專利名稱：多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電容式位移傳感器領(lǐng)域技術(shù)，尤其是指一種多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度位移測(cè)量和非接觸測(cè)量的需求越來越多，電容測(cè)微技術(shù)的應(yīng)用面也越來越寬。隨著電容傳感器存在的分布電容、非線性等缺點(diǎn)得到克服，高精度、高穩(wěn)定性的電容測(cè)微產(chǎn)品相繼問世。高精度電容測(cè)微儀可實(shí)現(xiàn)的分辨率極高，且具有較好的頻響特性，因此近年來成為高精度微動(dòng)平臺(tái)反饋控制的幾種主要檢測(cè)傳感器之 O目前已有的電容位移傳感器主要有如下兩大類I、差動(dòng)式變極距型電容傳感器其結(jié)構(gòu)原理如圖Ia和圖Ib所示，在圖Ia中，位于中央的雙面極板20為動(dòng)極板，與移動(dòng)件相連接，位于兩側(cè)的單面極板10和單面極板30為固定極板，與固定基座相連，單面極板10和單面極板30之間的相對(duì)位置固定不變。測(cè)量時(shí)，用于被測(cè)量瞄準(zhǔn)的移動(dòng)件帶動(dòng)雙面極板20縱向移動(dòng)△(!，引起各對(duì)極板間的距離的同步變化，變化后的雙面極板20與單面極板10和單面極板30的間隙分別為Cl1和d2。(如圖Ib所示)。通常，平行板電容器，電容為C= ε S/d,其中，ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為極板面積，d為極板間的距離。設(shè)Cltl為初始極距、Ctl為電容初始值及電容傳感器的靈敏度為K，前述Cl1 =d0- Δ d, d2=d0+ Δ d, C1和C2形成差動(dòng)電容，將差動(dòng)電容分別接于電橋的相鄰兩臂，電容變化量Λ C可寫為=AC=C1-C2=ACAAC2=ZCqX Λ d/dQ，由此可得到該種電容傳感器的靈敏度 K 為 K= Λ C/ Λ d=2 ε S/d。2。2、差動(dòng)式變面積型電容傳感器，其中，變面積型電容傳感器有角位移型和線位移型兩種。如圖2a和圖2b所示，其顯示了平面線位移型典型結(jié)構(gòu)，該動(dòng)極板50用于與移動(dòng)件相連接，定極板40與固定基座相連，其相對(duì)于固定基座的相對(duì)位置不變，測(cè)量時(shí)，被測(cè)量的移動(dòng)件帶動(dòng)動(dòng)極板50沿水平方向移動(dòng)，引起兩極板間有效覆蓋面積的同步改變，從而得到電容的改變，電容變化量Λ C可寫為Λ C=C1-C0= ε b0 Δ L/d0,其中，b0為極板有效覆蓋寬度,Δ L為動(dòng)極板的移動(dòng)距離，d0為極距。K= Δ C/ Δ L= ε b0/d0o如圖3a和圖3b所示，其顯示了角位移型典型結(jié)構(gòu)，當(dāng)動(dòng)極板70有一轉(zhuǎn)角時(shí)，與定極板60之間相互覆蓋的面積就發(fā)生變化，因而導(dǎo)致電容量變化。設(shè)其轉(zhuǎn)角為Λ a、極板半徑為r，電容變化量為Λ C= ε Δ ar2/2d0,其靈敏度為K= Λ C/ Λ a= ε r2/2dQ。從上述內(nèi)容中不難看出，為了提高傳感器的靈敏度和量程，就必須增大極板的正對(duì)面積及極距，這樣在體積上就難以實(shí)現(xiàn)微型化，使得電容傳感器應(yīng)用場(chǎng)合受到很大的局限。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在之缺失，其主要目的是提供一種多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器，其有效提高了測(cè)量精度，更能滿足微動(dòng)工作臺(tái)中高測(cè)量精度、高靈敏度及大量程等要求。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下之技術(shù)方案一種多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器，包括有相互配合的動(dòng)極和定極，該定極包括有同軸且由內(nèi)而外間距設(shè)置的單面定極軸、雙面圓環(huán)定極板、單面圓環(huán)定極板；該動(dòng)極包括有對(duì)應(yīng)定極設(shè)置且同軸的第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板和第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板，該第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板內(nèi)形成有第一容置空腔，該第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板之間形成有第二容置空腔；該動(dòng)極可軸向活動(dòng)式嵌套于定極內(nèi)，前述單面定極軸配合于第一容置空腔內(nèi)并與第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板內(nèi)壁面構(gòu)成第一電容；前述雙面圓環(huán)定極板配合于第二容置空腔內(nèi)并其內(nèi)、外壁面分別與第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板的外壁面、第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的內(nèi)壁面構(gòu)成 第二、三電容；前述單面圓環(huán)定極板配合于第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板外圍，并單面圓環(huán)定極板與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的外壁面構(gòu)成第四電容。作為一種優(yōu)選方案，所述第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板的內(nèi)徑大于單面定極軸的外徑，該第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的間距大于雙面圓環(huán)定極板的厚度，該單面圓環(huán)定極板的內(nèi)徑大于第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的外徑。作為一種優(yōu)選方案,所述單面定極軸、雙面圓環(huán)定極板、單面圓環(huán)定極板、第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板及第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的軸向長(zhǎng)度相等且兩端對(duì)應(yīng)齊平。