(gè)位置極值大得多的變化，因此可能在傳感器測(cè)量和由此產(chǎn)生的控制操作方面導(dǎo)致棘手的誤差。因此，這些類型的傳感器可能需要昂貴的、復(fù)雜的附加的信號(hào)校正處理。除了關(guān)于測(cè)知本身出現(xiàn)的問題之外，在現(xiàn)有技術(shù)的解決辦法方面的關(guān)于信號(hào)處理方面的其它困難已經(jīng)出現(xiàn)在一旦測(cè)知已經(jīng)完成時(shí)。舉例來說，能起因于電極間的間隔變化(舉例來說，在1-20毫米的范圍內(nèi))的小的傳感器電容量變化(舉例來說，大約正或負(fù)25pF)可能難以傳輸和處理。這是由許多因素造成的，包括，舉例來說，由傳輸電纜本身有可能因電纜彎曲改變的基線電容量被這一事實(shí)引進(jìn)的電容量誤差。此外，當(dāng)操作變化很小的時(shí)候，寄生電容誤差很容易被引進(jìn)并且與信號(hào)處理相結(jié)合可能變得非常棘手。一方面是提供一種用來監(jiān)測(cè)多種系統(tǒng)和應(yīng)用里面的往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的瞬時(shí)位置的傳感器裝置和方法。另一方面是提供這樣一種經(jīng)濟(jì)、可靠而且準(zhǔn)確的傳感器。又一方面是提供這樣一種可以與FPSE中活塞或壓氣活塞結(jié)合使用的傳感器。本發(fā)明的更進(jìn)一步方面是提供一種基于電容變化起作用的、使用高度線性的轉(zhuǎn)移功能操作的，而且對(duì)互連電纜和寄生電容不敏感的傳感器裝置和方法。本發(fā)明的傳感器的優(yōu)選形式包括各種不同的實(shí)施方案。一個(gè)這樣的實(shí)施方案包括用來監(jiān)測(cè)諸如FPSE中的活塞或壓氣活塞之類快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件的位置的簡單的和堅(jiān)固的可變的同軸電容型傳感器和探測(cè)方法。本發(fā)明的同軸電容器在其優(yōu)選實(shí)施方案中被配置成調(diào)節(jié)電容的電極面積而不是電極間的間隔，因此高度線性的轉(zhuǎn)移功能能實(shí)現(xiàn)。另外，揭示了在抑制寄生電容誤差的同時(shí)推演和處理與有小的傳感器電容量變化的應(yīng)用有關(guān)的信號(hào)的探測(cè)方法。依照一個(gè)實(shí)施方案，本發(fā)明的傳感器是這樣構(gòu)成的，以致一對(duì)同軸的管子構(gòu)成電容結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，內(nèi)部的管子被固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫獠康墓茏右勒蛰S線方向自由移動(dòng)。外部的管子可能被，舉例來說，附著到活塞或壓氣活塞或其零部件上。兩個(gè)管子是為包括充當(dāng)電極表面的傳導(dǎo)性材料而形成的。當(dāng)外部的管子相對(duì)于固定的內(nèi)部的管子沿著軸線方向移動(dòng)的時(shí)候，用管子表面的重疊部分限定的面積改變而且與電容變化結(jié)果直接相關(guān)。通過如同本文教導(dǎo)的那樣測(cè)定電容變化，附著在外部的管子上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件或其它移動(dòng)的零部件的位置可以被準(zhǔn)確有效地測(cè)量和確定。本發(fā)明的傳感器相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)提供許多優(yōu)勢(shì)。舉例來說，在此揭示的傳感器有非常簡單的構(gòu)造。它不需要光學(xué)元件或磁性元件而且可以使用一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)有的零部件作為固定電極或移動(dòng)電極或兩者。附加的優(yōu)勢(shì)起因于依照本發(fā)明的教導(dǎo)的傳感器電容量只受交疊電極的幾何形狀控制這一事實(shí)。因此，測(cè)量的準(zhǔn)確性不像磁性的和電光學(xué)的方法那樣受成分老化和由此產(chǎn)生的物理性質(zhì)成分變化的影響。依照此方法，提供一種用來確定往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的位置的傳感器，所述的傳感器包括由固定電極和屏蔽電極組成的固定電極支撐結(jié)構(gòu)，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；以及移動(dòng)電極，所述的移動(dòng)電極的移動(dòng)位置與所述的往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)成正比；其中所述的固定電極和所述的移動(dòng)電極形成電容結(jié)構(gòu)，所述的電容結(jié)構(gòu)有直接與所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的瞬時(shí)位置成比例可變的電容量。另外，提供一種包括動(dòng)力活塞的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，所述的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)有能力借助電容型位置傳感器確定所述動(dòng)力活塞的瞬時(shí)位置，所述的電容型位置傳感器包括由固定電極和屏蔽電極組成的固定電極支撐結(jié)構(gòu)，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；以及移動(dòng)電極，所述移動(dòng)電極的移動(dòng)位置與所述的動(dòng)力活塞的運(yùn)動(dòng)成正比；其中所述的固定電極和所述的移動(dòng)電極形成電容結(jié)構(gòu)，所述的電容結(jié)構(gòu)有直接與所述的動(dòng)力活塞的瞬時(shí)位置成比例的可變的電容量。進(jìn)一步提供的是一種電容型位置傳感器，其中包括由固定電極和屏蔽電極組成的固定電極支撐結(jié)構(gòu)，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；以及移動(dòng)電極，所述的移動(dòng)電極移動(dòng)位置與往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)成正比；
