CN1651853A

CN1651853A - 多自由度电容位移传感器

Info

Publication number: CN1651853A
Application number: CN 200410041321
Authority: CN
Inventors: 余晓芬; 俞建卫; 王永红; 黄其圣; 杜向阳
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology; Hefei Polytechnic University
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2005-08-10

Abstract

多自由度电容位移传感器，由动极板和定极板构成，动极板位于中央，为双面极板；两只定极板分别位于动极板的两侧，并在相对于动极板的一侧为单面极板；其特征是动极板和两只定极板的每一电极面均为独立设置的四块板电极，各块板电极形状相同、大小相等，在动极板和两只定极板的每一电极面上的四块板电极的位置分布为：以极板的中心为中心呈“十”字分布，四块板电极的中心与极板中心等距，A定极板和B定极板上的各块板电极与其极板间具有等中心距M，动极板上各块板电极与其极板间具有等中心距N，其中，中心距M大于或小于中心距N。本发明应用在多自由度微动工作台中，可获得多自由度微动信息。

Description

多自由度电容位移传感器

技术领域：

本发明涉及测量装置，更具体地说是电容式位移传感器。

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器传感器：

结构原理如图1所示，在图1中，位于中央的双面极板1为动极板，与移动件相连接，位于两侧的单面极板1和单面极板3为固定极板，与固定基座相连，单面极板1和单面极板3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1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1与单面极板3和单面极板2之间的间隙分别为：d₁＝d₀±Δd，d₂＝d₀±Δd，其中，d₀为初始极距。设C₀为电容初始值。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ΔC可写为：

ΔC = C_{1} - C_{2} = Δ C_{1} + Δ C_{2} = 2 C_{0} \frac{Δd}{d_{0}} - - - (1)

2、差动式变面积型电容传感器：

结构原理如图2所示，与上述变极距型电容传感器类似，移动极板4与移动件相连接，固定极板5和固定极板6与固定基座相连，其中，固定极板5和定极板6之间的相对位置固定不变。测量时，瞄准被测量的移动件带动移动极板4水平方向移动，引起相邻两极板间有效覆盖面积的同步改变，从而得到电容的改变。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ΔC可写为：

ΔC = C_{1} - C_{2} = \frac{ϵ b_{0} (L_{0} + ΔL)}{d_{0}} - \frac{ϵ b_{0} (L_{0} - ΔL)}{d_{0}} = 2 \frac{ϵ b_{0}}{d_{0}} ΔL - - - (2)

式中，b₀为极板有效覆盖面积的宽度，L₀为极板有效覆盖面积的原始长度，ΔL为移动极板4水平移动距离，d₀为极距。ε为电容极板间介质的介电常数。

不难看出，在上述测量方式中，被检测量只是一维的，如果将它应用于多自由度微动工作台中，则需要多个电容传感器，这不仅在成本上非常高，在体积上也难以微型化，并且无法测量工作台的真正的运动状态。

发明内容：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种能用于测量多自由度位移的尤其是应用在多自由度微动工作台中的电容位移传感器。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明由动极板、A定极板和B定极板构成，动极板位于中央，为双面极板；A定极板和B定极板分别位于动极板的两侧，为单面极板；所述A定极板和B定极板上的电极面分别与动极板对应面上的电极面构成电容。

本发明的结构特点是所述动极板和A定极板、B定极板的每一电极面均为独立设置的四块板电极，各块板电极形状相同、大小相等，在所述动极板、A定极板和B定极板的每一电极面上的四块板电极的位置分布为：以极板的中心为中心，呈“十”字分布，四块板电极的中心与极板中心等距，A定极板和B定极板上的各块板电极与其极板间具有等中心距M，动极板上各块板电极与其极板间具有等中心距N，其中，中心距M大于或小于中心距N。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、与已有技术相比，本发明同样是由一块动极板和两块定极板构成，但在本发明中，动极板以其双面共八块板电极与A定极板上的四块板电极，以及B定极板上的四块板电极共组成八组电容，对于动极板不同自由度上的位置变化，八组电容分别形成不同的变化，并总能在两组间形成差动，实现多自由度的测量。

