CN115655094B - 一种不等极板面积的角位移测量电容传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不等极板面积的角位移测量电容传感器，电容极板分为动模块和定模块、极板间介质；动模块和定模块分为四组。所述不等面积电容传感器极板结构A、C表示为动、定模块面积不相等的两组极板，其中定模块面积小于动模块的面积；B、D组为动、定模块面积相等，整体构型为不等面积。所述不等面积电容传感器，各极板位置关系如下：A、C组极板重心沿y轴分布，且关于x轴对称；B、D组极板重心沿x轴分布，且关于y轴对称；A、B、C、D组上下极板的重心在一条平行于z轴的直线上。本发明提供的电容传感器相对常规结构的电容传感器相比，能测量三轴的角度变化量，测量维数多，解析数据能够实现的精度更高。

Description

一种不等极板面积的角位移测量电容传感器

技术领域

本发明设计一种不等极板面积的角位移测量电容传感器的装置结构，属于精密测试技术与仪器领域。

背景技术

随着精密测量技术的发展，对不同物理量的测量也提出了更高的精度要求，常用的测量方式已经不能满足高精度的测量需求。需要有针对性的开发新结构的传感器以期实现角位移的高精度测量。

电容传感器作为一种常见的传感器，可以通过调节容值计算公式中相关参数值的变化实现对角度、位移等物理量的测量。

在现有的制造技术手段下，电容传感器的灵敏度已到纳米量级。但是，在上下电容极板相等、介电常数不变的情况下，距离的改变和单一角度的改变均会引起容值变化，只通过容值的变化无法分辨变化因素，而且角度变化引起等效面积的改变，从而无法准确解析数据，会降低传感器的精度和应用。

针对上述问题，本发明根据电容传感器可以测量多个物理量的能力，设计一种新型电容传感器结构，实现对角位移的高精度测量。

发明内容

本发明的目的是制作一种新构型电容传感器，在原有电容传感器的基础上实现对角位移的高精度测量，该方法能有效实现角位移变化的测量，具有灵敏度高、精度高等特点。

为实现上述角位移测量目的，本发明专利采用一种不等极板面积电容传感器实现旋转和倾斜角度的测量，其特征如下：

电容极板分为动模块和定模块、极板间介质、其中动模块和定模块分为四组，分别为1A、1B；1C、1D；2A、2B；2C、2D，具体代码指示如图1所示，其中极板间介质为常规介质材料(如：空气、云母、金刚石等)，每组极板之间用同一种介质填充，介质常数根据材料属性为常值。

在角位移量的测量中，分为绕x轴旋转、绕y轴旋转、绕z轴旋转的三种角位移量，参考坐标系如图1所示。针对该三种旋转方式的具体特征如下所述：

所述不等面积电容传感器极板结构A、C表示为动、定模块面积不相等的两组极板，其中定模块2面积小于动模块1的面积；B、D组为动、定模块面积相等，整体构型为不等面积。

所述不等面积电容传感器，各极板位置关系如下：A、C组极板重心沿y轴分布，且关于x轴对称；B、D组极板重心沿x轴分布，且关于y轴对称；A、B、C、D组上下极板的重心在一条平行于z轴的直线上。

所述编号带1的动模块绕x轴顺时针旋转时，B组和D组的极板间距离不发生改变，但投影面积都减小，所以B组和D组电容容值也均减小，二者差值不变；A组和C组等效投影面积不变，其动模块和定模块的极板间距发生改变，引起A、C组的电容值发生变化，其变化趋势为A组增大，C组减小。

所述编号带1的动模块绕y轴顺时针旋转，产生的变化为A组和C组极板间距不变，等效投影面积不变，所以A组和C组电容值均不变，二者差值也不变；B组和D组投影等效面积不变，极板间距变化为B组间距减小，D组间距增大，故电容值变化为B组增大，D组减小。

所述编号带1的动模块绕z轴顺时针旋转，在有效转动角度范围内(即是1A和1C分别与2A和2C不产生悬空部分)，容值变化为A组和C组极板间距不变，投影面积不变，故电容值均不变，二者差值不变；B组和D组等效投影面积减小，极板间距不变，其容值变化为B组减小，D组减小，B、D组电容值差值不变。