其中所述的屏蔽電極是在與所述固定電極的電位相同的電位下驅(qū)動(dòng)的。此外，本發(fā)明提供一種用來確定往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的位置的方法，所述的方法包括下述步驟(i)提供固定電極和屏蔽電極，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；(ii)提供移動(dòng)電極，所述的移動(dòng)電極的移動(dòng)位置與所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)成正比；以及(iii)定期測(cè)量在所述固定電極和所述移動(dòng)電極之間的電容量，以便確定所述的往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的瞬時(shí)位置。此外，本發(fā)明提供一種用來控制往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)的方法，所述方法包括下述步驟(i)提供固定電極和屏蔽電極，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；(ii)提供移動(dòng)電極，所述移動(dòng)電極的移動(dòng)位置與所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)成正比；(iii)定期測(cè)量所述固定電極和所述移動(dòng)電極之間的電容量，以便確定所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的瞬時(shí)位置；以及(iv)基于所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的所述的已確定的瞬時(shí)位置控制所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)。如同下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的和熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)了解的那樣，本發(fā)明的其它實(shí)施方案也是可能的。舉例來說，當(dāng)電極彼此相對(duì)移動(dòng)的方式變化的時(shí)候，電極的其它配置是可能的?，F(xiàn)在將參照僅僅作為例子給出的本發(fā)明的優(yōu)選形式和參照附圖更詳細(xì)地描述這項(xiàng)發(fā)明，在這些附圖中

圖1是依照本發(fā)明體現(xiàn)在活塞、活塞缸和交流發(fā)電機(jī)組件之中的電容型傳感器的剖面圖；圖2是圖1所示的電容傳感器組件的更詳細(xì)的剖面圖；圖3是依照其一個(gè)實(shí)施方案本發(fā)明的電容型傳感器的剖面圖；圖4是依照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案在電壓不變的情況下使用可變的電流探測(cè)結(jié)果的用于信號(hào)調(diào)節(jié)的電路的電路圖；圖5是依照本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案在電壓不變的情況下使用可變的電流探測(cè)結(jié)果的用于信號(hào)調(diào)節(jié)的電路的電路圖；圖6是依照本發(fā)明的另外一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案在電壓不變的情況下使用可變的電流探測(cè)結(jié)果的用于信號(hào)調(diào)節(jié)的電路的電路圖；圖7是依照本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案在電流不變的情況下使用可變的電壓探測(cè)結(jié)果的用于信號(hào)調(diào)節(jié)的電路的電路圖?，F(xiàn)在介紹在圖1-7中舉例說明的實(shí)施方案，其中相似的數(shù)字用來通篇指定相似的部份。圖1、2和3示出本發(fā)明的電容型傳感器。如同熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)了解的那樣，本發(fā)明的教導(dǎo)不必局限于在此揭示的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、活塞或特定的測(cè)知環(huán)境。具體地說，在此教導(dǎo)的特定的傳感器結(jié)構(gòu)和信號(hào)調(diào)節(jié)方法有廣泛的應(yīng)用而且可以在許多環(huán)境和應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的范圍僅僅受權(quán)利要求書的限制。依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，本發(fā)明的電容型傳感器是連同把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的FPSE驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)一起使用的。活塞/交流發(fā)電機(jī)組件100僅僅是可以應(yīng)用本發(fā)明的電容型傳感器和信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)的一種應(yīng)用。伴隨的描述僅僅是為了說明的目的提供的，本發(fā)明不應(yīng)該被解釋成僅限于此。關(guān)于這個(gè)可仿效的實(shí)施方案，活塞130在活塞缸150中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)實(shí)施方案中，活塞130可以是裝在組件100里面的多個(gè)活塞之一，或者它可以是組件100中唯一的活塞。產(chǎn)生電能的交流發(fā)電機(jī)170包括套筒140。套筒140充當(dāng)在此也被稱為外部電極并且在下面更詳細(xì)地描述的電容器移動(dòng)電極。在一個(gè)實(shí)施方案中，套筒140也可以起支撐裝在交流發(fā)電機(jī)里面的一個(gè)或多個(gè)交流發(fā)電機(jī)環(huán)形磁鐵160的作用。在這種情況下，有本發(fā)明的獨(dú)創(chuàng)的電容型傳感器的組件100能借助翻新改造現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)組合產(chǎn)生?；钊?交流發(fā)電機(jī)組件100進(jìn)一步包括一個(gè)用諸如塑料之類非傳導(dǎo)性材料形成的固定電極180。如同下面描述的那樣，傳導(dǎo)性鍍層被加到固定電極180的特定部分。在一個(gè)實(shí)施方案中，塑料可以被用作固定電極180的材料，只要選定的特定塑料適合用導(dǎo)電材料(例如，銅)電鍍即可。固定電極支撐110可以被制成固定電極180的延伸段，而且它可以進(jìn)一步包括用來把固定電極180和固定電極支撐110緊固到交流發(fā)電機(jī)機(jī)體上的孔。固定電極支撐110優(yōu)選用塑料之類的非導(dǎo)電材料制成。