CN107462142A - 电容式接触型位移测量传感器及传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式接触型位移测量传感器及传感系统，该传感器包括：固定部件，包括固定绝缘基底及位于固定绝缘基底上的电容极片组，电容极片组包括各导电极片及覆盖在各导电极片上的固定侧薄膜；运动部件，包括运动绝缘基底和位于运动绝缘基底上的接地极片组，接地极片组包括各导电极片及覆盖在各导电极片上的运动侧薄膜；固定部件与运动部件在垂直于X方向的Z方向上相对布置，且运动部件与固定部件沿X方向接触式滑动配合连接，以使运动侧薄膜与固定侧薄膜在Z方向上的保持零间隙；电容极片组与接地极片组被设置为在运动过程中形成可变电容器。本发明传感器无需针对间隙变化进行补偿设计，有利于简化结构及提升传感器性能。

Description

电容式接触型位移测量传感器及传感系统

技术领域

本发明涉及一种电容式传感器，具体涉及一种基于电容极片正对面积变化来测量位移的电容式接触型位移测量传感器、及基于该种传感器的传感系统。

背景技术

利用平行板电容器的电容变化来测量位移的传感器装置已经被广泛地应用，以电容的变化来测量位移主要有两种方法：一种是间隙变化型的位移传感器，另一种是面积变化型的电容传感器。

上述面积变化型的电容位移传感器存在的问题是：在进行位移测量时，很难避免因间隙变化对位移测量精度造成的影响，而且间隙变化对电容器的电容量的影响是非常敏感的，比如在100μm间隙的电容器中，1μm的变化将会造成百分之一的电容量的变化，并且对于大部分应用场合，百分之一的不确定性误差也是难以接受的。为了解决该技术问题，已有研究的解决方案为通过构建能够形成相互补偿的可变电容器来减小间隙变化对位移测量精度的影响，该种方案由于需要以能够形成相互补充作用为基础，因此不利于做出对传感器其他性能的改进，例如提高分辨率、增大量程、实现绝对位移测量等，这便会限制传感器的适用范围。因此，非常有必要提出一种不需要通过补偿作用来减小甚至消除间隙变化对位移测量精度影响的面积变化型的电容位置传感器。

发明内容

本发明的一个目的在于为了减小甚至消除间隙变化对面积变化型的电容式位移传感器的位移测量精度的影响，提出了一种关于面积变化型的电容式位移传感器的新的技术方案。

根据本发明第一方面，提供了一种电容式接触型位移测量传感器，其包括包括固定部件和运动部件；所述固定部件包括固定绝缘基底和位于所述固定绝缘基底上的电容极片组，所述电容极片组包括各导电极片及覆盖在各导电极片的外表面上的固定侧薄膜；所述运动部件包括运动绝缘基底和位于所述运动绝缘基底上的接地极片组，所述接地极片组包括各导电极片及覆盖在各导电极片的外表面上的运动侧薄膜，且所述接地极片组的所有导电极片均电连接在一起，所述固定侧薄膜与所述运动侧薄膜中的至少一个为绝缘材料薄膜；

所述固定部件与所述运动部件在Z方向上相对布置，且所述运动部件与固定部件沿垂直于所述Z方向的X方向上接触式滑动配合连接，以使所述运动侧薄膜与所述固定侧薄膜在Z方向上保持零间隙；

所述电容极片组与所述接地极片组被设置为：在所述运动部件相对所述固定部件沿X方向运动时形成可变电容器，以通过所述可变电容器输出用于表征所述运动部件沿X方向的位移的信号。

可选的是，所述电容极片组包括四个第一电容极片组，每一所述第一电容极片组由电连接在一起的m个第一导电极片组成；其中两个所述第一电容极片组的第一导电极片在沿X方向的第一排上以Wcs1的间距交替排列，另外两个第一电容极片组的第一导电极片在沿X方向的第二排上以所述Wcs1的间距交替排列；以及，

所述接地极片组包括一个由n个第二导电极片组成的第一接地极片组，所述第一接地极片组的第二导电极片在X方向上以Wg1的间距排列，其中，n小于或者等于m；

所述第一接地极片组和所述四个第一电容极片组被设置为：在所述运动部件从行程起点运动至行程终点的过程中，第一接地极片组与四个第一电容极片组各形成一个可变电容器组，及对应第一排的两个可变电容器组产生第一排差分信号、对应第二排的两个可变电容器组产生第二排差分信号、且第一排差分信号与第二排差分信号的非线性区相互错开。

可选的是，所述第一排上的第一导电极片的起始排列位置与所述第二排上的第一导电极片的起始排列位置相互错开Wss1的距离，以使第一排差分信号与第二排差分信号的非线性区相互错开。

可选的是，所述Wss1＝(Wc1+Wcs1)/2，其中，Wc1为所述第一导电极片在X方向上的宽度。

可选的是，所述Wcs1小于所述第一导电极片在X方向上的宽度Wc1。

可选的是，所述第二导电极片在X方向上的宽度也为Wg1，且Wg1＝Wc1+Wcs1，其中，Wc1为所述第一导电极片在X方向上的宽度。

可选的是，所述固定侧薄膜为氮化硼薄膜或者类金刚石薄膜。

可选的是，所述固定侧薄膜的厚度范围为0.001μm～1000μm。

可选的是，所述运动侧薄膜为石墨烯薄膜或者二硫化钼薄膜。

可选的是，所述m大于2；所述电容极片组还包括四个第三电容极片组，每一所述第三电容极片组由一个第三导电极片组成或者由电连接在一起的两个第三导电极片组成；其中两个所述第三电容极片组的第三导电极片在沿X方向的第三排上以Wcs3的间距交替排列，另外两个第三电容极片组的第三导电极片在沿X方向的第四排上以所述Wcs3的间距交替排列；