作為一種優(yōu)選方案，所述單面定極軸與雙面圓環(huán)定極板的間距、雙面圓環(huán)定極板與單面圓環(huán)定極板的間距、第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的間距、第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板內(nèi)的圓柱形槽的直徑均相等。作為一種優(yōu)選方案,所述單面定極軸的直徑及雙面圓環(huán)定極板、單面圓環(huán)定極板、第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板、第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的厚度均相等。作為一種優(yōu)選方案，所述第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的外圍設(shè)置屏蔽環(huán)，前述單面圓環(huán)定極板位于屏蔽環(huán)與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板之間，并屏蔽環(huán)與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的間距大于單面圓環(huán)定極板的厚度。作為一種優(yōu)選方案，所述單面圓環(huán)定極板的外壁面為屏蔽層。作為一種優(yōu)選方案，所述動(dòng)極包括有圓形基板，前述第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板、第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板及屏蔽環(huán)均自圓形基板前側(cè)一體延伸而成。作為一種優(yōu)選方案,所述定極包括有圓形基板，前述單面定極軸、雙面圓環(huán)定極板、單面圓環(huán)定極板均自圓形基板后側(cè)一體延伸而成。作為一種優(yōu)選方案，所述動(dòng)極和定極通過外圍細(xì)螺桿定位，各細(xì)螺桿各自套有壓簧來控制動(dòng)極復(fù)位。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，具體而言，由上述技術(shù)方案可知，其主要系一、通過將動(dòng)極和定極均設(shè)計(jì)為包括兩個(gè)以上的同軸圓環(huán)極板，該動(dòng)極和定極的各極板相互嵌套結(jié)合，能夠形成四組以上的環(huán)狀并聯(lián)電容，如此，動(dòng)極隨被測(cè)物件相對(duì)定極沿軸向移動(dòng)時(shí)，各組電容的兩極板間的有效覆蓋面積均產(chǎn)生形態(tài)相同的變化，各組差動(dòng)變化量累加，在體積不變的前提下，很大程度上增大了微動(dòng)時(shí)動(dòng)極與定極間面積的的總變化量，增大了微動(dòng)時(shí)電容總變化量，從而大大提高了微距測(cè)量時(shí)的精度及靈敏度，其更能滿足微型化應(yīng)用場(chǎng)合的需求。二、前述定極及動(dòng)極均系由圓形基板一側(cè)一體延伸出相應(yīng)極板，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工制作，降低了生產(chǎn)成本。三、動(dòng)極和定極的外圍均設(shè)置有屏蔽層，有效減少了邊緣效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度的影響，有利于保證微距測(cè)量時(shí)較高的精度及靈敏度。為更清楚地闡述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和功效，下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。


圖Ia和圖Ib為已有技術(shù)中差動(dòng)式變極距型電容傳感器原理示意圖； 圖2a和圖2b為已有技術(shù)中差動(dòng)式變面積型電容傳感器原理示意圖(平面線位移型典型結(jié)構(gòu))；圖3a和圖3b為已有技術(shù)中差動(dòng)式變面積型電容傳感器原理示意圖(角位移型典型結(jié)構(gòu))；圖4a為本發(fā)明之較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4b為本發(fā)明之較佳實(shí)施例中動(dòng)極和定極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4c為本發(fā)明之較佳實(shí)施例中動(dòng)極與定極的結(jié)合位置示意圖。附圖標(biāo)識(shí)說明10、單面極板20、雙面極板30、單面極板40、定極板50、動(dòng)極板60、定極板70、動(dòng)極板100、動(dòng)極101、圓形基板102、第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板103、第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板104、屏蔽環(huán)105、第一容置空腔106、第二容置空腔200、定極201、圓形基板202、單面定極軸203、雙面圓環(huán)定極板204、單面圓環(huán)定極板205、屏蔽層301、細(xì)螺桿302、壓簧
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參照?qǐng)D4a至圖4C所示，其顯示出了本發(fā)明之較佳實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)。該多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器，其包括有定極200和可軸向活動(dòng)式嵌套于定極200內(nèi)的動(dòng)極100，其類似于圓柱線位移型電容式傳感器。將本發(fā)明應(yīng)用于微動(dòng)測(cè)距時(shí)，動(dòng)極100通過測(cè)頭感受待測(cè)物體微小位移量，定極200與固定基相連，從而定極200的位置保持不變，與待測(cè)微動(dòng)物體相連的動(dòng)極100通過相對(duì)定極200的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)極板面積的變化。