固定電極支撐110和固定電極180的組合優(yōu)選作為圖2所示的有法蘭的管子制成。代表固定電極180的管子的外表面被涂上一層諸如銅之類的導(dǎo)電材料。此外，代表固定電極支撐110的法蘭部分的內(nèi)表面和底部也被鍍上諸如銅之類的導(dǎo)電材料。固定電極支撐/固定電極部件的其余部分通常仍然是非導(dǎo)電的而且是為了使固定電極180與屏蔽電極120電絕緣，和使這兩個(gè)電極與維持在接地電位的交流發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)隔離而專門設(shè)計(jì)的。作為部分的固定電極支撐結(jié)構(gòu)110被包括在內(nèi)的屏蔽電極120被包括在內(nèi)以將寄生電容誤差減到最小，如同下面更詳細(xì)地描述的那樣。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，屏蔽電極120被接到維持屏蔽電極120以及互連電纜屏蔽層在與固定電極180相同的電位借此抑制任何電流流過這些元素和固定電極180之間的電容的屏蔽驅(qū)動(dòng)電路上，用來拒絕它們對(duì)該測(cè)知方法的準(zhǔn)確性的影響。所有的交流發(fā)電機(jī)零部件和活塞130、內(nèi)部電極180和外部電極140的一部分被裝在交流發(fā)電機(jī)殼體175之內(nèi)。依照本發(fā)明的教導(dǎo)，當(dāng)活塞130在活塞缸150里面往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，引起直接固定在活塞130上的外部電極140沿著軸線方向朝向和遠(yuǎn)離在交流發(fā)電機(jī)殼體175頂端的管端蓋帽195移動(dòng)。這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為固定電極180和外部電極140之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以致在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間外部電極140和固定電極180之間重疊部分的大小隨著時(shí)間推移而改變。當(dāng)外部電極140在固定的內(nèi)部電極180上來回移動(dòng)的時(shí)候，固定電極180和外部電極140所形成的電容型結(jié)構(gòu)的面積改變，從而導(dǎo)致電容型傳感器的電容性質(zhì)的改變，下面將予以更詳細(xì)地描述。如同能在圖1、2和3中看到的那樣，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，固定電極180和外部電極140在外形上都是圓筒形的而且本質(zhì)上是空心的。為了允許外部電極140自由地來回移動(dòng)，固定電極180的外徑小于外部電極140的內(nèi)徑，同時(shí)把固定電極180的變化長度限制在外部電極140的內(nèi)部之內(nèi)。對(duì)于熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人結(jié)合這份說明書的綜述將變得顯而易見，與本發(fā)明的電容型位置傳感器相關(guān)聯(lián)的固定電極和移動(dòng)電極制成同軸的空心圓筒并非是必要的。而是，唯一的要求是兩個(gè)電極一起形成有確定的依照待監(jiān)測(cè)的移動(dòng)構(gòu)件的位移改變的面積動(dòng)態(tài)關(guān)系的電容量的電容結(jié)構(gòu)。舉例來說，但不作為限制，使用諸如平板、正方形管子和圓形管子之類其它形狀的電極實(shí)踐本發(fā)明也是可能的。各個(gè)電極可能是同軸的(即，它們沿著軸線方向彼此重疊)，也可能不是同軸的，而且它們可能有取決于感知往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的位置的特定環(huán)境的各種不同的尺寸。在本發(fā)明使用同軸圓筒作為與活塞/交流發(fā)電機(jī)組件100相結(jié)合的電容器電極的優(yōu)選實(shí)施方案中，固定電極180的外徑可以是，舉例來說，24毫米，而外部電極140的內(nèi)徑可以是，舉例來說，24.5毫米。這導(dǎo)致在固定電極180的外表面和外部電極140的內(nèi)表面之間有0.25毫米的極小的氣隙。此外，在優(yōu)選實(shí)施方案中，在電極之間重疊部分的標(biāo)定長度在中央接合時(shí)是20毫米，兩邊各有大約10毫米的移動(dòng)距離從而導(dǎo)致電容器長度范圍從完全脫離時(shí)的10毫米到完全接合時(shí)的30毫米。當(dāng)然，其它的長度、距離、氣隙和其它的電容特性在不脫離本發(fā)明的范圍或本質(zhì)的情況下也可以使用。熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)理解，固定的和移動(dòng)的圓筒直徑的不均勻熱膨脹能改變間隙尺寸，并因此在暴露于包括典型的發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件在內(nèi)的各種不同的條件之下期間引進(jìn)隨時(shí)間變化的測(cè)量誤差。舉例來說，在25毫米的管狀電極上起作用的5ppm/℃的熱膨脹系數(shù)的差異將會(huì)引起0.25毫米間隙在溫度波動(dòng)±40℃時(shí)改變±0.005毫米(±2％)。為了解決這個(gè)問題，使用塑造成金屬管而不是上述的鍍金屬塑料管的固定電極180是可能的。無論如何，為固定電極180選定的材料應(yīng)該與用于移動(dòng)電極140的材料相配。另一方面，可以使用熱膨脹系數(shù)一樣或幾乎一樣的不同材料。至于固定電極180和相關(guān)的固定電極支撐結(jié)構(gòu)110的構(gòu)造，替代實(shí)施方案是可能的。一個(gè)替代實(shí)施方案要求使用由諸如鋼或某種其它金屬之類的傳導(dǎo)性材料制成的有選擇地涂上一層諸如TEFLON涂料或XYLAN涂料或其它類似涂料之類的不導(dǎo)電材料的管子，代替有選擇地鍍上一層諸如銅之類的導(dǎo)電材料的不導(dǎo)電的管子。現(xiàn)在已描述了本發(fā)明的電容型傳感器和相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)，下面的討論提供關(guān)于它們的操作的特定信息。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，電容型傳感器被體現(xiàn)在裝在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)之內(nèi)的活塞上。依照前面的討論，在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)和控制活塞運(yùn)動(dòng)是非常符合需要的。監(jiān)測(cè)可以通過使用本發(fā)明的電容型位置傳感器來完成。