在X方向上，位于两端的第一导电极片与对应端的第三导电极片对齐，或者相对对应端的第三导电极片向内缩进；

所述接地极片组还包括由一个第四导电极片组成的第三接地极片组；

所述第三接地极片组和所述四个第三电容极片组被设置为：在所述运动部件从行程起点运动至行程终点的过程中，第三接地极片组与四个第三电容极片组各形成一个可变电容器组，及对应第三排的两个可变电容器组产生第三排差分信号、对应第四排的两个可变电容器组产生第四排差分信号、且第三排差分信号与第四排差分信号的非线性区相互错开。

可选的是，所述第四导电极片在X方向上的宽度Wg3＝Wc3+Wcs3,其中，Wc3为第三导电极片在X方向上的宽度。

可选的是，所述Wcs3小于Wc3。

可选的是，Wc1的取值在0.0001mm～20mm之间，Wcs1的取值在0.00001mm～20mm之间，Wc3和Wcs3的取值范围满足：

Wc3≤2×m×(Wc1+Wcs1)-Wcs1≤4×(Wc3+Wcs3)。

可选的是，所述电容极片组还包括四个第二电容极片组，每一所述第二电容极片组由电连接在一起p个第五导电极片组成；其中两个所述第二电容极片组的第五导电极片在沿X方向的第五排上以Wcs2的间距交替排列，另外两个第二电容极片组的第五导电极片在沿X方向的第六排上以所述Wcs2的间距交替排列；

所述接地极片组包括一个由电连接在一起q个第六导电极片形成的第二接地极片组，所述第二接地极片组的第六导电极片在X方向上等间距排列，且q小于或者等于p，2<p<m；

在X方向上，位于两端的第一导电极片与对应端的第五导电极片对齐，或者相对对应端的第五导电极片向内缩进；

所述第二接地极片组和所述四个第二电容极片组被设置为：在所述运动部件从行程起点运动至行程终点的过程中，所述第二接地极片组与所述四个第二电容极片组各形成一个可变电容器组，及对应第五排的两个可变电容器组产生第五排差分信号、对应第六排的两个可变电容器组产生第六排差分信号、且第五排差分信号与第六排差分信号的非线性区相互错开。

可选的是，Wss2＝(Wc2+Wcs2)/2，其中，Wc2为五导电极片在X方向上的宽度。

可选的是，第五导电极片在X方向上的宽度Wc2的取值在2*(Wc1+Ws1)～500*(Wc1+Ws1)之间，Wcs2的取值在0～Wc2之间。

根据本发明第二方面，提供了一种电容式接触型位移测量传感系统，其包括信号处理装置及根据本发明第一方面所述的传感器，所述传感器的运动部件的所有导电极片电连接在一起，并与所述信号处理装置的地线连接，所述信号处理装置被设置为：根据所述传感器的每一可变电容器组输出的信号计算所述运动部件沿X方向的位移。

本发明的发明人发现，现有技术中存在面积变化型的电容式位移传感器需要通过构建补偿电容来补偿间隙变化对位移测量精度影响，进而导致限制了该种传感器适用范围的问题，因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。

本发明的一个有益效果在于，本发明传感器的电容极片组设置有覆盖于导电极片上的固定侧薄膜，接地极片组设置有覆盖于导电极片上的运动侧薄膜，这样，便可以通过外力作用实现固定部件与运动部件之间的接触式滑动配合连接，以使构建的每一可变电容器的间隙始终等于固定侧薄膜与运动侧薄膜的厚度之和，进而保证每一可变电容器的间隙即使在运动过程中也不会发生变化，实现了无需通过可变电容器之间的补偿作用就能减少甚至消除间隙变化对位移测量精度影响的目的，这说明，在进行本发明传感器的结构设计时，已无需考虑对间隙变化的补偿问题，进而有利于通过提升传感器的性能扩大其适用范围。

