CN1170116C - 非接触式电容复合电极型位移传感器及测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式电容复合电极型位移传感器及测量仪，特别适用于位移和厚度的测量。所述的传感器由外屏蔽电极壳、测量电极、复合电极、内屏蔽电极、电路板、电缆接头构成。并在该传感器上端设有气嘴接头；该气嘴与传感器内腔及电极间隙构成气路通道；电路板主要包括热敏元件、压力敏感元件和湿敏元件。所述的测量仪包括标准信号发生器电路；负反馈运算放大器；单片机数据处理及控制电路、显示电路系统构成。本发明具有被测位移仅仅与仪器的结构参数有关，而与被测物体所在介质环境的变化无关的特点。因此它几乎不受外界环境介质对位移测量的影响。提高仪器的稳定性；重复性、分辨力和线性度更好；测量范围更宽；应用范围广泛。

Description

非接触式电容复合电极型位移传感器及测量仪

                                  技术领域

本发明涉及一种非接触式电容复合电极型位移传感器及测量仪。属于位移型传感器技术及测量仪技术，特别适用于位移、厚度和振动的测量。

                                  技术背景

非接触式电容型位移传感器的一般结构包括测量电极、内屏蔽保护电极、外屏蔽电极三部分组成。它相对被测量物体形成测量电容C，因此有 $C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r\×S}{H}.$ 其中：ε₀为真空介电常数；ε_r为测量环境相对介电常数；S为电容传感器测量电极的表面积；H为电容传感器相对被测物体的间距。非接触式电容型位移传感器具有许多优良的特性：①传感器与被测物体不接触，没有表面接触测量误差和摩擦热噪声、热损耗；②测量速度快，频率响应好；③结构简单，使用方便，测量精度高，系统稳定性好，信噪比高；④测量时输入能量低，最小的自加热效应；⑤可以应用于特殊的场合；因此非接触式电容微位移传感器的应用十分广泛，其进行位移测量的原理方法和仪器也很多。如：电容运算法、电容谐振法、电容调频法、电容调幅法、电容调脉宽法等等，通过变换将被测位移转换为电量输出。以电容运算法测量仪为例：该仪器的测量原理是以电容运算法的电压输出 $V_0=\frac{V_b\×C_b}{{\mathrm{\ϵ}}_0\×{\mathrm{\ϵ}}_r\×S}H.$ 其中，V_b为仪器电路的标准信号电压；C_b为仪器电路中的标准电容。它的结构包括三电极的电容位移传感器、标准信号发生器、负反馈运算放大器、低通滤波器及显示系统。由公式可见其电压输出与被测位移成正比，因而其测量范围宽、线性好、精度高。然而它和一般电容型位移传感器及其测量仪一样在测量过程中，也存在一些通病。首先，利用电容法进行位移测量时，由于测量环境中介质因素的非标准性会对测量带来误差，(即测量环境介质εr与仪器电路的标准电容C_b介质不同)；其次，测量环境介质的变化也会对测量带来误差，(即Δεr的随机误差)；还有，在测量条件下空气的湿度会使测量带来严重的影响，甚至无法进行测量。

                                 发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式电容复合电极型位移传感器及测量仪，该传感器和测量仪用于测量位移、厚度和振动时不受环境介质变化的影响及所带来的测量误差，测量精度高、使用方便、应用广泛、结构简单。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案加以实现的。该位移传感器由外屏蔽电极壳及其壳内的测量电极、内屏蔽电极、电路板、电缆接头构成。其特征在于：在内屏蔽电极与测量电极之间加设了复合电极。在该传感器的上端设有气嘴接头。该气嘴与传感器内腔及电极间隙构成气路通道。电极所连接的电路板包括热敏元件、压力敏感元件和湿敏元件组成。

上述的热敏元件包括热电阻、热电偶；压力敏感元件包括硅压力器件、弹性体压力器件；湿敏元件包括半导体化合物湿敏器件。

上述的非接触式电容复合电极型位移传感器的外形为圆柱体或为矩形体。

采用上述的非接触式电容复合电极型位移传感器相配合的测量位移和厚度的测量仪的结构，包括标准信号发生器电路；负反馈运算放大器；单片机数据处理及控制电路、显示电路系统。其特征在于位移传感器的复合电极和测量电极分别连接于标准信号发生器和负反馈放大器之间。仪器内设有连接热敏元件的电路、压力敏感元件的电路和湿敏元件的电路及气路控制电路。

上述的热敏元件电路由前置放大器、线性补偿电路；跟随器组成；压力敏感元件电路由跟随器、放大器组成；湿敏元件的电路由前置放大器、选频放大器组成；气路控制电路主要由开关电路和气泵组成。

本发明的优点在于不仅具备现有的电容型非接触式位移测量方法所具有的无接触测量误差和摩擦热噪声、热损耗；测量速度快，频率响应好；结构简单，使用方便、信噪比高；输入能量低；最小的自加热效应；可以应用于特殊的场合的特点。此外本发明还具有被测位移仅仅与仪器的结构参数有关，而与被测物体所在介质环境的变化无关的特点。因此它几乎不受外界环境介质对位移测量的影响。仪器的稳定性得到了进一步的提高，重复性、分辨力和线性度更好，测量范围更宽，应用范围更加广泛。