基于活塞運(yùn)動(dòng)，尤其是通過本發(fā)明的教導(dǎo)確定的活塞瞬時(shí)位置，技術(shù)上已知的各種不同的控制參數(shù)(例如，關(guān)于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的)可以通過控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)以使效率達(dá)到最大值和獲得預(yù)期的操作特性。僅僅作為例子，燃料流速可以依照本發(fā)明的教導(dǎo)基于活塞位置測(cè)量結(jié)果被有選擇地調(diào)節(jié)。在這個(gè)實(shí)施方案中，傳感器電容量在外部電極140相對(duì)內(nèi)部電極180移動(dòng)時(shí)改變。由于外部電極140的運(yùn)動(dòng)，限定在電容的電極140和180之間的面積隨著時(shí)間推移改變。以微微法為單位的傳感器電容的電容量C被給出C＝Kε0A/g其中K是空氣的介電常數(shù)(1)，ε0是自由空間的介電常數(shù)(8.85微微法/米)，A是限定在電容器電極之間的面積(m2)和g(m)是電極之間的標(biāo)定氣隙。采用上述的電容型位置傳感器的特定的幾何結(jié)構(gòu)，這個(gè)公式變成C＝Kε0πDL*10-3/g(微微法)其中D是電容器面積(mm2)的標(biāo)定直徑，而L是電容器面積的標(biāo)定長度(毫米)。依照本發(fā)明的教導(dǎo)，如上所述，在一個(gè)可仿效的實(shí)施方案中，電容器面積的標(biāo)定直徑L是24毫米(固定電極180的外徑)，電容器面積的標(biāo)定長度是20毫米(固定電極180的中點(diǎn)和外部電極140的中點(diǎn)重疊)，而外部電極140和固定電極180之間的標(biāo)定氣隙g是0.25毫米。這導(dǎo)致電極在中點(diǎn)接合時(shí)(即，當(dāng)有20毫米重疊，L＝20mm的時(shí)候)電容量為Co＝33.5pF。進(jìn)而，在完全接合有30毫米的重疊時(shí)，Cmax＝50pF。類似地，在完全脫離，有10毫米的重疊時(shí)，Cmin＝16.8pF。因此，人們能看到，依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，電容量范圍從完全脫離時(shí)大約16.8pF的數(shù)值變化到完全接合時(shí)的大約50.3pF。在中值電容量大約為33.5pF時(shí)，為了正確地感知位置和基于那些位置測(cè)量結(jié)果應(yīng)用必要的控制算法，感知電容量數(shù)值的比較小的變化(即，大約±17pF)變成必要的。依照本發(fā)明，這些比較小的電容量數(shù)值通過使用可以遏制寄生電容、允許獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)和允許令人滿意的系統(tǒng)控制的各種不同的技術(shù)、電路和方法進(jìn)行測(cè)量和起作用?，F(xiàn)在討論那些技術(shù)和相關(guān)的方法?！靶盘?hào)調(diào)節(jié)”方法的各種不同的實(shí)施方案和相關(guān)的電路是為與本發(fā)明的電容型位置傳感器結(jié)合使用和為了其它目的而存在的。盡管現(xiàn)在描述的信號(hào)調(diào)節(jié)方法是就處理作為本發(fā)明的位置傳感器功能的結(jié)果產(chǎn)生的電容量數(shù)值描述的，但是本文的信號(hào)調(diào)節(jié)教導(dǎo)變成與很多的其它應(yīng)用結(jié)合使用，這對(duì)于熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將是顯而易見的?，F(xiàn)在描述需要結(jié)合本發(fā)明的位置傳感器進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)的主要理由是在抑制在有不想要的和/或不受歡迎的電容性質(zhì)的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)部件里面將會(huì)由于寄生電容出現(xiàn)的誤差的同時(shí)產(chǎn)生與測(cè)知的電容量成比例的電信號(hào)，例如，電壓。這些寄生電容量能引起與位置測(cè)知相關(guān)聯(lián)的誤差，該誤差就進(jìn)行位置測(cè)量和/或控制發(fā)動(dòng)機(jī)操作的目的而言從較小的變化到毀滅性的。進(jìn)而，這些寄生電容本身的大小傾向于隨著時(shí)間推移變動(dòng)，舉例來說，由于組件100內(nèi)的零部件運(yùn)動(dòng)。一種類型的寄生電容來自在為了把容納在自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)交流發(fā)電機(jī)單元的密封壓力容器里面的電容型傳感器與外部的信號(hào)調(diào)節(jié)電路連接起來而提供的電纜的導(dǎo)線之間的電容。即使這樣的電纜長度很短，其電容量也可能超過最大的測(cè)知電容量數(shù)值。此外，就上述的與活塞/交流發(fā)電機(jī)組件100有關(guān)的位置傳感器安排而論，移動(dòng)電極140對(duì)組件100的結(jié)構(gòu)被有效地接地(如同下面描述的那樣沒有金屬與金屬的接觸)?；钊?40和活塞缸有不導(dǎo)電的涂層，例如，為了提供自潤滑性質(zhì)，活塞上的Teflon涂層或Xylan涂層和活塞缸150上的硬表面涂層。在這種情況下，由于在活塞140和活塞缸150之間有可能比傳感器電容量的最大數(shù)值大100倍以上的非常大的電容量，移動(dòng)電極140對(duì)組件100的結(jié)構(gòu)被有效地接地。因此，與大得多的活塞-活塞缸電容串聯(lián)連接的小的傳感器電容的非常高的阻抗大體上抑制流過傳感器的電流，從而導(dǎo)致沒有測(cè)量誤差或可以忽略的測(cè)量誤差。另一方面，固定電極180可能對(duì)地產(chǎn)生寄生電容，該寄生電容引起的潛在誤差效果被本發(fā)明減輕。固定電極180不像移動(dòng)電極140那樣接地，因此，在活塞/交流發(fā)電機(jī)組件100里面在固定電極180和周圍的各種零部件和結(jié)構(gòu)之間存在電容。舉例來說，一種這樣的結(jié)構(gòu)是交流發(fā)電機(jī)殼體175。如同前面提到的那樣，屏蔽電極120用來阻斷固定電極180和任何其它接地結(jié)構(gòu)(例如，管端蓋帽195)之間的任何電容路徑。屏蔽電極120通過在固定電極180和組件100里面的各種不同的其它結(jié)構(gòu)之間插入金屬屏蔽中斷任何潛在的泄漏路徑。依照下面關(guān)于各種不同的信號(hào)調(diào)節(jié)電路的討論，屏蔽電極120在操作期間是以與固定電極180的電位相同的電位驅(qū)動(dòng)的。