附图说明

图1a是根据本发明电容式接触型位移测量传感器的一个实施例的主视示意图；

图1b是图1a所示传感器的俯视示意图；

图1c是图1a所示传感器中固定部件去除固定侧薄膜的俯视示意图；

图1d是图1a所示传感器中运动部件的仰视示意图；

图2a和图2b是图1a所示实施例中固定部件与运动部件产生可变电容器及可变电容器组的电路原理图，图中给出了可变电容器及可变电容器组的编号；

图3是根据本发明的电容式接触型位移测量传感器处理系统的一种实施结构的方框原理图；

图4a是利用图1a所示传感器进行精位移测量的两组信号，该信号是电容经过差比运算后的数据；

图4b是利用图1a所示传感器进行粗位移测量的两组信号，该信号是电容经过差比运算后的数据；

图4c是利用图1a所示传感器进行绝对位移测量的四组信号，具体包括图4a所示的进行精位移测量的两组信号和图4b所示的进行粗位移测量的两组信号。

附图标记说明：

11-1,11-2，…，11-m 表示第一电容极片组11的各第一导电极片；

12-1,12-2，…，12-m 表示第一电容极片组12的各第一导电极片；

13-1,13-2，…，13-m 表示第一电容极片组13的各第一导电极片；

14-1,14-2，…，14-m 表示第一电容极片组14的各第一导电极片；

15-1,15-2，…，15-n 表示第一接地极片组15的各第二导电极片；

16 表示固定绝缘基底；

18 表示运动绝缘基底；

17 表示固定侧薄膜；

19 表示运动侧薄膜；

24-1,24-2，…，24-p 表示第二电容极片组24的各第五导电极片；

25-1,25-2，…，25-p 表示第二电容极片组25的各第五导电极片；

26-1,26-2，…，26-p 表示第二电容极片组26的各第五导电极片；

27-1,27-2，…，27-p 表示第二电容极片组27的各第五导电极片；

28-1 表示第三电容极片组28的第三导电极片；

29-1 表示第三电容极片组29的第三导电极片；

30-1 表示第三电容极片组30的第三导电极片；

31-1,31-2 表示第三电容极片组31的第三导电极片；

32-1,32-2，…，32-q 表示第二接地极片组32的各第六导电极片；

33 表示第三接地极片组/第四导电极片；

100 表示电容式接触型位移测量传感器；

101 表示固定部件(STATOR)；

102 表示运动部件(MOVER)；

C11、C12、C13、C14 分别表示第一电容极片组11、第一电容极片组12、第一电容极片组13、第一电容极片组14分别与第一接地极片组15形成的可变电容器组；

C24、C25、C26、C27 分别表示第二电容极片组24、第二电容极片组25、第二电容极片组26、第二电容极片组27分别与第二接地极片组32形成的可变电容器组；

C28、C29、C30、C31 分别表示第三电容极片组28、第三电容极片组29、第三电容极片组30、第三电容极片组31分别与接地极片33形成的可变电容器组；

110 表示精位移测量信号的非线性区；

120 表示粗位移测量信号的非线性区；

u1,u2 分别表示用于精位移测量的信号曲线；

u3,u4 分别表示用于粗位移测量的信号曲线。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明为了解决面积变化型的电容式位移传感器在进行位移测量时会由于间隙的变化带来较大测量误差的问题，提出了一种能够减小甚至消除该种测量误差的新的传感器结构。

图1a至图1d是根据本发明传感器100的一种实施例的结构示意图。

根据图1a至图1d所示，本发明传感器100包括一个固定部件(STATOR)101和一个运动部件(MOVER)102。

该固定部件101包括固定绝缘基底16及位于固定绝缘基底16上的电容极片组，该电容极片组包括各导电极片及覆盖在各导电极片上的固定侧薄膜17，该固定侧薄膜17一方面用于限制形成的可变电容器的间隙变化，另一方面用于提高相对运动侧薄膜19运动的运动性能。该固定侧薄膜17例如可以是氮化硼薄膜、类金刚石薄膜、石墨烯薄膜、二硫化钼薄膜等，以使固定侧薄膜17还具有较强的耐磨性及利于导滑的光滑表面，进而延长传感器100的使用寿命。该固定侧薄膜的厚度可在0.001μm～1000μm范围内选择，进一步可在0.1μm～200μm范围内选择。

该运动部件102包括运动绝缘基底19和位于运动绝缘基底19上的接地极片组，该接地极片组包括各导电极片及覆盖在各导电极片的外表面上的运动侧薄膜19，且接地极片组的所有导电极片均电连接在一起，并可在电连接一起后引出传感器100的接地端。该运动侧薄膜19一方面用于限制形成的可变电容器的间隙变化，另一方面用于提高相对固定侧薄膜17运动的运动性能。该运动侧薄膜19例如可以为石墨烯薄膜、二硫化钼薄膜、氮化硼薄膜、类金刚石薄膜等。

上述固定侧薄膜17和运动侧薄膜19中至少有一个应该是绝缘材料薄膜，以实现电容极片组与接地极片组之间的电气隔离。

上述固定侧薄膜17可以是单层结构或者多层结构。上述运动侧薄膜19也可以是单层结构或者多层结构。

上述电容极片组可以采用为每一导电极片配置独立的固定侧薄膜17的结构，即对应各导电极片的固定侧薄膜17相互分开，使得导电极片与固定侧薄膜17一一对应，对于该种结构，该固定侧薄膜17可以是绝缘材料薄膜，也可以是导电材料薄膜。上述电容极片组也可以采用图1a所示的为所有导电极片配置一整张固定侧薄膜17的结构，即固定侧薄膜17对应电容极片组的所有导电极片，对于该种结构，该固定侧薄膜17要求是绝缘材料薄膜。

同理，上述接地极片组可以采用图1a所示的为每一导电极片配置独立的运动侧薄膜19的结构，即对应各导电极片的运动侧薄膜17相互分开，使得导电极片与运动侧薄膜19一一对应，对于该种结构，该运动侧薄膜19可以是绝缘材料薄膜，也可以是导电材料薄膜。上述接地极片组也可以采用为所有导电极片配置一整张运动侧薄膜19的结构，即运动侧薄膜19对应接地极片组的所有导电极片，对于该种结构，该运动侧薄膜19要求是绝缘材料薄膜。

固定部件101与运动部件102在垂直于X方向的Z方向上相对布置，且运动部件102与固定部件101沿X方向接触式滑动配合连接，以使运动侧薄膜19与固定侧薄膜17在Z方向上保持零间隙，这说明运动部件102在运动过程中与固定部件101之间形成的每一可变电容器在Z方向上的间隙将始终等于运动侧薄膜19与固定侧薄膜17的厚度之和，这便能够保证每一可变电容器的间隙即使在运动过程中也不会发生变化，实现了无需通过可变电容器之间的补偿作用就能够减少甚至消除间隙变化对位移测量精度影响的目的。

上述接触式滑动配合连接例如可以通过在固定绝缘基底16上或者传感器外壳上形成滑槽，并使运动绝缘基底18与该滑槽滑动配合的结构实现，即通过滑槽的槽壁施加外力，以保证运动侧薄膜19与固定侧薄膜17之间的零间隙。

