CN102840822B - 多环并联式电容位移传感器 - Google Patents

多环并联式电容位移传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN102840822B
CN102840822B CN201210295584.0A CN201210295584A CN102840822B CN 102840822 B CN102840822 B CN 102840822B CN 201210295584 A CN201210295584 A CN 201210295584A CN 102840822 B CN102840822 B CN 102840822B
Authority
CN
China
Prior art keywords
pole
sided
movable plate
plate electrode
annulus
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201210295584.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102840822A (zh
Inventor
范伟
李钟慎
马桂旭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huaqiao University
Original Assignee
Huaqiao University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huaqiao University filed Critical Huaqiao University
Priority to CN201210295584.0A priority Critical patent/CN102840822B/zh
Publication of CN102840822A publication Critical patent/CN102840822A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102840822B publication Critical patent/CN102840822B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

本发明公开一种多环并联式电容位移传感器,包括有动极和定极，该定极包括有同轴且由内而外设置的单面定极轴、双面圆环定极板、单面圆环定极板；该动极包括有对应定极设置且同轴的第一双面圆环动极板和第二双面圆环动极板；动极随被测物件相对定极沿轴向移动时，能够形成四组以上的环状并联电容，如此，被测量的移动件带动动极沿轴向移动时，各组电容的两极板间的有效覆盖面积均产生形态相同的变化，各组差动变化量累加，在体积不变的前提下，很大程度上增大了微动时动极与定极间面积的的总变化量，增大了微动时电容总变化量，从而大大提高了微距测量时的精度及灵敏度，其更能满足微型化应用场合的需求。