因此，沒有電流流動(dòng)而且由此產(chǎn)生的有效電容量實(shí)際上為零。本發(fā)明的信號(hào)調(diào)節(jié)方法的第一實(shí)施方案是使用可變的電流探測(cè)為了產(chǎn)生可以與，舉例來說，活塞和/或壓氣活塞在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)里面的運(yùn)動(dòng)相結(jié)合用于控制目的的信號(hào)。這個(gè)實(shí)施方案是結(jié)合圖4描述的。為了下面的討論，假定所產(chǎn)生的輸出信號(hào)可以是被變成對(duì)技術(shù)上已知的用于控制和其它目的的處理器(例如，諸如Texas Instruments TMS320LF2407A或Analog DevicesADMC401之類混合信號(hào)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入)可用的與電容量并因此與活塞位置成比例的連續(xù)模擬電壓。該數(shù)字信號(hào)處理器也能用來產(chǎn)生下面描述的傳感器激勵(lì)載波，或者該信號(hào)可以來源于另一個(gè)裝置?，F(xiàn)在明確地參照?qǐng)D4，它展示使用可變的電流探測(cè)結(jié)果進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)的一個(gè)特定的電路。這種安排有效地允許比較小的電容量變化(大約±17pF)，導(dǎo)致上述的要處理的測(cè)知結(jié)構(gòu)借助下面描述的“有源”防護(hù)屏蔽技術(shù)產(chǎn)生與傳感器電容量成比例而且實(shí)質(zhì)上不受先前描述的寄生電容影響的連續(xù)模擬電壓。這種技術(shù)起抑制寄生分路電容的作用，包括任何在場的屏蔽線的電容。在這個(gè)實(shí)施方案中，三角波等幅電壓電源302把激勵(lì)提供給該電路。由固定電極180和移動(dòng)電極140組成的測(cè)知電容器314與上述的活塞對(duì)活塞缸的固定電容316串聯(lián)。如上所述，這個(gè)電容本質(zhì)上是接地的并且不引起寄生電容誤差。電壓電源302與測(cè)知電容器314和活塞-活塞缸電容器316兩者的串聯(lián)連接相并聯(lián)。屏蔽電極120對(duì)傳感器電容器314的固定電極呈現(xiàn)電容308并且對(duì)鄰近的接地結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)電容312。電容312被直接跨接在激勵(lì)電源302的接線端并且沒有對(duì)測(cè)量程序的可信度或準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。因?yàn)楸环雷o(hù)的泄漏電容器308的兩邊被維持在相同的電位，沒有電流流過被防護(hù)的泄漏電容器308，所以電容量實(shí)際上為零。交流電流傳感器306可以是，舉例來說，CoilcraftT6522-A表面安裝的電流測(cè)知變壓器。交流電流傳感器306被放在電壓電源302和測(cè)知電容器314之間以便感知流過測(cè)知電容器314的電流。此外，信號(hào)放大器304接受來自交流電流傳感器306的信號(hào)。因?yàn)殡娏鱾鞲衅?06與該電路在流電學(xué)上絕緣，所以該放大器可以以地作為參考電位，以便進(jìn)一步簡化信號(hào)處理步驟和位置指示信號(hào)對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器的終極互連。反映被放大的電流信號(hào)而且可以被控制處理器(未展示)使用的輸出信號(hào)出現(xiàn)在輸出節(jié)點(diǎn)318。作為上述安排的結(jié)果，電流振幅與測(cè)知電容器314的電容量成比例的方波輸出信號(hào)出現(xiàn)在輸出節(jié)點(diǎn)318上。該輸出信號(hào)是隨時(shí)間變化的，而且在以斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)的使用和上述的位置傳感器安排為基礎(chǔ)的時(shí)候，將反映隨著時(shí)間推移活塞130的相對(duì)位置。輸出方波的絕對(duì)值可以被取出，而且位置也可以在那個(gè)基礎(chǔ)上被讀出。結(jié)合這個(gè)實(shí)施方案使用各種不同的其它的調(diào)制信號(hào)也是可能的。舉例來說，電壓電源302可以提供將在輸出節(jié)點(diǎn)318造成正弦波輸出信號(hào)的正弦波調(diào)制信號(hào)，其借助在信號(hào)處理技術(shù)中眾所周知的全波整流和隨后的低通濾波的方法探測(cè)到的峰值振幅作為測(cè)知電容器電流、電容量以及移動(dòng)電極140位置的度量。圖5是在控制處理之前在信號(hào)調(diào)節(jié)中使用的替代電路的例證。這個(gè)電路也使用恒定不變的電壓產(chǎn)生和探測(cè)與測(cè)知電容器相關(guān)聯(lián)的可變電流。盡管這個(gè)實(shí)施方案需要下面討論的兩個(gè)電壓電源，但是它消除了對(duì)交流電流傳感器306的需要。就來自圖4實(shí)施方案的交流電流傳感器306可能把重要的無防備的寄生電容加到電路上而言，這個(gè)誤差通常能借助下一個(gè)描述的圖5的實(shí)施方案被消除。圖5的實(shí)施方案通常類似于圖4的實(shí)施方案，不同之處在于交流電流傳感器306被接地參考分路電阻424代替，和添加第二激勵(lì)電壓電源422來驅(qū)動(dòng)防護(hù)屏蔽410而不是如同在圖4的實(shí)施方案中那樣使用單一電壓電源驅(qū)動(dòng)防護(hù)屏蔽和測(cè)知電容器兩者。電壓電源402必須與地絕緣以準(zhǔn)許插入接地參考分路電阻424。小型變壓器可以用來實(shí)現(xiàn)這種絕緣，只要它初級(jí)和次級(jí)(輸出)繞組和鐵芯之間配備防護(hù)屏蔽即可。這個(gè)防護(hù)屏蔽能與防護(hù)屏蔽410和互連電纜屏蔽一起用電壓電源422驅(qū)動(dòng)。屏蔽驅(qū)動(dòng)電源422是以地作為參考電位的而且不需要絕緣。依照?qǐng)D5實(shí)施方案，等幅三角波電壓電源402給該電路提供激勵(lì)信號(hào)。由固定電極180和移動(dòng)電極140組成的測(cè)知電容器414與上述的活塞對(duì)活塞缸的固定電容416串聯(lián)。如上所述，這個(gè)電容比傳感器電容的最大值大得多并因此對(duì)測(cè)量程序沒有重大的干擾。電壓電源402與測(cè)知電容器414和活塞-活塞缸電容器416兩者并聯(lián)。屏蔽電極120(包括傳感器與信號(hào)處理器的互連電纜的屏蔽)被直接接到屏蔽電極電壓電源422上，并借此抑制在固定電極180和輸電電纜和傳感器防護(hù)屏蔽410之間的泄漏電容量408。因?yàn)榉雷o(hù)泄漏電容器408的兩邊是處在相同的電位，沒有電流流過該防護(hù)泄漏電容器408，所以該電容實(shí)際上為零。