上述固定极片组和接地极片组被设置为在运动部件102相对固定部件101沿X方向运动时形成可变电容器，以根据可变电容器输出的信号计算运动部件102的位移。

具体地，根据图1a至图1d所示，上述电容极片组可包括四个第一电容极片组11、12、13、14，每一第一电容极片组11、12、13、14由电连接在一起的m个第一导电极片组成，其中，组成第一电容极片组11的m个第一导电极片分别为11-1，11-2，…，11-m；组成第一电容极片组12的m个第一导电极片分别为12-1，12-2，…，12-m；组成第一电容极片组13的m个第一导电极片分别为13-1，13-2，…，13-m；组成第一电容极片组14的m个第一导电极片分别为14-1，14-2，…，14-m。

其中两个第一电容极片组13、14的第一导电极片在沿X方向的第一排上以Wcs1的间距交替排列，另外两个第一电容极片组11、12的第一导电极片在沿X方向的第二排上同样以Wcs1的间距交替排列。本文中提到的各排的序号并不意于限制各排之间的排序，而是用于通过不同的序号表示不同的排。

上述接地极片组包括一个由n个第二导电极片组成的第一接地极片组15，n个第二导电极片分别为15-1,15-2，…，15-n，且n个第二导电极片15-1,15-2，…，15-n在X方向上以Wg1的间距排列，其中，n应该小于或者等于m。

上述第一接地极片组15和四个第一电容极片组11、12、13、14被设置为：在运动部件102从行程起点运动至行程终点的过程中，第一接地极片组15与四个第一电容极片组11、12、13、14各形成一个可变电容器组C11、C12、C13、C14，具体请参见图2a和图2b，对应第一排的两个可变电容器组C13、C14产生第一排差分信号、对应第二排的两个可变电容器组C11、C12产生第二排差分信号、且第一排差分信号与第二排差分信号的非线性区相互错开，这说明第一排差分信号与第二排差分信号之间存在能够使得二者的非线性区相互错开的相位差，该相互错开即为第一排差分信号的非线性区对应第二排差分信号的线性区，而第二排差分信号的非线性区则对应第一排差分信号的线性区，这便可以在整个量程范围内实现位移的精确测量。在此，本文提及的各排差分信号具体用于限定对应的接地极片组与电容极片组的设置结构，并不意于限定对传感器100产生的信号的处理方式。

上述非线性区主要是由于相邻第一导电极片之间存在间隙而产生的，由于在该区域信号值的变化与运动部件的位移变化呈非线性关系，因此无法根据该区域的信号值进行位移的精确计算，基于该原因，本领域也将该非线性区称之为测量死区。

为了使得第一排差分信号与第二排差分信号的非线性区能够相互错开，可以参照图1c所示，将第一排上的第一导电极片的起始排列位置(即第一导电极片14-1的位置)与第二排上的第一导电极片的起始排列位置(即第一导电极片11-1的位置)相互错开Wss1的距离，该种结构对于m较大，例如大于或者等于10，进而使得第一导电极板在X方向上的宽度较小的实施例更具有优势。也可以采用将第一导电极片14-1分割为两个部分，并将第一导电极片14-1的一部分与第一导电极片11-1对齐，及将另一部分排列在第一导电极片14-m的后方的结构，该种结构对于m较小的实施例更具有优势。

另外，通过该种非线性区相互错开的结构也使得本发明传感器100能够在提供大量程的情况下仍然能够具有较高的分辨率，进而实现精位移测量，这可以在相同量程下增加m值，进而减小第一排差分信号和第二排差分信号的周期T1来实现，即通过减小第一导电极片在X方向上的宽度Wc1和/或间距Wcs1，并对应地调整第二导电极片在X方向上的宽度和间距Wg1实现。这样，在运动部件102从行程起点运动至行程终点的过程中，产生的第一排差分信号和第二排差分信号将为持续多个周期T1的周期性变化信号，而且相同量程下，m值越大，分辨率也将越高，具体请参见图4a中对可变电容器组C13、C14输出的信号进行差比运算得到的精位移测量信号的曲线U1及对可变电容器组C11、C12输出的信号进行差比运算得到的精位移测量信号的曲线U2，其中U1和U2的死区110相互错开。

由于曲线U1和曲线U2在整个运动行程范围内呈现周期性变化，因此，对于该种精位移测量，只能测量运动部件102在X方向上的相对位移，而无法测量运动部件101在X方向上的绝对位移。

但如果将m限制为1或者2，并将n限制为1，进而使得对可变电容器组C13、C14输出的信号进行差比运算得到的位移测量信号的曲线将呈现类似图4b所示的小于或者等于一个变化周期，该种结构便能够实现绝对位置测量。对于该种绝对位置测量，为了实现图4a所示的量程，必然损失分辨率，进而只能实现粗位移测量。

为了解决上述说明的大量程、高分辨率、绝对位移测量无法同时实现的问题，本发明在图1a至图1d所示的实施例中，采用了结合上述精位移测量和粗位移测量的结构，具体为：

一方面，设置m大于2，例如m大于或者等于10，以利用可变电容器组C11、C12、C13、C14产生的信号进行高分辨率的精位移测量。这样，例如通过对可变电容器组C13、C14输出的信号进行差比运算便可得到的如图4a所示的精位移测量信号的曲线U1、及对可变电容器组C11、C12输出的信号进行差比运算得到的精位移测量信号的曲线U2。