如圖4b所示，該動(dòng)極100包括有圓形基板101和自圓形基板101前側(cè)一體延伸而成且同軸設(shè)置的第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板102、第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板103及屏蔽環(huán)104，該屏蔽環(huán)104設(shè)置于第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板103的外圍，該屏蔽環(huán)104與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板103的間距大于下述單面圓環(huán)定極板204的厚度；該第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板102內(nèi)形成有第一容置空腔105，該第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板102與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板103之間形成有第二容置空腔106 ;該定極200包括有圓形基板201和自圓形基板201后側(cè)一體延伸而成且同軸設(shè)置的單面定極軸202、雙面圓環(huán)定極板203、單面圓環(huán)定極板204 ;并,前述單面定極軸202、雙面圓環(huán)定極板203、單面圓環(huán)定極板204、第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板102及第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板103的軸向長(zhǎng)度相等且兩端對(duì)應(yīng)齊平。前述單面定極軸202與雙面圓環(huán)定極板203的間距、雙面圓環(huán)定極板203與單面圓環(huán)定極板204的間距、第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板102與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板103的間距、第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板103內(nèi)的圓柱形槽的直徑均相等；前述單面定極軸202的直徑及雙面圓環(huán)定極板203、單面圓環(huán)定極板204、第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板102、第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板103的厚度均相等；該第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板102的內(nèi)徑大于單面定極軸202的外徑，該第一雙面圓環(huán) 動(dòng)極板102與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板103的間距大于雙面圓環(huán)定極板203的厚度，該單面圓環(huán)定極板204的內(nèi)徑大于第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板103的外徑；如圖4c所示，若設(shè)定動(dòng)極100和定極200上的各同軸圓環(huán)極板厚度為M，間距為N，則間距N必須大于厚度M，如此，可以滿足各對(duì)應(yīng)極板之間留有一定間隙用于添加電解質(zhì)。又如圖4c所示,該第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板102配合于單面圓環(huán)定極板204與雙面圓環(huán)定極板203之間，并第二雙面圓環(huán)動(dòng)極103板配合于雙面圓環(huán)定極板203與單面定極軸202之間。如此，該單面定極軸202的外表面和第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板102的內(nèi)壁面、該第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板102的外壁面和雙面圓環(huán)定極板203的內(nèi)壁面、該雙面圓環(huán)定極板203的外壁面和第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板103的內(nèi)壁面、該第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板103的外壁面與單面圓環(huán)定極板204的內(nèi)壁面分別構(gòu)成共四組電容Cl、C2、C3、C4 ;當(dāng)然，也可以于動(dòng)極和定極上設(shè)置更多相應(yīng)的極板，從而構(gòu)成更多組數(shù)的電容。簡(jiǎn)述本發(fā)明之多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器的工作原理如下動(dòng)極100隨被測(cè)物件相對(duì)定極200沿軸向移動(dòng)時(shí)，動(dòng)極100的各極板與定極200的各相應(yīng)極板間的有效正對(duì)面積發(fā)生變化，即前述四組電容發(fā)生變化，傳感器的電容總變化量等于四組電容的電容變化量累加，根據(jù)累加后的總電容變化量反向計(jì)算出被測(cè)物件的微動(dòng)距離。需要說明的是，前述動(dòng)極100之屏蔽環(huán)104及將單面圓環(huán)定極板204的外壁面設(shè)計(jì)為屏蔽層205，其目的在于有效減少邊緣效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度的影響，有利于保證微距測(cè)量時(shí)較高的精度及靈敏度。另外，前述動(dòng)極100和定極200通過外圍細(xì)螺桿301定位，各細(xì)螺桿301各自套有壓簧302來控制動(dòng)極100復(fù)位。本發(fā)明的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于，主要系通過將動(dòng)極和定極均設(shè)計(jì)為包括兩個(gè)以上的同軸圓環(huán)極板，該動(dòng)極和定極的各極板相互嵌套結(jié)合，能夠形成四組以上的環(huán)狀并聯(lián)電容，如此，動(dòng)極隨被測(cè)物件相對(duì)定極沿軸向移動(dòng)時(shí)，各組電容的兩極板間的有效覆蓋面積均產(chǎn)生形態(tài)相同的變化，各組差動(dòng)變化量累加，在體積不變的前提下，很大程度上增大了微動(dòng)時(shí)動(dòng)極與定極間面積的的總變化量，增大了微動(dòng)時(shí)電容總變化量，從而大大提高了微距測(cè)量時(shí)的精度及靈敏度，其更能滿足微型化應(yīng)用場(chǎng)合的需求。 