CN113720249A - 一种高精度大量程电容位移传感器 - Google Patents

一种高精度大量程电容位移传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN113720249A
CN113720249A CN202111074203.1A CN202111074203A CN113720249A CN 113720249 A CN113720249 A CN 113720249A CN 202111074203 A CN202111074203 A CN 202111074203A CN 113720249 A CN113720249 A CN 113720249A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode
measuring
electrodes
sensor
range
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.)
Pending
Application number
CN202111074203.1A
Other languages
English (en)
Inventor
赵辉
吕娜
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.)
Shanghai Zhaosheng Sensor Technology Co ltd
Original Assignee
Shanghai Zhaosheng Sensor Technology Co ltd
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 Shanghai Zhaosheng Sensor Technology Co ltd filed Critical Shanghai Zhaosheng Sensor Technology Co ltd
Priority to CN202111074203.1A priority Critical patent/CN113720249A/zh
Publication of CN113720249A publication Critical patent/CN113720249A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/02—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/02—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B7/023—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring distance between sensor and object

Landscapes

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

Abstract

本发明提供一种高精度大量程电容位移传感器，采用“七环四电极”结构形式，测量电极用于测量与被测目标之间的距离和位移；参考电极用于对于环境空气的温度、湿度变化对测量的影响进行补偿，同时可以有效抑制激励电源的波动以及空间电磁场的干扰，显著增大测量范围；保护电极用于克服电场不均匀性的影响，显著增大测量范围；屏蔽电极用于屏蔽环境空间的电磁信号，克服空间电磁场的干扰；绝缘环用于将电极之间绝缘开来。前置放大器嵌入传感器测头之中、形成“一体化集成测头”，传感器测头输出的数字信号通过屏蔽电缆接入高性能测量仪。该传感器具有量程大、精度高、稳定性好的显著优势，而且成本低、易于实现，具有更广泛的实用性和通用性。