另一方面，上述电容极片组还包括四个第三电容极片组28、29、30、31，每一第三电容极片组28、29、30、31由一个第三导电极片组成，或者由电连接在一起的两个第三导电极片组成；其中两个第三电容极片组28、29的第三导电极片28-1、28-9在沿X方向的第三排上以Wcs3的间距交替排列，另外两个第三电容极片组30、31的第三导电极片30-1、31-1在沿X方向的第四排上同样以Wcs3的间距交替排列。对应地，上述接地极片组还包括由一个第四导电极片组成的第三接地极片组33。

上述第三接地极片组33和四个第三电容极片组28、29、30、31被设置为：在运动部件102从行程起点运动至行程终点的过程中，第三接地极片组33与四个第三电容极片组28、29、30、31各形成一个可变电容器组C28、C29、C30、C31，对应第三排的两个可变电容器组C28、C29产生第三排差分信号、对应第四排的两个可变电容器组C30、C31产生第四排差分信号、且第三排差分信号与第四排差分信号的非线性区相互错开。这样，便能够通过对可变电容器组C28、C29输出的信号进行差比运算得到的如图4b所示的粗位移测量信号的曲线U3、及对可变电容器组C30、C31输出的信号进行差比运算得到的粗位移测量信号的曲线U4。

在此，由于第三导电极片相对第一导电极片较宽，因此，在本实施例中，根据图1c所示，可以采用将第三导电极片31-1分割为两部分的结构，以实现第三排差分信号与第四排差分信号的非线性区的相互错开。

参照图4c，由于粗位移测量信号至多只产生一个周期，因此，根据当前粗测量信号值将能够唯一确定当前精测量信号值所在的周期，进而实现高分辨率、大量程和绝对位置测量。

为了能够在全量程范围内实现高分辨率的绝对位置测量，在X方向上，位于两端的第一导电极片应该与对应端的第三导电极片对齐，或者相对对应端的第三导电极片向内缩进，以使曲线U1和U2的产生时间段在曲线U3和U4的产生时间段内，进而使得任一当前经测量信号值均能根据当前粗测量信号值确定所在周期。对于图1a至图1d所示实施例，即第一导电极片11-1与第三导电极片28-1对齐，或者相对第三导电极片28-1向内(对应图1c的右侧)缩进，而第一导电极片14-m与第三导电极片29-1对齐，或者相对第三导电极片29-1向内(对应图1c的左侧)缩进。

对于上述的结合粗位移测量和精位移测量的结构，分辨率的提升以能够根据当前粗位移信号值准确确定当前精位移测量值所在周期为要求，如果分辨率提升至由于运动部件102的运动使得精位移测量值实际已经由曲线U1或者U2上的一点跳变至下一周期的另一点，而粗位移测量值还未发生变化，或者根据变化后的当前粗位移测量值仍然确定的是上一周期，则将无法实现准确的绝对位移测量。

为了能够在进一步提升分辨率时仍能实现准确的绝对位移测量，本发明实施例在结合粗位移测量和精位移测量的基础上，还可以增加进行中位移测量的结构，具体为：

参照图1c所示，上述电容极片组还包括四个第二电容极片组24、25、26、27，每一第二电容极片组由电连接在一起p个第五导电极片组成，其中，组成第二电容极片组24的p个第五导电极片分别为24-1，24-2，…，24-p；组成第二电容极片组25的p个第五导电极片分别为25-1，25-2，…，25-p；组成第二电容极片组26的p个第五导电极片分别为26-1，26-2，…，26-p；组成第二电容极片组27的p个第五导电极片分别为27-1，27-2，…，27-p；其中两个第二电容极片组24、25的第五导电极片在沿X方向的第五排上以Wcs2的间距交替排列，另外两个第二电容极片组26、27的第五导电极片在沿X方向的第六排上以所述Wcs2的间距交替排列。

对应地，上述接地极片组包括一个由电连接在一起q个第六导电极片形成的第二接地极片组32，第二接地极片组32的第六导电极片在X方向上等间距排列，其中，q小于或者等于p，p大于2且小于m。

第二接地极片组32和四个第二电容极片组24、25、26、27被设置为：在运动部件102从行程起点运动至行程终点的过程中，第二接地极片组32与四个第二电容极片组24、25、26、27各形成一个可变电容器组C24、C25、C26、C27，对应第五排的两个可变电容器组C24、C25产生第五排差分信号、对应第六排的两个可变电容器组C26、C27产生第六排差分信号、且第五排差分信号与第六排差分信号的非线性区相互错开。

由于中位移测量中p的数值一般也设置较大，因此，在图1a-图1d所示实施例中，通过将第五排上的第五导电极片的起始排列位置(即第五导电极片24-1的位置)与第六排上的第五导电极片的起始排列位置(即第五导电极片26-1的位置)相互错开Wss2的距离，实现非线性区的相互错开。

这样，由于中位移测量的分辨率低于精位移测量的分辨率，但高于粗位移测量的分辨率，因此，在更高分辨率的应用中，可以通过当前粗测量信号值确定当前中位移测量值所在周期，再根据当前中位移测量值所在周期确定当前精位移测量值所在周期，进而实现在更高分辨率的应用中准确进行绝对位移测量的目的。

同样是为了能够在全量程范围内实现更高分辨率的绝对位置测量，在X方向上，位于两端的第一导电极片应该与对应端的第五导电极片对齐，或者相对对应端的第五导电极片向内缩进。对于图1a至图1d所示实施例，即第一导电极片11-1与第五导电极片24-1对齐，或者相对第五导电极片24-1向内(对应图1c的右侧)缩进，而第一导电极片14-m与第五导电极片27-p对齐，或者相对第五导电极片27-p向内(对应图1c的左侧)缩进。