Description

多环并联式电容位移传感器
技术领域
本发明涉及电容式位移传感器领域技术，尤其是指一种多环并联式电容位移传感器。
背景技术
随着科学技术的不断发展，高精度位移测量和非接触测量的需求越来越多，电容测微技术的应用面也越来越宽。随着电容传感器存在的分布电容、非线性等缺点得到克服，高精度、高稳定性的电容测微产品相继问世。高精度电容测微仪可实现的分辨率极高，且具有较好的频响特性，因此近年来成为高精度微动平台反馈控制的几种主要检测传感器之一。
目前已有的电容位移传感器主要有如下两大类：
1、差动式变极距型电容传感器
其结构原理如图1a和图1b所示，在图1a中，位于中央的双面极板20为动极板，与移动件相连接，位于两侧的单面极板10和单面极板30为固定极板，与固定基座相连，单面极板10和单面极板30之间的相对位置固定不变。测量时，用于被测量瞄准的移动件带动双面极板20纵向移动Δd，引起各对极板间的距离的同步变化，变化后的双面极板20与单面极板10和单面极板30的间隙分别为d1和d2。（如图1b所示）。通常，平行板电容器,电容为C=εS/d，其中，ε为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离。设d0为初始极距、C0为电容初始值及电容传感器的灵敏度为K，前述d1＝d0-△d,d2=d0+△d,C1和C2形成差动电容，将差动电容分 别接于电桥的相邻两臂，电容变化量△C可写为：△C=C1-C2=△C1+△C2=2C0×△d/d0，由此可得到该种电容传感器的灵敏度K为K=△C/△d=2εS/d0 2。
2、差动式变面积型电容传感器，其中，变面积型电容传感器有角位移型和线位移型两种。
如图2a和图2b所示，其显示了平面线位移型典型结构，该动极板50用于与移动件相连接，定极板40与固定基座相连，其相对于固定基座的相对位置不变，测量时，被测量的移动件带动动极板50沿水平方向移动，引起两极板间有效覆盖面积的同步改变，从而得到电容的改变，电容变化量△C可写为：△C=C1-C0=εb0△L/d0,其中，b0为极板有效覆盖宽度，△L为动极板的移动距离，d0为极距。K=△C/△L=εb0/d0。
如图3a和图3b所示，其显示了角位移型典型结构，当动极板70有一转角时，与定极板60之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。设其转角为△a、极板半径为r，电容变化量为△C=ε△ar2/2d0,其灵敏度为K=△C/△a=εr2/2d0。
从上述内容中不难看出，为了提高传感器的灵敏度和量程，就必须增大极板的正对面积及极距，这样在体积上就难以实现微型化，使得电容传感器应用场合受到很大的局限。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种多环并联式电容位移传感器，其有效提高了测量精度，更能满足微动工作台中高测量精度、高灵敏度及大量程等要求。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种多环并联式电容位移传感器，包括有相互配合的动极和定极，该定极包括有同轴且由内而外间距设置的单面定极轴、双面圆环定极板、单面圆环定极板；该动极包括有对应定极设置且同轴的第一双面圆环动极板和第二双面圆环动极板，该第一双面圆环动极板内形成有第一容置空腔，该第一双面圆环动极板与第二双面圆环动极板之间形成有第二容置空腔；该动极可轴向活动式嵌套于定极内，前述单面定极轴配合于第一容置空腔内并与第一双面圆环动极板内壁面构成第一电容；前述双面圆环定极板配合于第二容置空腔内并其内、外壁面分别与第一双面圆环动极板的外壁面、第二双面圆环动极板的内壁面构成第二、三电容；前述单面圆环定极板配合于第二双面圆环动极板外围，并单面圆环定极板与第二双面圆环动极板的外壁面构成第四电容。
作为一种优选方案，所述第一双面圆环动极板的内径大于单面定极轴的外径，该第一双面圆环动极板与第二双面圆环动极板的间距大于双面圆环定极板的厚度，该单面圆环定极板的内径大于第二双面圆环动极板的外径。
作为一种优选方案，所述单面定极轴、双面圆环定极板、单面圆环定极板、第一双面圆环动极板及第二双面圆环动极板的轴向长度相等且两端对应齐平。
作为一种优选方案，所述单面定极轴与双面圆环定极板的间距、双面圆环定极板与单面圆环定极板的间距、第一双面圆环动极板与第二双面圆环动极板的间距、第一双面圆环动极板内的圆柱形槽的直径均相等。
作为一种优选方案，所述单面定极轴的直径及双面圆环定极板、单面圆环定极板、第一双面圆环动极板、第二双面圆环动极板的厚度均相等。
作为一种优选方案，所述第二双面圆环动极板的外围设置屏蔽环，前述单面圆环定极板位于屏蔽环与第二双面圆环动极板之间，并屏蔽环与第二双面圆环动极板的间距大于单面圆环定极板的厚度。
作为一种优选方案，所述单面圆环定极板的外壁面为屏蔽层。
作为一种优选方案，所述动极包括有圆形基板，前述第一双面圆环动极板、第二双面圆环动极板及屏蔽环均自圆形基板前侧一体延伸而成。
作为一种优选方案，所述定极包括有圆形基板，前述单面定极轴、双面圆环定极板、单面圆环定极板均自圆形基板后侧一体延伸而成。