進(jìn)一步的電容結(jié)構(gòu)412存在于防護(hù)屏蔽410和地之間。然而，因?yàn)檫@個(gè)電容橫跨電壓電源402出現(xiàn)，所以該電容對(duì)所述測(cè)知方法的可靠性和準(zhǔn)確性是無關(guān)緊要的。這要求注意用于分開防護(hù)的驅(qū)動(dòng)的電壓電源422有能力在不污染分路電阻424中的測(cè)知電流的情況下使電流流過泄漏電容412的理由。在接地參考分路電阻424上產(chǎn)生的信號(hào)電壓與以地為參考電位的放大器404的輸入耦合。橫跨接地參考分路電阻的電壓降的數(shù)量是如此小，以致可以假定來自電壓電源422的防護(hù)電壓和來自電壓電源402的傳感器電壓實(shí)際上是相同的。橫跨接地參考分路電阻424的電壓可以隨著時(shí)間逝去被監(jiān)測(cè)。這依次允許計(jì)算流過接地參考分路電阻424的電流和實(shí)際計(jì)算傳感器414的電容量。由此產(chǎn)生的信號(hào)被信號(hào)放大器404放大。反映被放大的電流信號(hào)而且可以被控制處理器(未展示)使用的輸出信號(hào)出現(xiàn)在輸出節(jié)點(diǎn)418上。作為上述安排的結(jié)果，電流振幅與測(cè)知電容器414的電容成比例的方波輸出信號(hào)出現(xiàn)在輸出節(jié)點(diǎn)418上。該輸出信號(hào)是隨時(shí)間變化的，而且在以使用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)和上述的位置傳感器安排為基礎(chǔ)的時(shí)候?qū)?huì)反映活塞130隨著時(shí)間推移的相對(duì)位置。輸出方波的絕對(duì)值可以被拿取出，而且位置也可以在那個(gè)基礎(chǔ)上被讀出。結(jié)合這個(gè)實(shí)施方案使用多種其它的調(diào)制信號(hào)也是可能的。舉例來說，電壓電源402可以提供將在輸出節(jié)點(diǎn)418造成正弦波輸出信號(hào)的正弦波調(diào)制信號(hào)，其借助信號(hào)處理技術(shù)中眾所周知的全波整流再低通濾波的方法探測(cè)到的峰值振幅作為測(cè)知電容器電流、電容量和移動(dòng)電極的位置的度量?，F(xiàn)在結(jié)合圖6描述本發(fā)明的信號(hào)調(diào)節(jié)方法的又一個(gè)實(shí)施方案。這個(gè)實(shí)施方案類似于結(jié)合圖5描述的實(shí)施方案，不同之處在于接地參考分路電阻424被取消，并且代之以改為用來監(jiān)測(cè)傳感器電流的跨阻抗放大器配置。這個(gè)實(shí)施方案從下述事實(shí)得到它的優(yōu)勢(shì)，即，雖然小而且在大多數(shù)情況下可以忽略，但是由于接地參考分路電阻424已從電路中除去，橫跨接地參考分路電阻424的電壓降也被除去。如同從圖6清楚地看得的那樣，反饋電阻526是與運(yùn)算放大器504結(jié)合使用的。反饋電阻526保證沒有網(wǎng)凈余電流流進(jìn)運(yùn)算放大器504的加法結(jié)。通過使用反饋電阻526和通過把電壓電源502與運(yùn)算放大器504的加法結(jié)連接，保證所有的電流都流進(jìn)運(yùn)算放大器504的加法結(jié)，形成有效的虛擬地。通過監(jiān)測(cè)用它的輸出電壓指示的流進(jìn)和流出運(yùn)算放大器504的加法結(jié)的電流，可變傳感器514的有效電容量是可以確定的。在用圖7舉例說明的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，使用電流不變但電壓可變的電路獲得傳感器614的電容量的輸出信號(hào)指示。依照這個(gè)實(shí)施方案，等幅方波或正弦波電流源602代替來自早先的實(shí)施方案的電壓電源。電壓輸出器628產(chǎn)生等于恒流電源發(fā)展的電壓的屏蔽驅(qū)動(dòng)電壓，而且是保證防護(hù)屏蔽電壓停留在實(shí)際上與電流源602的電位相同的電位(即橫跨電容器608的電壓差實(shí)際上為零)必不可少的。獲得流過傳感器電容的電流的固定振幅所必需的由電流源發(fā)展的電壓與傳感器電容量數(shù)值成反比。往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的位置是用傳感器電容器614兩端可變的電壓間接確定的。出現(xiàn)在輸出點(diǎn)618上的模擬信號(hào)輸出與傳感器電容器614的電容量并因此與往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的位置成反比。熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)理解，由于傳感器電容量和電壓變化之間的關(guān)系是非線性函數(shù)，這個(gè)實(shí)施方案不實(shí)現(xiàn)上述的本發(fā)明的全部優(yōu)勢(shì)，而且這個(gè)實(shí)施方案通常不是最優(yōu)選的。然而，人們也將很容易理解，舉例來說，數(shù)字信號(hào)處理器可能為了處理任何困難被用來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移函數(shù)線性化。熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)理解，各種不同的附加信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)可能適用于起因于依照上述各種不同的實(shí)施方案形成的電路的輸出信號(hào)。舉例來說，傳感器和屏蔽可能是用正弦激勵(lì)(“載波”)電壓驅(qū)動(dòng)的，而且后面跟著低通濾波器的全波整流器可以用來處理輸出信號(hào)，重新獲得指示移動(dòng)電極140的位置的載波包絡(luò)線振幅。就這一點(diǎn)而言，低通濾波器(例如，二級(jí)Butterworth LPF)應(yīng)該用來削弱高階解調(diào)成分只留下指示傳感器電流并因此指示移動(dòng)電極140的位置的載波包絡(luò)線信號(hào)(“基帶”)成分。關(guān)于快速移動(dòng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件(例如，自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)中的活塞和壓氣活塞)，位置測(cè)量相位滯后當(dāng)它對(duì)于了解瞬時(shí)定位情況至關(guān)重要的時(shí)候(例如，在評(píng)估工程師工作表現(xiàn)時(shí))也可能是一個(gè)問題。在這些情況下，信號(hào)處理電路可以包括一個(gè)用來補(bǔ)償?shù)屯V波器相位滯后的相位超前網(wǎng)絡(luò)。舉例來說，相位滯后補(bǔ)償在系統(tǒng)調(diào)諧期間是特別合乎需要的。