在此，为了能够较为全面地说明本发明传感器支持的性能改善，图1a至图1d所示实施例中同时设置了位移测量结构、中位移测量结构和粗位移测量结构，该种传感器能够具有非常大的适用范围，这只需根据应用场合采用合适的信号处理方式即可，但本领域技术人员应当清楚的是，本发明传感器可以根据需要单独设置任一种结构或者设置其中的任意两种结构。

另外，图1a至图1d所示实施例虽然给了了三级测量结构，但是，基于相同的原理，本发明传感器100也可以设置两个(包括两个)以上的中位移测量结构，且各中位移测量结构的分辨率在粗位移测量结构与精位移测量结构之间逐级提高，即各中位移测量结构的电容极片组的导电极片数量在2与m之间逐级增加，相邻中间级之间可以相差相同数量的导电极片，也可以相差不同数量的导电极片，进而实现大量程、极高分辨率的绝对位置测量。

对于上述精位移测量结构，可使间距Wcs1小于第一导电极片在X方向上的宽度Wc1，以减小非线性区的范围。可使相互错开的距离Wss1＝(Wc1+Wcs1)/2，以使第一排差分信号与第二排差分信号之间相差90度相位差，进而充分保证非线性区的相互错开。可使Wg1＝Wc1+Wcs1，且第二导电极片在X方向上的宽度也为Wg1，同样可以减小非线性区的范围。

对于上述中位移测量结构，可使间距Wcs2小于五导电极片在X方向上的宽度Wc2，以减小非线性区的范围。可使相互错开的距离Wss2＝(Wc2+Wcs2)/2，以充分保证对应的非线性区相互错开。可使第五导电极片在X方向上的宽度Wc2的取值在2×(Wc1+Wcs1)～500×(Wc1+Wcs1)之间，以获得较好的中位移测量效果。

对于上述粗位移测量结构，可使间距Wcs3小于第三导电极片在X方向上的宽度Wcs，以减小非线性区的范围。可使第四导电极片在X方向上的宽度等于间距Wg3，且Wg3＝Wc3+Wcs3，且第四导电极片在X方向上的宽度也为Wg3，同样可以减小非线性区的范围。可使Wc1的取值在0.0001mm～20mm之间，进一步在0.01mm～20mm之间，Wcs1的取值在0.00001mm～20mm之间，进一步在0.0005mm～20mm之间，Wc3和Wcs3的取值范围满足Wc3≤2×m×(Wc1+Wcs1)-Wcs1≤4×(Wc3+Wcs3)，以获得较好的粗位移测量效果。上述所有导电极片优选采用平整的方形极片，例如平面矩形极片，以进一步减少非线性区的范围。

另外，在图1a至图1d所示的实施例中，Lg1>Lc1,Lg2>Lc2,Lg3>Lc3，其中，Lg1、Lg2和Lg3分别为第二导电极片的长度、第六导电极片的长度和第四导电极片的长度，Lc1、Lc2和Lc3分别为第一导电极片的长度、第五导电极片的长度和第三导电极片的长度，目的是为了消除运动部件102在非移动方向上由于微小的运动而造成电容器正对面积的变化。

下面说明本发明传感器100的位移测量原理：

参考图1b，第一电容极片组11与第一接地极片组15之间的重叠宽度记为X1，则其重叠面积等于n×Lcl×X1，第一电容极片组12与第一接地极片组15之间的重叠面积为n×Lc1×(Wg1-Wcs1-X1)；第一电容极片组13与第一接地极片组15之间的重叠宽度记为X2，则其重叠面积等于n×Lcl×X2，第一电容极片组14与第一接地极片组15之间的重叠面积为n×Lc1×(Wg1-Wcs1-X2)；第二电容极片组24与第二接地极片组32之间的重叠宽度记为X3，则其重叠面积等于q×Lc2×X3，第二电容极片组25与第二接地极片组32之间的重叠面积为q×Lc2×(Wg2-Wcs2-X3)；第二电容极片组26与第二接地极片组32之间的重叠宽度记为X4，则其重叠面积等于q×Lc2×X4，第二电容极片组27与第二接地极片组32之间的重叠面积为q×Lc2×(Wg2-Wcs2-X4)；第三电容极片组28与第三接地极片组33之间的重叠宽度记为X5，则其重叠面积等于Lc3×X5，第三电容极片组29与第三接地极片33之间的重叠面积为Lc3×(Wg3-Wcs3-X5)；第三电容极片组30与第三接地极片组33之间的重叠宽度记为X6，则其重叠面积等于Lc3×X6，第三电容极片组31与第三接地极片组33之间的重叠面积为Lc3×(Wg3-Wcs3-X6)。

上述电容的重叠面积变化与运动部件102沿X方向的位移为线性关系，由此可以通过位移的变化表示重叠面积的变化，而重叠面积的变化与所引起的电容的变化成正比，因此位移的变化与电容的变化成正比关系。

如图2a和2b所示，为运动部件102在运动时和固定部件101形成的电容器模型。形成了可变电容器组C11、C12、C13、C14、C24、C25、C26、C27、C28、C29、C30和C31，其中C11和C12构成差分补偿，C13和C14构成差分补偿，C24和C25构成差分补偿，C26和C27构成差分补偿，C28和C29构成差分补偿，C30和C31构成差分补偿。