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明的技術(shù)范圍作任何限制，故凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何細(xì)微修改、等同變化與修飾，均仍 屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器，包括有相互配合的動(dòng)極和定極，其特征在于該定極包括有同軸且由內(nèi)而外間距設(shè)置的單面定極軸、雙面圓環(huán)定極板、單面圓環(huán)定極板；該動(dòng)極包括有對(duì)應(yīng)定極設(shè)置且同軸的第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板和第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板，該第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板內(nèi)形成有第一容置空腔，該第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板之間形成有第二容置空腔；該動(dòng)極可軸向活動(dòng)式嵌套于定極內(nèi)，前述單面定極軸配合于第一容置空腔內(nèi)并與第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板內(nèi)壁面構(gòu)成第一電容；前述雙面圓環(huán)定極板配合于第二容置空腔內(nèi)并其內(nèi)、外壁面分別與第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板的外壁面、第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的內(nèi)壁面構(gòu)成第二、三電容；前述單面圓環(huán)定極板配合于第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板外圍，并單面圓環(huán)定極板與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的外壁面構(gòu)成第四電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器，其特征在于所述第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板的內(nèi)徑大于單面定極軸的外徑，該第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的間距大于雙面圓環(huán)定極板的厚度，該單面圓環(huán)定極板的內(nèi)徑大于第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的外徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器，其特征在于所述單面定極軸、雙面圓環(huán)定極板、單面圓環(huán)定極板、第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板及第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的軸向長(zhǎng)度相等且兩端對(duì)應(yīng)齊平。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器，其特征在于所述單面定極軸與雙面圓環(huán)定極板的間距、雙面圓環(huán)定極板與單面圓環(huán)定極板的間距、第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的間距、第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板內(nèi)的圓柱形槽的直徑均相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器，其特征在于所述單面定極軸的直徑及雙面圓環(huán)定極板、單面圓環(huán)定極板、第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板、第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的厚度均相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器，其特征在于所述第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的外圍設(shè)置屏蔽環(huán)，前述單面圓環(huán)定極板位于屏蔽環(huán)與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板之間，并屏蔽環(huán)與第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板的間距大于單面圓環(huán)定極板的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器，其特征在于所述單面圓環(huán)定極板的外壁面為屏蔽層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器，其特征在于所述動(dòng)極包括有圓形基板，前述第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板、第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板及屏蔽環(huán)均自圓形基板前側(cè)一體延伸而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器，其特征在于所述定極包括有圓形基板，前述單面定極軸、雙面圓環(huán)定極板、單面圓環(huán)定極板均自圓形基板后側(cè)一體延伸。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器，其特征在于所述動(dòng)極和定極通過外圍細(xì)螺桿定位，各細(xì)螺桿各自套有壓簧來控制動(dòng)極復(fù)位。
全文摘要
本發(fā)明公開一種多環(huán)并聯(lián)式電容位移傳感器,包括有動(dòng)極和定極，該定極包括有同軸且由內(nèi)而外設(shè)置的單面定極軸、雙面圓環(huán)定極板、單面圓環(huán)定極板；該動(dòng)極包括有對(duì)應(yīng)定極設(shè)置且同軸的第一雙面圓環(huán)動(dòng)極板和第二雙面圓環(huán)動(dòng)極板；動(dòng)極隨被測(cè)物件相對(duì)定極沿軸向移動(dòng)時(shí)，能夠形成四組以上的環(huán)狀并聯(lián)電容，如此，被測(cè)量的移動(dòng)件帶動(dòng)動(dòng)極沿軸向移動(dòng)時(shí)，各組電容的兩極板間的有效覆蓋面積均產(chǎn)生形態(tài)相同的變化，各組差動(dòng)變化量累加，在體積不變的前提下，很大程度上增大了微動(dòng)時(shí)動(dòng)極與定極間面積的總變化量，增大了微動(dòng)時(shí)電容總變化量，從而大大提高了微距測(cè)量時(shí)的精度及靈敏度，其更能滿足微型化應(yīng)用場(chǎng)合的需求。
文檔編號(hào)G01B7/02GK102840822SQ20121029558
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者范偉, 李鐘慎, 馬桂旭 申請(qǐng)人:華僑大學(xué)