Description

一种高精度大量程电容位移传感器
技术领域
本发明涉及一种位移传感器。具体地，是一种高精度大量程电容位移传感器。
背景技术
电容位移传感器是一种非接触精密位移测量仪器，除了具有一般非接触式传感器所共有的无磨擦、无损磨和无惰性等特点之外，还具有结构简单、信噪比高、灵敏度高、零漂小、频响宽、非线性小、精度稳定、抗电磁干扰能力强和使用操作方便等优点。因此，电容式位移传感器是一种用途极广、很有发展潜力的传感器。
但是，电容位移传感器也存在一些自身的缺陷，主要体现在：输出阻抗高、负载能力差：寄生电容影响大，使传感器处于不稳定的工作状态．影响测量准确度；量程比较小，一般常为mm级，变极距式电容位移传感器由于存在明显的非线性，其测量范围尤为受限。
目前国内的电容位移传感器市场基本上被国外品牌所垄断，主要代表企业为德国Micro & Epsilon（米铱）和美国MTI Instruments两家。目前国内个别企业也陆续推出自己的电容位移传感器产品，其中有代表性的是三英精控（天津）仪器设备有限公司和北京鹏程智远科技有限公司等。但是，这些电容位移传感器的缺陷依然很明显：量程过短（mm级）、线性度差（不足0.1%FS），稳定性指标更是难于给出给出，将使得用户信心不足。
通过精度分析可知，电容位移传感器的系统误差远远大于随机误差，比例约为2:1，因而成为主因。其中，温度波动影响最大、占比约20%，其次是电场均匀性、非线性、寄生电容和电磁干扰，各占约15%。这也是电容位移传感器领域的瓶颈问题，急需解决和突破。
发明内容
本发明针对现有电容位移传感器存在的精度低量程小的缺陷，提出一种高精度大量程电容位移传感器方法，传感器测头采用“七环四电极”结构形式，由4个环形电极和3个绝缘环组成。其中，测量电极用于测量与被测目标之间的距离和位移；参考电极用于对于环境空气的温度、湿度变化对测量的影响进行补偿，同时可以有效抑制激励电源的波动以及空间电磁场的干扰，显著增大测量范围；保护电极用于克服电场不均匀性的影响，显著增大测量范围；屏蔽电极用于屏蔽环境空间的电磁信号，克服空间电磁场的干扰；绝缘环用于将电极之间绝缘开来。与此同时，将常规的测量系统的前置放大器嵌入传感器测头之中、形成“一体化集成测头”，传感器测头输出的数字信号通过屏蔽电缆后接入高性能的数字化测量仪。该传感器具有量程大、精度高、稳定性好的显著优势，而成本低、易于实现，具有更广泛的实用性和通用性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明的高精度大量程电容位移传感器的特殊之处在于，所述的传感器测头由测量电极、参考电极、保护电极、屏蔽电极、绝缘环和前置电路等几个部分，其中：
所述的测量电极共1个，为圆形，位于传感器测头的前端，处于中心位置；测量电极与被测目标形成测量电容，用于测量目标的距离和位移；测量电极与参考电极形成参考电容，用于对测量电容的变化进行补偿和修正，显著增加线性测量范围；
所述的参考电极共1个，为圆形，位于传感器测头的后端，与测量电极同心布置并保持一定距离，处于中心位置，与测量电极形成参考电容，用于对于环境空气的温度、湿度变化对测量产生的影响进行补偿，同时可以有效抑制激励电源的波动以及空间电磁场的干扰；
所述的保护电极共1个，为圆环形电极，位于传感器测头的前端，处于测量电极外周，用于克服电场不均匀性的影响，显著增大测量范围；
所述的屏蔽电极共1个，为圆筒形，位于保护电极外周及整个传感器外侧，轴向长度覆盖测量电极和参考电极，采用导电材料制作，用于屏蔽环境空间的电磁信号，克服空间电磁场的干扰，显著提高传感器的稳定性和抗干扰能力；
所述的绝缘环共3个，均为圆环形，分别处于测量电极与保护电极之间、保护电极与屏蔽电极之间、参考电极与屏蔽电极之间，采用绝缘材料制作，用于将各个电极之间绝缘开来，保证电极独立正常工作；
所述的前置电路为双通道、高灵敏度、小尺寸的电容转换器，其输入端直接与测量电极和参考电极相连，最大限度减小寄生电容的影响。
本发明的高精度大量程电容位移传感器的特殊之处还在于，所述的参考电极与测量电极之间的距离与传感器的位移测量量程相等或者接近。
本发明的高精度大量程电容位移传感器的特殊之处还在于，所述的测量电极为夹心式结构的双面电极，前面电极与背面电极为金属薄膜，中间基体为具有一定厚度的绝缘材料。
本发明的高精度大量程电容位移传感器的特殊之处还在于，所述的前置电路由振荡器、整形器、接口等单元组成；其中，振荡器共有两个，分别与测量电容的两个电极和参考电容的两个电极连接；振荡器将电容的变化转换为脉冲信号输出；整形器共有2个，每个整形器对应一个振荡器，用于将振荡器输出的脉冲信号进行整形，一般提高测量精度；接口为1个，用于将两路脉冲信号通过电缆传输到后续的测量系统之中，进行数据处理，最终获得位移测量结果。