在這種情況下，實(shí)時(shí)觀測(cè)與瞬時(shí)壓力波振幅有關(guān)的瞬時(shí)活塞位置和壓氣活塞位置對(duì)于調(diào)諧該系統(tǒng)是必不可少的。調(diào)諧之后，位置測(cè)知不需要相位信息。然而，其它的應(yīng)用可能從借助相位超前網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償相位滯后中獲益。關(guān)于為了說明監(jiān)測(cè)自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力活塞的位置與在此揭示的信號(hào)調(diào)節(jié)電路一起使用的低通濾波器設(shè)計(jì)，人們將會(huì)理解，傳感器電容量變化在從零到80赫茲的標(biāo)稱工作頻率fb的頻率范圍內(nèi)將是簡諧的。同樣，全波整流器包絡(luò)線探測(cè)器的輸出將包含需要的基帶信息信號(hào)和不想要的頻率為2nfc±fb的高階解調(diào)成分，其中n＝1、3、5…，對(duì)應(yīng)的振幅下降為1/n。通過設(shè)定激勵(lì)“載波”信號(hào)頻率fc＞＞80赫茲，在基帶信號(hào)頻譜(0到fb)和高階解調(diào)成分之間能提供大的頻率“空間”。這允許低通濾波器在不引進(jìn)重大的幅度或相位誤差的情況下隔離在0到fb基帶區(qū)域中的電容量變化信息信號(hào)。由于它的特性，濾波器將在0到fb基帶區(qū)域中引進(jìn)小的相位滯后，但是，依照前面的討論，如果需要，這能通過引進(jìn)相位超前網(wǎng)絡(luò)得到抑制。LPF(低通濾波器)和相位超前網(wǎng)絡(luò)，如果被包括在內(nèi)，也將在0到fb的范圍內(nèi)引進(jìn)能通過適當(dāng)選擇LPF“轉(zhuǎn)角”頻率和相位超前網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)變成可接受的小的某種振幅響應(yīng)變化。電容型傳感器結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理方法已被揭示。人們將會(huì)理解，前面提供的教導(dǎo)有非常多的應(yīng)用，尤其是與往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的位置測(cè)知應(yīng)用。雖然就在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中作直線運(yùn)動(dòng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件已提供上述討論，但是其它的應(yīng)用是可能的，本文的教導(dǎo)不必局限于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)或作直線運(yùn)動(dòng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件。舉例來說，本文中的傳感器可以用在各種不同的應(yīng)用中，包括各種不同的自由活塞應(yīng)用，例如，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)或壓縮機(jī)或內(nèi)燃機(jī)。除此之外，雖然上述揭示的重點(diǎn)放在監(jiān)測(cè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)制的位置上，但是同樣的面積調(diào)制的電容型傳感器概念可以通過，舉例來說，使用類似于曾經(jīng)被廣泛地用于調(diào)節(jié)收音機(jī)調(diào)諧電路的諧振頻率的一個(gè)或多個(gè)固定的和旋轉(zhuǎn)的金屬板的可變電容器被應(yīng)用于測(cè)知旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。盡管主題發(fā)明已在附圖和前面的陳述中被詳細(xì)地舉例說明和描述，但是所揭示的實(shí)施方案是說明性的但不適合作為限制。所有在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的變化和修正都希望受到保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種用來確定往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件位置的傳感器，所述的傳感器包括由固定電極和屏蔽電極組成的固定電極支撐結(jié)構(gòu)，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；以及移動(dòng)電極，所述移動(dòng)電極的移動(dòng)位置與所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)成正比；其中所述的固定電極和所述的移動(dòng)電極形成電容結(jié)構(gòu)，所述的電容結(jié)構(gòu)有與所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的瞬時(shí)位置成正比的可變的電容量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，進(jìn)一步包括電壓源，而且其中所述的屏蔽電極是在與所述固定電極的電位相同的電位下驅(qū)動(dòng)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的傳感器，其中所述的移動(dòng)電極在結(jié)構(gòu)和電兩個(gè)方面與發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的傳感器，其中所述的移動(dòng)電極在結(jié)構(gòu)和電兩個(gè)方面與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣活塞接觸。
5.根據(jù)上述任何權(quán)利要求的傳感器，其中所述的移動(dòng)電極包括交流發(fā)電機(jī)的套筒。
6.根據(jù)上述任何權(quán)利要求的傳感器，其中所述的固定電極是用塑料制成的而且進(jìn)一步包括至少一個(gè)傳導(dǎo)性鍍層區(qū)域。
7.根據(jù)上述任何權(quán)利要求的傳感器，其中所述的可變的電容量起因于所述固定電極和所述移動(dòng)電極之間的重疊數(shù)量變化。
8.根據(jù)上述任何權(quán)利要求的傳感器，其中所述的移動(dòng)電極和所述的固定電極是同軸放置的，而且其中所述的移動(dòng)電極有選擇地在所述的固定電極上滑動(dòng)。
9.根據(jù)上述任何權(quán)利要求的傳感器，進(jìn)一步包括用來校正低通濾波器相位滯后的相位超前補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