图3示出了本发明的传感器系统的方框原理图。

根据图3所示，该系统除上述传感器100外，还包括信号处理装置，信号处理装置可进一步包括电容采集电路U301、运算模块U302、位移计算模块U303和显示模块U304，具体通过电容采集电路U301实现可变电容器C11、C12、C13、C14、C24、C25、C26、C27、C28、C29、C30和C31产生的信号的采集，通过运算模块U302对采集到的信号进行处理，通过位移计算模块U303根据处理后的信号计算位移，并通过显示模块U304进行位移的输出和显示。

上述运算模块U302可以根据信号的质量采用以下三种处理方式中的一种对采集到的信号进行处理，三种具体处理方式分别为：

(1)差运算，即(C12-C11)，(C25-C24)，(C29-C28)，(C14-C13)，(C27-C26)，(C31-C30)。

(2)差比运算，即(C12-C11)/(C12+C11)，(C25-C24)/(C25+C24)，(C29-C28)/(C29+C28)，(C14-C13)/(C14+C13)，(C27-C26)/(C27+C26)，(C31-C30)/(C31+C30)。

(3)比运算，C12/C11，C25/C24，C29/C28，C14/C13，C27/C26，C31/C30。

图4a是利用图1a所示传感器进行精位移测量的两组信号，该信号是电容经过差比运算后的数据。

参考图4a，运动部件102和固定部件101形成的两条用于精测量的周期性信号曲线u1和u2，该信号分别是经过(C12-C11)/(C12+C11)和(C14-C13)/(C14+C13)计算得出。信号曲线u1的周期和信号曲线u2的周期相同。图中示出了信号曲线u1的死区110，曲线u1死区以外的信号值与位移具有很高的线性度，可以用来精确计算位移，死区部分的信号则无法精确计算出位移。为了使死区部分的位移能够精确计算，引入了曲线u2，曲线u2与曲线u1的相位相差四分之一周期。当曲线u1的信号位于死区时，曲线u2的信号与位移具有很高的线性度，当曲线u2的信号位于死区时，曲线u1的信号与位移具有很高的线性度。如此交替的通过信号值计算位移，理论上可以实现无穷大的位移计算，并且能够实现位移的高分辨率，增量式位移测量。

图4b是利用图1a所示传感器进行粗位移测量的两组信号，该信号是电容经过差比运算后的数据。

参考图4b，运动部件102和固定部件101形成的两条用于粗测量的信号曲线u3和u4，信号分别是经过(C29-C28)/(C29+C28)和(C31-C30)/(C31+C30)计算得出。同样，可以认为信号曲线u3的和信号曲线u4具有周期性，并且周期相同，它们的相位相差四分之一周期。图中示出了信号曲线u3和u4的死区120，曲线u3和u4死区以外的信号与位移具有很高的线性度。当曲线u3的信号位于死区时，曲线u4的信号与位移具有很高的线性度，当曲线u4的信号位于死区时，曲线u3的信号与位移具有很高的线性度。曲线u3和曲线u4的组合可以通过曲线信号唯一地计算出位移，但是当位移较大时，位移的分辨率低。

图4c是利用图1a所示传感器进行绝对位移测量的四组信号，具体包括图4a所示的进行精位移测量的两组信号和图4b所示的进行粗位移测量的两组信号。

参考图4c，将曲线u1、曲线u2、曲线u3和曲线u4进行组合，不仅可以获得曲线u1和曲线u2组合得到位移的高精度、大量程特性，而且可以获得曲线u3和曲线u4组合得到位移的绝对性，从而实现位移的绝对式、高精度、大量程的测量。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，而且各个实施例可以根据需要单独使用或者相互结合使用。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种电容式接触型位移测量传感器(100)，其特征在于，包括固定部件(101)和运动部件(102)；所述固定部件(101)包括固定绝缘基底(16)和位于所述固定绝缘基底(16)上的电容极片组，所述电容极片组包括各导电极片及覆盖在各导电极片的外表面上的固定侧薄膜(17)；所述运动部件(102)包括运动绝缘基底(18)和位于所述运动绝缘基底(18)上的接地极片组，所述接地极片组包括各导电极片及覆盖在各导电极片的外表面上的运动侧薄膜(19)，且所述接地极片组的所有导电极片均电连接在一起，所述固定侧薄膜(17)与所述运动侧薄膜(19)中的至少一个为绝缘材料薄膜；

所述固定部件(101)与所述运动部件(102)在Z方向上相对布置，且所述运动部件(102)与固定部件(101)沿垂直于所述Z方向的X方向接触式滑动配合连接，以使所述运动侧薄膜(19)与固定侧薄膜(17)在Z方向上保持零间隙；

所述电容极片组与所述接地极片组被设置为：在所述运动部件(102)相对所述固定部件(101)沿X方向运动时形成可变电容器，以通过所述可变电容器输出用于表征所述运动部件(102)沿X方向的位移的信号。

2.根据权利要求1所述的传感器(100)，其特征在于，

所述电容极片组包括四个第一电容极片组(11、12、13、14)，每一所述第一电容极片组(11、12、13、14)由电连接在一起的m个第一导电极片组成；其中两个所述第一电容极片组(13、14)的第一导电极片在沿X方向的第一排上以Wcs1的间距交替排列，另外两个第一电容极片组(11、12)的第一导电极片在沿X方向的第二排上以所述Wcs1的间距交替排列；以及，

所述接地极片组包括一个由n个第二导电极片组成的第一接地极片组(15)，所述第一接地极片组(15)的第二导电极片在X方向上以Wg1的间距排列，其中，n小于或者等于m；