附图说明
图1是本发明的高精度大量程电容位移传感器结构组成示意图；
图2是本发明的参考电极与测量电极之间的距离示意图；
图3是本发明的测量电极的组成结构示意图
图4是本发明的电极与前置电路的连接原理示意图
图中，1-测量电极，2-参考电极，3-保护电极，4-屏蔽电极，5-绝缘环，6-前置电路，7-被测目标，8-振荡器，9-A/D转换器，10-接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明的高精度大量程电容位移传感器的特殊之处在于，所述的传感器测头由测量电极1、参考电极2、保护电极3、屏蔽电极4、绝缘环5和前置电路6等几个部分，如图1所示，其中：
所述的测量电极1共1个，为圆形，位于传感器测头的前端，处于中心位置；测量电极1与被测目标7形成测量电容CM，用于测量目标7的距离和位移；测量电极1与参考电极2形成参考电容CR，用于对测量电容CM的变化进行补偿和修正，显著增加线性测量范围；
所述的参考电极2共1个，为圆形，位于传感器测头的后端，与测量电极1同心布置并保持一定距离，处于中心位置，与测量电极1形成参考电容，用于对于环境空气的温度、湿度变化对测量产生的影响进行补偿，同时可以有效抑制激励电源的波动以及空间电磁场的干扰；
所述的保护电极3共1个，为圆环形，位于传感器测头的前端，处于测量电极1的外周，用于克服电场不均匀性的影响，显著增大测量范围；
所述的屏蔽电极4共1个，为圆筒形，位于保护电极3的外周及整个传感器外侧，轴向长度覆盖测量电极1和参考电极2，采用导电材料制作，用于屏蔽环境空间的电磁信号，克服空间电磁场的干扰，显著提高传感器的稳定性和抗干扰能力；
所述的绝缘环5共3个，均为圆环形，分别处于测量电极1与保护电极3之间、保护电极3与屏蔽电极4之间、参考电极2与屏蔽电极4之间，采用绝缘材料制作，用于将各个电极之间绝缘开来，保证电极独立正常工作；
所述的前置电路6为双通道、高灵敏度、小尺寸的电容转换器，其输入端直接与测量电极1和参考电极2相连，最大限度减小寄生电容的影响。
本发明的高精度大量程电容位移传感器的特殊之处还在于，所述的参考电极2与测量电极1之间的距离与传感器的位移测量量程相等或者接近；如图2所示，d=R，或者d≈R。
本发明的高精度大量程电容位移传感器的特殊之处还在于，所述的测量电极1为夹心式结构的双面电极，前面电极1f与背面电极1b为金属薄膜，中间基体1c为具有一定厚度的绝缘材料。
本发明的高精度大量程电容位移传感器的特殊之处还在于，所述的前置电路6由振荡器8、整形器9、接口10等单元组成，如图4所示；其中，振荡器8共有两个（8M和8R），分别与测量电容CM的两个电极（测量电极1的前面电极1f与地）和参考电容CR的两个电极（测量电极1的背面电极1b与参考电极2）连接；振荡器8M和8R将两个电容CM和CR的变化转换为脉冲信号输出；整形器9共有2个（9M和9R），每个整形器9对应一个振荡器8（9M对接8M，9R对接8R），用于将振荡器8输出的脉冲信号进行整形，提高测量精度；接口10为1个，用于将两路脉冲信号通过电缆传输到后续的测量系统之中，进行数据处理，最终获得位移测量结果。
与现有技术相比，本发明的环形反射结构激光三角测距传感器的有益效果是：
（1）本发明的高精度大量程电容位移传感器通过在常规的测量电极后方设置参考电极的方法，对于环境空气的温度、湿度变化对测量的影响进行补偿，同时可以有效抑制激励电源的波动以及空间电磁场的干扰，并且显著增大测量范围；
（2）本发明的高精度大量程电容位移传感器在圆形测量电极的外周设置一个环形保护电极，用于克服电场不均匀性的影响，可以显著增大测量范围；
（3）本发明的高精度大量程电容位移传感器采用整体式屏蔽电极，可有效屏蔽环境空间的电磁信号，克服空间电磁场的干扰，显著提高传感器的稳定性和抗干扰能力；
（4）本发明的高精度大量程电容位移传感器将常规的测量系统中的前置放大器嵌入传感器测头之中，形成“一体化集成测头”型式，传感器测头输出的数字信号通过屏蔽电缆后接入高性能的数字化测量仪，最大限度地克服了寄生电容的影响，提供测量的稳定性和可靠性。
（5）本发明的电容位移传感器具有量程大、精度高、稳定性好的显著优势，而且成本低、易于实现，具有更广泛的实用性和通用性。
由此可见，本发明的技术方案相比于传统的电容位移传感器而言具有非常突出的技术优势。