10.一種包括動(dòng)力活塞的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，所述的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)能夠借助電容型位置傳感器確定所述的動(dòng)力活塞的瞬時(shí)位置，所述的電容型位置傳感器包括由固定電極和屏蔽電極組成的固定電極支撐結(jié)構(gòu)，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；以及移動(dòng)電極，所述的移動(dòng)電極的移動(dòng)位置與所述動(dòng)力活塞的運(yùn)動(dòng)成正比；其中所述的固定電極和所述的移動(dòng)電極形成電容結(jié)構(gòu)，所述的電容結(jié)構(gòu)有與所述的動(dòng)力活塞的瞬時(shí)位置成正比的可變的電容量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述的固定電極和所述的移動(dòng)電極在外形上是圓筒形的，其中所述的移動(dòng)電極和所述的固定電極是同軸放置的，而且其中所述的移動(dòng)電極有選擇地在所述的固定電極上滑動(dòng)。
12.一種電容型位置傳感器，其中包括由固定電極和屏蔽電極組成的固定電極支撐結(jié)構(gòu)，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；以及移動(dòng)電極，所述的移動(dòng)電極的移動(dòng)位置與往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)成正比；其中所述的屏蔽電極是在與所述固定電極的電位相同的電位下驅(qū)動(dòng)的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的位置傳感器，進(jìn)一步包括交流電流傳感器，所述的交流電流傳感器把輸入信號(hào)提供給信號(hào)放大器，而所述的信號(hào)放大器提供指示所述固定電極和所述移動(dòng)電極之間的電容量的輸出信號(hào)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的位置傳感器，進(jìn)一步包括第二恒壓電源和測(cè)知接地參考電流的分路電阻，其中所述的第二恒壓電源而不是所述的第一恒壓電源驅(qū)動(dòng)所述的屏蔽電極。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的位置傳感器，進(jìn)一步包括第二恒壓電源和測(cè)知接地參考電流的分路電阻，其中所述的第二恒壓電源而不是所述的第一恒壓電源驅(qū)動(dòng)所述的屏蔽電極。
16.根據(jù)權(quán)利要求12、13、14或15的位置傳感器，進(jìn)一步包括監(jiān)測(cè)電流的跨阻抗放大器組件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的位置傳感器，進(jìn)一步包括等幅電流來源和電壓輸出器，所述的電壓輸出器調(diào)節(jié)電壓以保證所述屏蔽電極的電位實(shí)際上與所述電流源的電位相同。
18.一種用來確定往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件位置的方法，所述方法包括下述步驟(i)提供固定電極和屏蔽電極，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；(ii)提供移動(dòng)電極，所述移動(dòng)電極的移動(dòng)位置與所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的成正比；以及(iii)定期地測(cè)量所述固定電極和所述移動(dòng)電極之間的電容量以便確定所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的瞬時(shí)位置。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中所述的定期測(cè)量電容量的步驟進(jìn)一步包括如下步驟提供交流電流傳感器，所述的交流電流傳感器測(cè)量流過由所述的固定電極和所述的移動(dòng)電極形成的電容器的電流；其中所述交流電流傳感器的所述輸出是所述電容器的電容量和所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的位置的指示。
20.一種用來控制往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)的方法，所述方法包括下述步驟(i)提供固定電極和屏蔽電極，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；(ii)提供移動(dòng)電極，所述移動(dòng)電極的移動(dòng)位置與所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)成正比；(iii)定期地測(cè)量所述固定電極和所述移動(dòng)電極之間的電容量以便確定所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的瞬時(shí)位置；以及(iv)基于所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的所述的被確定的瞬時(shí)位置控制所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
一種用來確定往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件位置的傳感器，所述的傳感器包括由固定電極和屏蔽電極組成的固定電極支撐結(jié)構(gòu)，所述的固定電極與所述的屏蔽電極電絕緣；以及移動(dòng)電極，所述移動(dòng)電極的移動(dòng)位置與所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)成正比；其中所述的固定電極和所述的移動(dòng)電極形成電容結(jié)構(gòu)，所述的電容結(jié)構(gòu)有與所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的瞬時(shí)位置成正比的可變電容。
文檔編號(hào)G01D5/241GK1846116SQ200480025077
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2004年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月1日
發(fā)明者艾倫·切爾陶克 申請(qǐng)人:蒂艾克思股份有限公司