                                    附图说明

图1为本发明非接触式电容复合电极型位移传感器结构示意图

图2为配合使用非接触式电容复合电极型位移传感器的测量仪结构框图图中，1为测量电极；2为复合电极；3为内屏蔽电极；4为复合电极架；5为复合电极座；6为外屏蔽电极壳；7为电路板；8为密封圈；9为外盖；10为电缆接头；11为气路接头；12为锥螺纹接口；13为标准信号发生器；14为非接触式电容复合电极型位移传感器；15为运算放大器；16为单片机数据处理及控制电路；17为前置放大器；18为线性补偿电路；19为跟随器；20为跟随器；21为放大器；22为前置放大器；23为选频滤波放大器；24为开关电路；25为气泵；26为单片机与控制电路；27为显示系统。

                              具体实施方式

电容式位移传感器及其测量仪的基本工作原理是，它的电压输出 $V_0=\frac{V_b\×C_b}{{\mathrm{\ϵ}}_0\×{\mathrm{\ϵ}}_r\×S}H.$ 其中测量环境介质ε_r和真空介电常数ε₀均对测量结果造成非线性误差；由于本发明采用了非接触式电容复合电极型位移传感器及测量仪，因此仪器测量的输出电压 $V_0=\frac{{2V}_{b}l}{R^1\ln (R/r)}H.$ 其中，V_b为仪器标准信号电压；l为复合电极的高度；r为复合电极的内半径；R为测量电极外半径；H为复合电极传感器与被测物体的间隙，即测量的位移。上述公式表明运算法非接触式电容位移测量原理的测量输出与被测物的位移成正比，并仅与传感器的几何尺寸有关，与被测环境介质及其变化无关，因而消除了由于介质变化所生产的影响。

以测试热轧板的厚度为例说明本发明的使用情况：将间距为固定值的两只非接触式电容复合电极型位移传感器及架持器放置在距被测钢板的上下两方。然后将传感器输出电缆与其配套的测量仪牢固地连结好。打开仪器电源开关，仪器将显示出被测的稳定数值。将固定值与两台传感器的测量仪读数之和相减，即获得钢板的厚度。由于本发明的传感器设置的热敏元件及其测量系统能实时地将环境温度的变化传输到仪器中，仪器可以有效地消除温度因素造成的随机误差，所以大大地提高了仪器的测量稳定性和可靠性。当将钢板加热到约800℃时，需要在被测钢板表面用油、水混合液体冷却。此时，传感器处于在油水混合蒸汽和水泡的环境下工作。由于本发明的非接触式电容复合电极型传感器内设有热敏元件及温度测量系统、压敏元件及其测量系统和湿敏元件及其测量电路随时将环境的测量参数传输到仪器，仪器根据测量的压力、温度和湿度，间歇地、自动地调节喷气接头的喷气温度和流量，同时仪器对所测量的厚度进行自动修正和补偿。

采用本发明适用于钢铁企业板带材轧制的厚度和宽度的质量与控制；机械设备的振动、故障检测与诊断；机械零件加工切削量的在线检测；以及机器人、微型机械位移的测量与控制；机械运行摩擦磨损的测量；在军事领域中，如炮膛的磨损研究；并且可以在核辐射下，在冲击波下，在烟、雾、灰尘，恶劣的环境下得以广泛应用。

Claims (5)

1.一种非接触式电容复合电极型位移传感器，该位移传感器由外屏蔽电极壳及其壳内的测量电极、内屏蔽电极、电路板、电缆接头构成，其特征在于：在内屏蔽电极与测量电极之间加设了复合电极；在该传感器的上端设有气嘴接头；该气嘴与传感器内腔及电极间隙构成气路通道；电极所连接的电路板包括热敏元件、压力敏感元件和湿敏元件组成。

2.按权利要求1所述的非接触式电容复合电极型位移传感器，其特征在于：热敏元件包括热电阻、热电偶；压力敏感元件包括硅压力器、弹性体压力器；湿敏元件包括硅湿敏器件。

3.按权利要求1所述的非接触式电容复合电极型位移传感器，其特征在于：非接触式电容复合电极型位移传感器的外形为圆柱体或为矩形体。

4.一种采用按权利要求1所述的非接触式电容复合电极型位移传感器相配合的位移测量仪，它包括标准信号发生器电路；负反馈运算放大器；单片机数据处理及控制电路、显示电路系统构成，其特征在于：位移传感器的复合电极和测量电极分别连接于标准信号发生器和负反馈放大器之间，仪器内设有连接热敏元件的电路、压力敏感元件的电路和湿敏元件的电路及气路控制电路。

5.按权利要求4所述的位移测量仪，其特征在于：热敏元件的电路由前置放大器、运算放大器和跟随器组成；压力敏感元件的电路由跟随器、放大器组成；湿敏元件的电路由前置放大器、线性补偿电路、跟随器组成；气路控制电路主要由开关电路、反馈电路组成。

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