所述第一接地极片组(15)和所述四个第一电容极片组(11、12、13、14)被设置为：在所述运动部件(102)从行程起点运动至行程终点的过程中，第一接地极片组(15)与四个第一电容极片组(11、12、13、14)各形成一个可变电容器组(C11、C12、C13、C14)，及对应第一排的两个可变电容器组(C13、C14)产生第一排差分信号、对应第二排的两个可变电容器组(C11、C12)产生第二排差分信号、且第一排差分信号与第二排差分信号的非线性区相互错开。

3.根据权利要求2所述的传感器(100)，其特征在于，所述第一排上的第一导电极片的起始排列位置与所述第二排上的第一导电极片的起始排列位置相互错开Wss1的距离，以使第一排差分信号与第二排差分信号的非线性区相互错开；

优选地，所述Wss1＝(Wc1+Wcs1)/2，其中，Wc1为所述第一导电极片在X方向上的宽度。

4.根据权利要求2所述的传感器(100)，其特征在于，所述Wcs1小于所述第一导电极片在X方向上的宽度Wc1；

和/或，所述第二导电极片在X方向上的宽度也为Wg1，且Wg1＝Wc1+Wcs1，其中，Wc1为第一导电极片在X方向上的宽度。

5.根据权利要求1所述的传感器(100)，其特征在于：所述固定侧薄膜(17)为氮化硼薄膜或者类金刚石薄膜；

和/或，所述运动侧薄膜(19)为石墨烯薄膜或者二硫化钼薄膜；

和/或，所述固定侧薄膜的厚度范围为0.001μm～1000μm。

6.根据权利要求2至4中任一项所述的传感器(100)，其特征在于，所述m大于2；

所述电容极片组还包括四个第三电容极片组(28、29、30、31)，每一所述第三电容极片组(28、29、30、31)由一个第三导电极片组成或者由电连接在一起的两个第三导电极片组成；其中两个所述第三电容极片组(28、29)的第三导电极片在沿X方向的第三排上以Wcs3的间距交替排列，另外两个第三电容极片组(30、31)的第三导电极片在沿X方向的第四排上以所述Wcs3的间距交替排列；

在X方向上，位于两端的第一导电极片(11-1,14-m)与对应端的第三导电极片(28-1，29-1)对齐，或者相对对应端的第三导电极片(28-1，29-1)向内缩进；

所述接地极片组还包括由一个第四导电极片组成的第三接地极片组(33)；

所述第三接地极片组(33)和所述四个第三电容极片组(28、29、30、31)被设置为：在所述运动部件(102)从行程起点运动至行程终点的过程中，第三接地极片组(33)与四个第三电容极片组(28、29、30、31)各形成一个可变电容器组(C28、C29、C30、C31)，及对应第三排的两个可变电容器组(C28、C29)产生第三排差分信号、对应第四排的两个可变电容器组(C30、C31)产生第四排差分信号、且第三排差分信号与第四排差分信号的非线性区相互错开。

7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述第四导电极片在X方向上的宽度Wg3＝Wc3+Wcs3，其中，Wc3为第三导电极片在X方向上的宽度；或者所述Wcs3小于Wc3；或者Wc1的取值在0.0001mm～20mm之间，Wcs1的取值在0.00001mm～20mm之间，Wc3和Wcs3的取值范围满足Wc3≤2×m×(Wc1+Wcs1)-Wcs1≤4×(Wc3+Wcs3)，其中，Wc1和Wc3分别为第一导电极片和第三导电极片在X方向上的宽度。

8.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述电容极片组还包括四个第二电容极片组(24、25、26、27)，每一所述第二电容极片组(24、25、26、27)由电连接在一起p个第五导电极片组成；其中两个所述第二电容极片组(24、25)的第五导电极片在沿X方向的第五排上以Wcs2的间距交替排列，另外两个第二电容极片组(26、27)的第五导电极片在沿X方向的第六排上以所述Wcs2的间距交替排列；

所述接地极片组包括一个由电连接在一起q个第六导电极片形成的第二接地极片组(32)，所述第二接地极片组(32)的第六导电极片在X方向上等间距排列，其中，q小于或者等于p，且2<p<m；

在X方向上，位于两端的第一导电极片(11-1,14-m)与对应端的第五导电极片(24-1,27-p)对齐，或者相对对应端的第五导电极片(24-1,27-p)向内缩进；

所述第二接地极片组(32)和所述四个第二电容极片组(24、25、26、27)被设置为：在所述运动部件(102)从行程起点运动至行程终点的过程中，所述第二接地极片组(32)与所述四个第二电容极片组(24、25、26、27)各形成一个可变电容器组(C24、C25、C26、C27)，及对应第五排的两个可变电容器组(C24、C25)产生第五排差分信号、对应第六排的两个可变电容器组(C26、C27)产生第六排差分信号、且第五排差分信号与第六排差分信号的非线性区相互错开。

9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述第五排上的第五导电极片的起始排列位置与所述第六排上的第五导电极片的起始排列位置相互错开Wss2的距离，以使第五排差分信号与第六排差分信号的非线性区相互错开；

和/或，Wss2＝(Wc2+Wcs2)/2，其中，Wc2为五导电极片在X方向上的宽度；

和/或，所述第五导电极片在X方向上的宽度Wc2的取值在2×(Wc1+Wcs1)～500×(Wc1+Wcs1)之间，Wcs2的取值在0～Wc2之间。

10.一种电容式接触型位移测量传感系统，其特征在于：包括信号处理装置及权利要求1至9中任一项所述的传感器(100)，所述传感器(100)的运动部件(102)的所有导电极片电连接在一起，并与所述信号处理装置的地线连接，所述信号处理装置被设置为：根据所述传感器(100)的每一可变电容器组输出的信号计算所述运动部件(102)沿X方向的位移。