作为一种优选方案，所述动极和定极通过外围细螺杆定位，各细螺杆各自套有压簧来控制动极复位。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，其主要系：
一、通过将动极和定极均设计为包括两个以上的同轴圆环极板，该动极和定极的各极板相互嵌套结合，能够形成四组以上的环状并联电容，如此，动极随被测物件相对定极沿轴向移动时，各组电容的两极板间的有效覆盖面积均产生形态相同的变化，各组差动变化量累加，在体积不变的前提下，很大程度上增大了微动时动极与定极间面积的的总变化量，增大了微动时电容总变化量，从而大大提高了微距测量时的精度及灵敏度，其更能满足微型化应用场合的需求。
二、前述定极及动极均系由圆形基板一侧一体延伸出相应极板，其结构简单、易于加工制作，降低了生产成本。
三、动极和定极的外围均设置有屏蔽层，有效减少了边缘效应对测量 精度的影响，有利于保证微距测量时较高的精度及灵敏度。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
图1a和图1b为已有技术中差动式变极距型电容传感器原理示意图；
图2a和图2b为已有技术中差动式变面积型电容传感器原理示意图（平面线位移型典型结构）；
图3a和图3b为已有技术中差动式变面积型电容传感器原理示意图（角位移型典型结构）；
图4a为本发明之较佳实施例的结构示意图；
图4b为本发明之较佳实施例中动极和定极的结构示意图；
图4c为本发明之较佳实施例中动极与定极的结合位置示意图。
附图标识说明：
10、单面极板                   20、双面极板
30、单面极板
40、定极板                     50、动极板
60、定极板                     70、动极板
100、动极                      101、圆形基板
102、第一双面圆环动极板        103、第二双面圆环动极板
104、屏蔽环                    105、第一容置空腔
106、第二容置空腔
200、定极                      201、圆形基板
202、单面定极轴                203、双面圆环定极板
204、单面圆环定极板            205、屏蔽层
301、细螺杆        302、压簧
具体实施方式
请参照图4a至图4C所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构。该多环并联式电容位移传感器，其包括有定极200和可轴向活动式嵌套于定极200内的动极100，其类似于圆柱线位移型电容式传感器。将本发明应用于微动测距时，动极100通过测头感受待测物体微小位移量，定极200与固定基相连，从而定极200的位置保持不变，与待测微动物体相连的动极100通过相对定极200的移动实现极板面积的变化。
如图4b所示，该动极100包括有圆形基板101和自圆形基板101前侧一体延伸而成且同轴设置的第一双面圆环动极板102、第二双面圆环动极板103及屏蔽环104，该屏蔽环104设置于第二双面圆环动极板103的外围，该屏蔽环104与第二双面圆环动极板103的间距大于下述单面圆环定极板204的厚度；该第一双面圆环动极板102内形成有第一容置空腔105，该第一双面圆环动极板102与第二双面圆环动极板103之间形成有第二容置空腔106；该定极200包括有圆形基板201和自圆形基板201后侧一体延伸而成且同轴设置的单面定极轴202、双面圆环定极板203、单面圆环定极板204；并，前述单面定极轴202、双面圆环定极板203、单面圆环定极板204、第一双面圆环动极板102及第二双面圆环动极板103的轴向长度相等且两端对应齐平。
前述单面定极轴202与双面圆环定极板203的间距、双面圆环定极板203与单面圆环定极板204的间距、第一双面圆环动极板102与第二双面圆环动极板103的间距、第一双面圆环动极板103内的圆柱形槽的直径均相等；前述单面定极轴202的直径及双面圆环定极板203、单面圆环定极板 204、第一双面圆环动极板102、第二双面圆环动极板103的厚度均相等；该第一双面圆环动极板102的内径大于单面定极轴202的外径，该第一双面圆环动极板102与第二双面圆环动极板103的间距大于双面圆环定极板203的厚度，该单面圆环定极板204的内径大于第二双面圆环动极板103的外径；如图4c所示，若设定动极100和定极200上的各同轴圆环极板厚度为M，间距为N，则间距N必须大于厚度M，如此，可以满足各对应极板之间留有一定间隙用于添加电解质。
又如图4c所示，该第一双面圆环动极板102配合于单面圆环定极板204与双面圆环定极板203之间，并第二双面圆环动极103板配合于双面圆环定极板203与单面定极轴202之间。如此，该单面定极轴202的外表面和第一双面圆环动极板102的内壁面、该第一双面圆环动极板102的外壁面和双面圆环定极板203的内壁面、该双面圆环定极板203的外壁面和第二双面圆环动极板103的内壁面、该第二双面圆环动极板103的外壁面与单面圆环定极板204的内壁面分别构成共四组电容C1、C2、C3、C4；当然，也可以于动极和定极上设置更多相应的极板，从而构成更多组数的电容。