与现有技术相比，本发明提供一种不等面积极板的角位移测量电容传感器，具有以下效果：

1、该新结构的电容传感器相对常规结构的电容传感器相比，能测量三轴的角度变化量，测量维数多。

2、相对常规结构而言，量化方式更加简单，解析数据能够实现的精度更高。

附图说明

图1为电容极板俯视图；

图2为电容极板辅助图；

图3为电容极板正视图辅助视图。

图中：A、B、C、D各代表一组电容极板；动模块1，定模块2，极板间介质3，参考坐标系如图1中所示。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3所示，一种不等极板面积的角位移测量电容传感器包括：2为定模块，1为动模块，均布为A、B、C、D四组。

在实际产生偏转角时，定模块2不产生转动，保持初始状态不变；动模块1则会产生相应的偏转动作，使得各组容值产生变化，输出相关数据，具体动作方式如下：

状态1：绕x轴顺时针旋转时，动模块1产生转动，容值变化为B组和D组极板间距不变，其容值均减小，二者差值不变；A组和C组投影等效面积不变，其容值变化为A组增大，C组减小。

状态2：绕y轴顺时针旋转，动模块1产生转动，容值变化为A组和C组极板间距不变，等效面积不变，其容值均不变，二者差值也不变；B组和D组投影等效面积不变，其容值变化为B组增大，D组减小。

状态3：绕z轴顺时针旋转，动模块1产生转动，在有效转动角度范围内(即是1A和1C以及2A和2C不产生悬空部分)，容值变化为A组和C组极板间距不变，容值均不变，二者差值不变；B组和D组投影等效面积减小，极板间距不变，其容值变化为B组减小，D组减小。

三轴向的变化状态如下表1所示：

表1容值变化对照表

基准轴	A组	B组	C组	D组
					x	+	-	-	-
y	——	+	——	-
					z	——	-	——	-

注：+表示增加；-表示减小；——表示不变

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种不等极板面积的角位移测量电容传感器，其特征在于：

所述角位移测量电容传感器包括电容极板，电容极板分为动模块和定模块、极板间介质，所述的动模块和定模块之间通过极板间介质连接；动模块编号为 1A、1B、1C、1D， 定模块编号为2A、2B、2C、2D；1A、2A；1B、2B；1C、2C；1D、2D分别形成电容结构，总共形成四组电容；

编号带A、C分别表示动模块和定模块面积不相等的两组极板，定模块面积小于动模块的面积；编号带B、D为动模块、定模块面积相等；各极板位置关系如下：编号带A、C的电容极板重心沿y轴分布，且关于x轴对称；编号带B、D的电容极板重心沿x轴分布，且关于y轴对称；A、B、C、D组上下电容极板的重心在一条平行于z轴的直线上；

角位移测量电容传感器在角位移量的测量中，分为绕x轴旋转、绕y轴旋转、绕z轴旋转的三种旋转方式的角位移量；

动模块绕x轴顺时针旋转时，B组和D组的极板间距离不发生改变，但投影面积都减小，所以B组和D组电容容值也均减小，二者差值不变；A组和C组等效投影面积不变，其动模块和定模块的极板间距发生改变，引起A、C组的电容值发生变化，其变化趋势为A组增大，C组减小；

动模块绕y轴顺时针旋转，产生的变化为A组和C组极板间距不变，等效投影面积不变，所以A组和C组电容值均不变，二者差值也不变；B组和D组投影等效面积不变，极板间距变化为B组间距减小，D组间距增大，故电容值变化为B组增大，D组减小；

动模块绕z轴顺时针旋转，在有效转动角度范围内，即是1A和1C以及2A和2C不产生悬空部分，容值变化为A组和C组极板间距不变，投影面积不变，故电容值均不变，二者差值不变；B组和D组等效投影面积减小，极板间距不变，其容值变化为B组减小，D组减小，B、D组电容值差值不变。