2、本发明应用于多自由度工作台不仅降低成本，而且能实现微型化。

图面说明：

图1为已有技术中差动式变极距型电容传感器原理示意图。

图2为已有技术中差动式变面积型电容传感器原理示意图。

图3为本发明结构示意图。

图4(a)图4(b)和图4(c)为本发明板电极在各极板上的分布图。

图5为本发明动极板与定极板上板电极相对位置示意图。

图6(a)、图6(b)、图6(c)和图6(d)为本发明各自由度变化示意图。

图中标号：1-双面极板、2-单面极板、3-单面极板、4-移动极板、5-固定极板、6-固定极板、7-动极板、8-A定极板、9-B定极板、10-屏蔽层。

具体实施方式：

参见图3，本实施例由动极板7、A定极板8和B定极板9构成，动极板7位于中央，为双面极板；A定极板8和B定极板9分别位于动极板7的两侧，并在相对于动极板7的一侧为单面极板；A定极板8和B定极板9上的电极面分别与动极板7对应面上的电极面构成电容。

参见图4，本实施例中，在动极板7、A定极板8、B定极板9的每一电极面均为独立设置的四块板电极，其中，

如图4(a)所示，A定极板8中的四块板电极分别标注为8a、8b、8c和8d；

如图4(b)所示，动极板7中的四块板电极分别标注为7a、7b、7c和7d；

如图4(c)所示，B定极板9中的四块板电极分别标注为9a、9b、9c和9d。

具体实施中，各块板电极形状相同、大小相等，每一电极面上的四块板电极在极板上的位置分布为：以极板的中心为中心，呈“十”字分布，四块板电极的中心与极板中心等距。具体实施中，应在各块板电极的四周布置屏蔽层10，并将屏蔽层10接地，这样可以有效地消除或减小边缘效应。

参见图5，本实施例中，若设定A定极板8和B定极板9上的各块板电极与其极板间具有的等中心距为M，动极板7上各块板电极与其极板间具有的等中心距为N，则中心距M必须大于或小于中心距N。

将本发明应用于微动工作台时，动极板7与微动工作台的台面相联，A定极板8和B定极板9分别与作为基座的工作台固定框相联。

在图6中，与微动工作台相连的动极板7可以实现五个自由度的运动，相应的电容位移传感的原理分别是：

图6(a)所示，通过动极板7的水平移动，实现x、y向运动的测量，此时的电容传感器为变面积型；

图6(b)所示，通过动极板7的纵向运动，实现z向运动，此时的电容传感器为变极距型；

图6(c)所示，当动极板7绕X轴转动，实现α角转动，此时的电容传感器为变极距型；

图6(d)所示，当动极板7绕Y轴转动，实现β角转动，此时的电容传感器为也为变极距型。

Claims

1、多自由度电容位移传感器，由动极板(7)、A定极板(8)和B定极板(9)构成，动极板(7)位于中央，为双面极板；A定极板(8)和B定极板(9)分别位于动极板(7)的两侧，为单面极板；所述A定极板(8)和B定极板(9)上的电极面分别与动极板(7)对应面上的电极面构成电容；其特征是所述动极板(7)和A定极板(8)、B定极板(9)的每一电极面均为独立设置的四块板电极，各块板电极形状相同、大小相等，在所述动极板(7)、A定极板(8)和B定极板(9)的每一电极面上的四块板电极的位置分布为：以极板的中心为中心，呈“十”字分布，四块板电极的中心与极板中心等距，A定极板(8)和B定极板(9)上的各块板电极与其极板间具有等中心距M，动极板(7)上各块板电极与其极板间具有等中心距N，其中，中心距M大于或小于中心距N。

2、根据权利要求1所述的多自由度电容位移传感器，其特征是在所述各块板电极的四周为屏蔽层(10)。