简述本发明之多环并联式电容位移传感器的工作原理如下：动极100随被测物件相对定极200沿轴向移动时，动极100的各极板与定极200的各相应极板间的有效正对面积发生变化，即前述四组电容发生变化，传感器的电容总变化量等于四组电容的电容变化量累加，根据累加后的总电容变化量反向计算出被测物件的微动距离。
需要说明的是，前述动极100之屏蔽环104及将单面圆环定极板204的外壁面设计为屏蔽层205，其目的在于有效减少边缘效应对测量精度的影响，有利于保证微距测量时较高的精度及灵敏度。
另外，前述动极100和定极200通过外围细螺杆301定位，各细螺杆301各自套有压簧302来控制动极100复位。
本发明的设计重点在于，主要系通过将动极和定极均设计为包括两个以上的同轴圆环极板，该动极和定极的各极板相互嵌套结合，能够形成四组以上的环状并联电容，如此，动极随被测物件相对定极沿轴向移动时，各组电容的两极板间的有效覆盖面积均产生形态相同的变化，各组差动变化量累加，在体积不变的前提下，很大程度上增大了微动时动极与定极间面积的的总变化量，增大了微动时电容总变化量，从而大大提高了微距测量时的精度及灵敏度，其更能满足微型化应用场合的需求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种多环并联式电容位移传感器，包括有相互配合的动极和定极，其特征在于：该定极包括有同轴且由内而外间距设置的单面定极轴、双面圆环定极板、单面圆环定极板；该动极包括有对应定极设置且同轴的第一双面圆环动极板和第二双面圆环动极板，该第一双面圆环动极板内形成有第一容置空腔，该第一双面圆环动极板与第二双面圆环动极板之间形成有第二容置空腔；该动极可轴向活动式嵌套于定极内，前述单面定极轴配合于第一容置空腔内并与第一双面圆环动极板内壁面构成第一电容；前述双面圆环定极板配合于第二容置空腔内并其内、外壁面分别与第一双面圆环动极板的外壁面、第二双面圆环动极板的内壁面构成第二、三电容；前述单面圆环定极板配合于第二双面圆环动极板外围，并单面圆环定极板与第二双面圆环动极板的外壁面构成第四电容；所述单面定极轴的直径及双面圆环定极板、单面圆环定极板、第一双面圆环动极板、第二双面圆环动极板的厚度均相等。
2.根据权利要求1所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于：所述第一双面圆环动极板的内径大于单面定极轴的外径，该第一双面圆环动极板与第二双面圆环动极板的间距大于双面圆环定极板的厚度，该单面圆环定极板的内径大于第二双面圆环动极板的外径。
3.根据权利要求1所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于：所述单面定极轴、双面圆环定极板、单面圆环定极板、第一双面圆环动极板及第二双面圆环动极板的轴向长度相等且两端对应齐平。
4.根据权利要求1所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于：所述第二双面圆环动极板的外围设置屏蔽环，前述单面圆环定极板位于屏蔽环与第二双面圆环动极板之间，并屏蔽环与第二双面圆环动极板的间距大于单面圆环定极板的厚度。
5.根据权利要求1所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于：所述单面圆环定极板的外壁面为屏蔽层。
6.根据权利要求4所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于：所述动极包括有圆形基板，前述第一双面圆环动极板、第二双面圆环动极板及屏蔽环均自圆形基板前侧一体延伸而成。
7.根据权利要求1所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于：所述定极包括有圆形基板，前述单面定极轴、双面圆环定极板、单面圆环定极板均自圆形基板后侧一体延伸而成。
8.根据权利要求1所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于：所述动极和定极通过外围细螺杆定位，各细螺杆各自套有压簧来控制动极复位。
CN201210295584.0A 2012-08-17 2012-08-17 多环并联式电容位移传感器 Active CN102840822B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210295584.0A CN102840822B (zh) 2012-08-17 2012-08-17 多环并联式电容位移传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210295584.0A CN102840822B (zh) 2012-08-17 2012-08-17 多环并联式电容位移传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102840822A CN102840822A (zh) 2012-12-26
CN102840822B true CN102840822B (zh) 2015-04-15