Claims (4)

1.一种高精度大量程电容位移传感器，其特征在于：所述的传感器测头包括测量电极、参考电极、保护电极、屏蔽电极、绝缘环和前置电路等几个部分，其中：
所述的测量电极共1个，为圆形，位于传感器测头的前端，处于中心位置；测量电极与被测目标形成测量电容，用于测量目标的距离和位移；测量电极与参考电极形成参考电容，用于对测量电容的变化进行补偿和修正，显著增加线性测量范围；
所述的参考电极共1个，为圆形，位于传感器测头的后端，与测量电极同心布置并保持一定距离，处于中心位置，与测量电极形成参考电容，用于对于环境空气的温度、湿度变化对测量产生的影响进行补偿，同时可以有效抑制激励电源的波动以及空间电磁场的干扰；
所述的保护电极共1个，为圆环形电极，位于传感器测头的前端，处于测量电极外周，用于克服电场不均匀性的影响，显著增大测量范围；
所述的屏蔽电极共1个，为圆筒形，位于保护电极外周及整个传感器外侧，轴向长度覆盖测量电极和参考电极，采用导电材料制作，用于屏蔽环境空间的电磁信号，克服空间电磁场的干扰，显著提高传感器的稳定性和抗干扰能力；
所述的绝缘环共3个，均为圆环形，分别处于测量电极与保护电极之间、保护电极与屏蔽电极之间、参考电极与屏蔽电极之间，采用绝缘材料制作，用于将各个电极之间绝缘开来，保证电极独立正常工作；
所述的前置电路为双通道、高灵敏度、小尺寸的电容转换器，其输入端直接与测量电极和参考电极相连，最大限度减小寄生电容的影响。
2.根据权利要求1所述的电容位移传感器，其特征还在于：所述的参考电极与测量电极之间的距离与传感器的位移测量量程相等或者接近。
3.根据权利要求1所述的电容位移传感器，其特征还在于：所述的测量电极为夹心式结构的双面电极，前面电极与背面电极为金属薄膜，中间基体为具有一定厚度的绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的电容位移传感器，其特征还在于：所述的前置电路由振荡器、整形器、接口等单元组成；其中，振荡器共有两个，分别与测量电容的两个电极和参考电容的两个电极连接；振荡器将电容的变化转换为脉冲信号输出；整形器共有2个，每个整形器对应一个振荡器，用于将振荡器输出的脉冲信号进行整形，一般提高测量精度；接口为1个，用于将两路脉冲信号通过电缆传输到后续的测量系统之中，进行数据处理，最终获得位移测量结果。
CN202111074203.1A 2021-09-14 2021-09-14 一种高精度大量程电容位移传感器 Pending CN113720249A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111074203.1A CN113720249A (zh) 2021-09-14 2021-09-14 一种高精度大量程电容位移传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111074203.1A CN113720249A (zh) 2021-09-14 2021-09-14 一种高精度大量程电容位移传感器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113720249A true CN113720249A (zh) 2021-11-30

Family

ID=78683754

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111074203.1A Pending CN113720249A (zh) 2021-09-14 2021-09-14 一种高精度大量程电容位移传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113720249A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114858048A (zh) * 2022-05-30 2022-08-05 湖南楚微半导体科技有限公司 一种槽式晶圆清洗机手臂夹爪检测装置
CN117870526A (zh) * 2024-03-11 2024-04-12 深圳市中图仪器股份有限公司 微位移传感器

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114858048A (zh) * 2022-05-30 2022-08-05 湖南楚微半导体科技有限公司 一种槽式晶圆清洗机手臂夹爪检测装置
CN117870526A (zh) * 2024-03-11 2024-04-12 深圳市中图仪器股份有限公司 微位移传感器
CN117870526B (zh) * 2024-03-11 2024-05-31 深圳市中图仪器股份有限公司 微位移传感器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113720249A (zh) 一种高精度大量程电容位移传感器
CN101561240A (zh) 基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器
CN101609250B (zh) 相机摆镜摆角扫描特性测试装置
CN102353356B (zh) 一种数字化倾斜仪及其测量方法
CN102252600B (zh) 基于电容传感器的圆柱度误差测量方法及测量装置
CN105043243A (zh) 正交型零差激光干涉仪及其测量方法
CN106679607A (zh) 绝对式感应同步器复合测角系统
CN202057295U (zh) 圆柱度误差测量方法所用的测量装置
CN217110788U (zh) 一种高精度大量程电容位移传感器
CN104316077A (zh) 角振动台台面角位置信息实时测量系统
CN205748257U (zh) 一种便携式两金属体间隙测量仪
CN202281603U (zh) 一种数字化智能倾斜仪
CN102997834A (zh) 一种共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置
CN201417314Y (zh) 一种三分量光电混合集成加速度地震检波器
CN101329215A (zh) 电容式差压传感器的输出测量电路及测量方法
CN203310365U (zh) 一种共面电容传感器的非导电介质薄膜厚度在线检测装置
CN111912469B (zh) 一种lzp流量计及流量计算方法
Chen et al. Embedded electronic scale measuring system based on STM32 single chip microcomputer
CN101957165A (zh) 小深孔内径测量仪
Wu et al. Design of high precision capacitance displacement sensor
CN104713466B (zh) 高精度差动式多层环形电容测微仪
CN209116960U (zh) 一种非接触式高精度大量程的位移测量仪
CN113188430A (zh) 0.01μm高精度位移传感器及其精度调节方法
CN101793498A (zh) 大行程光栅纳米测量块及其测量方法
CN102494651B (zh) 一种任意角度测量位移计

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination