CN102359754A

CN102359754A - 差分电容式长度传感器

Info

Publication number: CN102359754A
Application number: CN2011102273813A
Authority: CN
Inventors: 张华建
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2012-02-22

Abstract

本发明公开了一种采用差分电容技术的精度高于0.1μm的长度传感器。该装置包括电容定极板、电容动极板、电容极板座、测量杆、弹簧装置。所述电容定极板为两个由橡皮圈隔开的圆柱筒；所述电容定极板两端分别通过橡皮圈连接一电容极板座；所述电容定极板的圆柱筒内设有一电容动极板，该电容动极板为一外半径略小于电容定极板内半径，且可以在电容定极板的圆柱筒内水平移动的圆柱筒；所述电容动极板与一测量杆相连；所述电容极板座外设有一用来控制测量杆水平移动的弹簧装置。由于本发明不再采用目前使用的光栅莫尔条纹技术，不再需要激光刻线和莫尔条纹的处理整形，因此生产加工成本大大降低，后端处理电路也相对简单。

Description

差分电容式长度传感器

技术领域：

本发明涉及测量位移、深度等应用的长度传感器领域，特别涉及一种采用差分电容技术的精度高于0.1μm的长度传感器。

背景技术：

目前，现阶段精度高于0.1μm的长度传感器主要采用光栅莫尔条纹技术来实现。它的实现方法主要分以下三步：

第一步：在一块玻璃上等节距刻线，做成定光栅，这是传感器的核心部件。定光栅节距越小，精度越高。节距精度紧密关系着传感器的精度，为保证精度，目前定光栅刻线主要采用激光刻线，且在无尘、无振动的环境下完成。国外精度高于0.1μm的光栅长度传感器都是在专用地下室完成定光栅的激光刻线。其成本高、效率低等问题显而易见，激光刻线工作也非常耗时。

第二步：在另一个部件上装有光发射器和光接收器，通常称之为动光栅。

第三步：当定光栅和动光栅保持某一距离且产生相对移动时，动光栅的光接收器就会收到移动的干涉莫尔条纹。然后把莫尔条纹通过光电元件转化为正弦波，再将正弦波整形转化，最后输出脉冲方波。这样，动光栅和定光栅的相对位移＝脉冲个数×莫尔条纹的栅距。

由此可见，现阶段技术的主要缺点是：制作成本高、制作环境苛刻、电路复杂。

发明内容：

鉴于上述技术问题，本发明通过采用了差分电容技术并结合弹性探针与电容定极板直接进行电器连接的方法，以及PCB直接安装在电容极板座上的方法，实现了一种采用差分电容技术的精度高于0.1μm的长度传感器。从而能以较低的生产成本获得较高的精度性能。

本发明的具体技术方案如下：

差分电容式长度传感器，包括电容定极板、电容动极板、电容极板座、测量杆、弹簧装置。

所述电容定极板为两个由橡皮圈隔开的圆柱筒；所述电容定极板两端分别通过橡皮圈连接一电容极板座；所述电容定极板的圆柱筒内设有一电容动极板，该电容动极板为一外半径略小于电容定极板内半径，且可以在电容定极板的圆柱筒内水平移动的圆柱筒；所述电容动极板与一测量杆相连；所述电容极板座外设有一用来控制测量杆水平移动的弹簧装置。

上述方案中，所述两个电容定极板之间的橡皮圈厚度为0.5mm到2.0mm。

上述方案中，所述电容动极板与测量杆通过绝缘体相连。

上述方案中，所述测量杆穿过弹簧装置。

由于本发明不再采用目前使用的光栅莫尔条纹技术，不再需要激光刻线和莫尔条纹的处理整形，因此生产加工成本大大降低，后端处理电路也相对简单。

适当设计圆柱筒电容定极板和电容动极板的半径大小以及圆柱筒电容极板的长度，可以将精度进一步提高到0.001μm。

由于圆柱筒电容极板为金属材料，极板间衬物为无机材料空气；因此可以在高温、低温、强磁场、强辐射下长期工作，测量稳定性大大改善，尤其是解决了高温高压环境下的检测难题。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明所述的差分电容式长度传感器，包括电容定极板1、电容动极板2、电容极板座3、测量杆4、弹簧装置5。

其中，电容定极板1为两个由厚度为0.5mm到2.0mm的橡皮圈6隔开的圆柱筒，该电容定极板1两端分别通过橡皮圈7连接一电容极板座3；电容定极板1的圆柱筒内设有一电容动极板2，该电容动极板2为一外半径略小于电容定极板内半径，且可以在电容定极板1的圆柱筒内水平移动的圆柱筒；电容动极板2与一测量杆4通过绝缘体相连；电容极板座3外设有一用来控制测量杆4水平移动的弹簧装置5，测量杆4穿过该弹簧装置5。

本发明所述的长度传感器的工作原理如下：

假设本例中，电容定极板的圆柱筒内半径为R，长度为l，电容动极板的圆柱筒外半径为r，长度为l。

当测量杆不受力时，测量杆在弹簧系统作用下使电容动极板靠在最右侧。此时，由一块共用的电容动极板、两块电容定极板组成的两个电容器的电容差称之为初始电容C₀。

在外推力作用下，测量杆右移，假设右移某一个x值。此时，由共用的一块电容动极板、两块电容定极板组成的两个电容器的电容差称之为测量电容C₁。则可推理出：

C₀-C₁＝4πεx/ln(R/r)

由此可见，电容差的变化量(C₀-C₁)与位移量(x)成正比，他们是一线性关系。又因为C₀、C₁都是差分电容值，这进一步增加了传感器的抗干扰能力，同时也进一步消除了温度、湿度对传感器精度的影响。

另外，本发明的电器连接如下：

两个电容定极板与装在电容极板座上焊有弹性探针的印刷电路板(PrintedCircuit Board，以下简称PCB)的弹性探针直接进行弹性接触电器连接，这样进一步减少引线寄生电容对传感器的精度影响。

焊在电容动极板上的引线和焊在测量杆上的引线也直接与PCB焊接连接。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.差分电容式长度传感器，包括电容定极板、电容动极板、电容极板座、测量杆、弹簧装置；其特征在于，所述电容定极板为两个由橡皮圈隔开的圆柱筒；所述电容定极板两端分别通过橡皮圈连接一电容极板座；所述电容定极板的圆柱筒内设有一电容动极板，该电容动极板为一外半径略小于电容定极板内半径，且可以在电容定极板的圆柱筒内水平移动的圆柱筒；所述电容动极板与一测量杆相连；所述电容极板座外设有一用来控制测量杆水平移动的弹簧装置。

2.根据权利要求1的差分电容式长度传感器，其特征在于，所述两个电容定极板之间的橡皮圈厚度为0.5mm到2.0mm。

3.根据权利要求1的差分电容式长度传感器，其特征在于，所述电容动极板与测量杆通过绝缘体相连。

4.根据权利要求1的差分电容式长度传感器，其特征在于，所述测量杆穿过弹簧装置。