Family

ID=47368406

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210295584.0A Active CN102840822B (zh) 2012-08-17 2012-08-17 多环并联式电容位移传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102840822B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104713466B (zh) * 2015-03-17 2017-10-20 华侨大学 高精度差动式多层环形电容测微仪
ES2908703T3 (es) * 2016-02-09 2022-05-03 Univ Texas Coagulómetro de sangre y método
CN105841599A (zh) * 2016-04-27 2016-08-10 深圳市欣驰科技有限公司 自动厚度检测装置及具有自动厚度检测功能的过塑机和碎纸机
CN108709493B (zh) * 2018-07-18 2024-02-27 华侨大学 多环并联式电容角位移传感器
CN114323357B (zh) * 2021-11-23 2022-12-23 四川大学 螺旋式电容压力传感器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1040372A1 (ru) * 1982-01-06 1983-09-07 Всесоюзный научно-исследовательский институт сельскохозяйственной метеорологии Устройство дл исследовани физических свойств почвы
CN2653448Y (zh) * 2003-09-27 2004-11-03 北京迪威尔石油天然气技术开发有限公司 旋转式电容偶合器
CN1846116A (zh) * 2003-07-01 2006-10-11 蒂艾克思股份有限公司 电容型位置传感器和测知方法
CN101893451A (zh) * 2009-05-22 2010-11-24 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 电容式传感器及陀螺仪
CN202793305U (zh) * 2012-08-17 2013-03-13 华侨大学 多环并联式电容位移传感器

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11281460A (ja) * 1998-03-31 1999-10-15 Japan Aviation Electronics Ind Ltd 静電容量式液面レベルセンサ

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1040372A1 (ru) * 1982-01-06 1983-09-07 Всесоюзный научно-исследовательский институт сельскохозяйственной метеорологии Устройство дл исследовани физических свойств почвы
CN1846116A (zh) * 2003-07-01 2006-10-11 蒂艾克思股份有限公司 电容型位置传感器和测知方法
CN2653448Y (zh) * 2003-09-27 2004-11-03 北京迪威尔石油天然气技术开发有限公司 旋转式电容偶合器
CN101893451A (zh) * 2009-05-22 2010-11-24 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 电容式传感器及陀螺仪
CN202793305U (zh) * 2012-08-17 2013-03-13 华侨大学 多环并联式电容位移传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN102840822A (zh) 2012-12-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102840822B (zh) 多环并联式电容位移传感器
US20170003145A1 (en) Electric field time-grating linear displacement sensor based on single row multilayer structure
CN104677390B (zh) 电容式传感器及组合电容式位移测量传感系统
CN102221323B (zh) 一种基于平面电容的六自由度位移测量方法
CN102967408B (zh) 一种具有应力消除作用的电容薄膜压力传感器
CN103344785A (zh) 带自我标定的电容式微惯性传感器
CN202793305U (zh) 多环并联式电容位移传感器
JP2019095407A (ja) 変位検出方式の力検出構造及び力センサ
CN102620864A (zh) 一种基于cmut 的超低量程压力传感器及其制备方法
CN104764904B (zh) 一种三轴压电加速度计
CN101865648B (zh) 高精度电容测微仪
CN107576810A (zh) 摩擦式发电加速度传感器
CN208588319U (zh) 多环并联式电容角位移传感器
CN1651853A (zh) 多自由度电容位移传感器
CN108709493B (zh) 多环并联式电容角位移传感器
CN107462142A (zh) 电容式接触型位移测量传感器及传感系统
CN104459201B (zh) 加速度计
CN103017799B (zh) 一种电容式传感器的感应装置
CN106441058B (zh) 一种单列式二维时栅直线位移传感器
CN104713466B (zh) 高精度差动式多层环形电容测微仪
CN209167629U (zh) 一种单轴宏微运动装置
US9410998B2 (en) Method, system and apparatus for capacitive sensing
CN103743330B (zh) 基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器
CN112815922B (zh) 一种高精度角度传感器敏感结构及其加工方法
CN112815921B (zh) 一种高精度水平敏感结构及其加工方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant