CN1856689A - 用于对距一个物体的距离进行容性测量的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于对距静止物体或经过物体的距离进行容性测量的传感器(1)。所述传感器(1)具有用于和所述物体进行电容耦合的电极(2)，其由导电陶瓷材料形成。电极(2)基本上由外壳(4)包围，所述外壳(4)由绝缘陶瓷形成。所述导电和绝缘陶瓷材料被选择为具有相似的热膨胀系数，从而传感器(1)在高温下实际不受应力影响。

Description

用于对距一个物体的距离进行容性测量的传感器

技术领域

本发明涉及传感器，尤其涉及可用于对距一个静止物体或一个经过物体的距离进行容性测量的传感器。

背景技术

在很多工业测量应用中，需要一种能够在高工作温度下使用以测量到一个静止物体或一个经过物体的距离的传感器。一个典型应用是测量燃气涡轮发动机叶片的尖端和周围外壳之间的间隙。在此情况下，传感器的工作温度可达到1500℃。包括例如熔融态金属和熔融态玻璃的水平面测量的其它应用也具有类似的工作温度要求。

美国专利5,760,593(BICC plc)描述了一种传统传感器，其具有与静止物体或经过物体电容耦合的金属电极或涂有金属的陶瓷电极。该电极直接连接到标准三轴传输电缆的中心导体，并且由一个金属屏蔽罩和一个外壳包围。该金属屏蔽罩和该外壳分别直接连接到该三轴传输电缆的中间导体和外围导体。在该电极和该屏蔽罩之间以及在该屏蔽罩和该外壳之间设置电绝缘。所述绝缘可以是机械加工的陶瓷垫片形式或沉积陶瓷层形式。

这些传统传感器的一个问题是它们利用金属和陶瓷材料的交替组合。随着传感器的工作温度提高，金属部分趋向于膨胀得比陶瓷部分多。这通常导致在陶瓷垫片或陶瓷层中形成应力断裂，降低了它们的电气性能，甚至可能导致陶瓷部分的分解或脱层。这不但引起传感器电气故障，而且陶瓷部分的分解或脱层还会引起金属部分振动，并且这会导致整个传感器组装部件的机械故障。

现在，燃气涡轮发动机制造商需要传感器至少有20,000小时的工作寿命，以适合生产模型。尽管传统的传感器已经能够成功地在高工作温度下短时间使用，但是，因为由金属和陶瓷部分不同的热膨胀特性导致的传感器组装部件固有的弱点，所以传统的传感器不太可能达到所需的工作寿命。

进一步的问题是电极、屏蔽罩、和外壳连接到传输电缆的方式。

就传统的传感器设计而言，传输电缆的导体直接连接到处在高温区域(即，在使用时达到提高的温度的传感器的一部分)中的电极、屏蔽罩、和外壳。很多类型的传输电缆(尤其是使用无机化合物来使导体处绝缘的传输电缆)不能在高温下使用，并且通常在短时间内就会出故障。而且，一些传统的传感器在传输电缆和传感器组装部件的其它部分之间不具有真空密封。这可能使得湿气渗透到传感器组装部件，并且降低了传感器的性能。

发明内容

本发明提供一种用于对距静止物体或经过物体的距离进行容性测量的传感器，包括：用于和所述物体进行电容耦合的导电陶瓷电极、以及基本上包围所述电极的外壳。

因为所述电极由导电陶瓷形成，所以所述传感器能够比使用金属电极或涂有金属的陶瓷电极的传感器在更高的工作温度下使用。所述外壳优选地由绝缘陶瓷形成，并且可以是任何符合安装要求的适当形状或大小。

为了将所述电极和任何外部电干扰隔离开，所述传感器可进一步包括基本包围所述电极并且通过一绝缘层和所述电极绝缘的屏蔽罩。所述屏蔽罩可由一个导电陶瓷的固体块形成。然而，所述屏蔽罩还可以是一薄导电陶瓷层，该导电陶瓷层使用传统沉积技术沉积到所述绝缘层上。使用沉积陶瓷层极大地简化了传感器设计和随后的装配。所述屏蔽罩还可以是使用传统沉积技术沉积在所述外壳的内表面上的薄导电陶瓷层或金属层。所述绝缘层优选地形成为机械加工出的绝缘陶瓷垫片。使用具有与所述绝缘层和所述外壳二者都相似的热膨胀系数的陶瓷层，意味着涂层不会在使用中趋向于分层，而该情况对于具有不同热膨胀特性的金属涂层是可能出现的。

优选地选择具有相似的热膨胀系数的导电陶瓷和绝缘陶瓷，从而所述传感器组装部件在高工作温度下基本上不受应力影响。例如，所述电极和所述屏蔽罩可由SiC形成，并且所述绝缘层和所述外壳可由SiN形成。可使用标准扩散粘合或真空蒸镀(vacuum braising)方法把所述电极、屏蔽罩、和外壳一体地结合到一起，以形成一个整体陶瓷结构。所述一体地结合在各部分之间提供真空密封，从而防止湿气进入到传感器组装部件和传输电缆中。

传感器可具有“紧箍”设计，从而即使任何陶瓷部分由于任何原因出故障，则它们也可被保留在整个传感器组装部件中。

不是把传输电缆的导体直接连接到处在传感器的高温区域的电极和外壳，而是优选地把导体连接到与电极和外壳顺次相连的导电桥路。所述导电桥路从所述电极的正面(即，在使用时面对物体的面)延伸，从而所述导体和所述导电桥路之间的连接发生在所述传感器的后步的低温区域。

如果所述传感器不包括屏蔽罩，则可使用具有中心导体和外围导体的同轴传输电缆。所述中心导体优选地通过第一导电桥路连接到所述电极，并且所述外围导体优选地通过第二导电桥路连接到所述外壳。所述第一导电桥路优选地穿过设置在所述外壳和所述第二导电桥路中的孔。

优选地使用适配器来完成所述导体和所述导电桥路之间的连接。所述适配器能够适合于适应传输电缆的各种不同类型和直径。而且，根据传感器的安装要求，所述适配器可以若干不同方向将所述导体和所述导电桥路相连接。例如，可这样连接所述导体，即，所述传输电缆基本上平行于所述导电桥路从所述电极的正面延伸。可选地，可这样连接所述导体，即，传输电缆基本上垂直于所述导电桥路延伸。其它方向也是可能的。

如果所述传感器包括屏蔽罩，则可使用具有中心导体、中间导体、和外围导体的三轴传输电缆。所述中心导体优选地通过第一导电桥路连接到所述电极，所述外围导体优选地通过第二导电桥路连接到所述外壳，并且所述中间导体优选地通过第三导电桥路连接到所述屏蔽罩。所述第一导电桥路优选地穿过设置在所述绝缘层、所述屏蔽罩、所述第三导电桥路、所述外壳、和所述第二导电桥路中的孔。类似地，所述第三导电桥路优选地穿过设置在所述外壳和所述第二导电桥路中的孔。

所述导电桥路可由金属或导电陶瓷形成，并且优选地使用标准扩散粘合或真空蒸镀方法把所述导电桥路连接到所述电极、外壳和屏蔽罩。尽管通常优选地是由导电陶瓷形成所述桥路，但是，因为所述桥路连接到处在中间温度区域中的所述电极、屏蔽罩和外壳，并且因此不会遇到严重的热膨胀问题，所以可使用金属桥路。可根据所述传感器的设计和安装要求来制作任意大小和形状的导电桥路。

如上所述，优选地提供适配器来把所述第二和第三导电桥路连接到所述外部和中间导体。

所述第二导电桥路可基本上包围所述外壳，使得其延伸到沿所述外壳侧面的部分或整个。然而，通常优选地是，所述屏蔽罩、所述绝缘层、所述外壳、和所述第二导电桥路不沿着所述电极的正面延伸。

使用导电桥路意味着所述传感器组装部件可在使用适配器将其连接到所述传输电缆之前被制造和测试。这对于传统传感器是不可能的，在传统传感器的情况下，传输电缆必须在装配过程中直接连接到电极、外壳和屏蔽罩。

所述导电桥路也可与传统传感器和那些使用金属/陶瓷和塑料/金属成分的传感器一起使用。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的传感器的剖面图；

图2是示出图1中的传感器如何以第一方向连接到同轴传输电缆的剖面图；

图3是示出图1中的传感器如何以第二方向连接到同轴传输电缆的剖面图；

图4a和4b是示出如何把第一导电桥路用于基本上包围图1中的传感器的外壳的剖面图；

图5是根据本发明的第二实施例的传感器的剖面图；

图5a是根据本发明的第三实施例的传感器的剖面图；

图5b是根据本发明的第四实施例的传感器的剖面图；

图6是示出图5中的传感器如何以第一方向连接到三轴传输电缆的剖面图；以及

图7是示出图5中的传感器如何以第二方向连接到三轴传输电缆的剖面图。

具体实施方式

参照图1，“同轴”传感器1具有由导电陶瓷材料形成的柱状电极2。电极2的正面3向着静止物体或经过物体(未示出)。电极2位于由绝缘陶瓷材料形成的外壳4内，并且一体地结合到该外壳4。选择所述导电和绝缘陶瓷材料，使它们具有相似的热膨胀系数，并且传感器1在高工作温度下基本上不受应力影响。

前桥路件5位于外壳4之内，并且和所述电极2的背面6一体地结合。后桥路件7和所述外壳4的背面8一体地结合。前桥路件5穿过设置在外壳4和后桥路件7中的孔，延伸到后桥路件之外。设置在后桥路件7中的孔比前桥路件5宽，从而这两个桥路件由环形气隙9隔开。

如图2所示，前桥路件5和后桥路件7连接到无机绝缘同轴传输电缆20的两个同轴导体。传输电缆20具有由无机绝缘层23隔开的中心导体21和外围导体22。导电柱状适配器30用于把前桥路件5和中心导体21在共用接口24结合，并且把后桥路件7和外围导体22结合。可选地，可使用如图3所示的导电适配器40。设计适配器40来容纳传输电缆20，以使中心导体21和外围导体22基本上垂直于前桥路件5和后桥路件7及传感器1的中心线来连接。

可容易理解，使用适配器30和40意味着，在连接到传输电缆20之前，所述“同轴”传感器1可被完全装配和被测试。这还意味着，在传感器1的低温区域，前桥路件5和后桥路件7、和中心导体21和外围导体22连接到一起。

在图1至3中，仅在外壳4的背面8上形成后桥路件7。然而，后桥路件7还可沿着图4a和4b所示的外壳4的侧面10的一部分或全部延伸。

在工作中，安装所述“同轴”传感器1，使得电极2的正面3面对静止物体或经过物体。由沿着传输电缆20的中心导体21传送的信号来使电极2通电，从而其与静止物体或经过物体电容耦合。电极2检测到的电容的改变被沿着中心导体21发送回去作为电压信号，并且被转换为距离测量值，从而可计算电极和静止或经过物体之间的距离。

参照图5，“三轴”传感器100具有由导电陶瓷材料形成的柱状电极102。所述电极102的正面103面向静止物体或经过物体(未示出)。电极102位于绝缘陶瓷垫片104中，并与其一体地结合。电极102和垫片104位于导电陶瓷屏蔽罩105中，并且与其一体地结合，所述导电陶瓷屏蔽罩105使所述电极和任何外部电干扰隔离。所述屏蔽罩105位于外壳106中，并且与其一体地结合，所述外壳106由绝缘陶瓷材料形成。选择所述导电和绝缘陶瓷材料，使得它们具有相似的热膨胀系数。

前桥路件107和电极102的背面108一体地结合。中间桥路件109和所述屏蔽罩105的背面110一体地结合。后桥路件111和所述外壳106的背面112一体地结合。中间桥路件109穿过设置在所述外壳106和所述后桥路件111中的孔，从而延伸到所述后桥路件之外。前桥路件107穿过设置在所述垫片104、屏蔽罩105、中间桥路件109、和后桥路件111中的孔，从而延伸到所述中间桥路件和所述后桥路件之外。设置在后桥路件111中的孔比中间桥路件109宽，从而这两个桥路件被环形气隙113隔开。类似地，设置在中间桥路件109中的孔比前桥路件107宽，从而这两个桥路件被环形气隙114隔开。

参照图5a，图5中示出的导电陶瓷屏蔽罩105可由薄导电陶瓷层105a替换，所述薄导电陶瓷层105a是通过使用传统技术沉积在垫片104上的。陶瓷层105a接触所述中间桥路件，并且其功能和所述屏蔽罩105完全相同。使用沉积的薄导电陶瓷层105a使得垫片104的大小能够增加，从而改善了所述传感器的强度和坚固性。因为简化了整个传感器的设计，所以这样形成的传感器也是易于装配的。

参照图5b，图5中示出的导电陶瓷屏蔽罩105可由薄导电陶瓷或金属层105b替换，薄导电陶瓷或金属层105b是通过使用传统沉积技术沉积在绝缘外壳106的内表面上的。导电层105b接触所述中间桥路件，并且其功能和所述屏蔽罩105完全相同。使用沉积的薄导电层105b使得垫片的大小能够增加，从而改善了所述传感器的性能。因为简化了整个传感器的设计，所以这样的传感器也是易于装配的。

如图6所示，前桥路件107、中间桥路件109、和后桥路件111连接到无机绝缘三轴传输电缆50的三个同轴导体。该传输电缆50具有由无机绝缘层54隔开的中心导体51、中间导体52、和外围导体53。导电柱状适配器60被用于使前桥路件107和中心导体51在共用接口55结合，使中间桥路件109和中间导体52结合，并且使后桥路件111和外围导体53结合。可选地，可使用图7中所示的导电适配器70。适配器70被设计为容纳传输电缆50，从而中心导体51、中间导体52、和外围导体53基本垂直于前桥路件107、中间桥路件109、和后桥路件111以及传感器100的中心线来连接。

“三轴”传感器100具有和上述“同轴”传感器1相同的优点，并以和上述“同轴”传感器1相同的方式工作。容易理解的是，不同的测量电子技术可与“三轴”传感器和“同轴”传感器一起使用。

Claims (16)

1.一种用于对距静止物体或经过物体的距离进行容性测量的传感器(1，100)，包括：用于和所述物体进行电容耦合的导电陶瓷电极(2，102)、和基本上包围所述电极(2，102)的外壳(4，106)。

2.如权利要求1所述的传感器，其中所述外壳(106)由绝缘陶瓷形成。

3.如权利要求1或2所述的传感器，其进一步包括屏蔽罩(105)，所述屏蔽罩(105)包围所述电极(102)并且通过一绝缘层(104)和所述电极(102)绝缘。

4.如权利要求3所述的传感器，其中，所述屏蔽罩(105)由一个导电陶瓷的固体块形成。

5.如权利要求3所述的传感器，其中，所述屏蔽罩(105a)是一沉积的导电陶瓷层。

6.如权利要求3所述的传感器，其中，所述屏蔽罩(105b)是一沉积的导电陶瓷层或一沉积的金属层。

7.如权利要求3至6任一个所述的传感器，其中，所述绝缘层(104)由绝缘陶瓷形成。

8.根据之前任一权利要求所述的传感器，进一步包括：

第一导电桥路(5)，其连接到所述电极(2)并且可和一条传输电缆的导体相连接；以及

第二导电桥路(7)，其连接到所述外壳(4)并且可和一条传输电缆的导体相连接。

9.如权利要求8所述的传感器，其中，所述第一导电桥路(5)穿过设置在所述外壳(4)和所述第二导电桥路(7)中的孔。

10.如权利要求8或9所述的传感器，其中，所述第二导电桥路(7)基本上包围所述外壳(4)。

11.如权利要求8至10任一个所述的传感器，进一步包括适配器(30，40)，用于把所述第二导电桥路(7)和一条传输电缆的导体相连接。

12.如权利要求3至7任一个所述的传感器，进一步包括：

第一导电桥路(107)，其连接到所述电极(102)并且可和一条传输电缆的导体相连接；

第二导电桥路(111)，其连接到所述外壳(106)并且可和一条传输电缆的导体相连接；以及

第三导电桥路(109)，其连接到所述屏蔽罩(105)并且可和一条传输电缆的导体相连接。

13.如权利要求12所述的传感器，其中，所述第一导电桥路(107)穿过设置在所述绝缘层(104)、所述屏蔽罩(105)、所述第三导电桥路(109)、所述外壳(106)、和所述第二导电桥路(111)中的孔，并且其中，所述第三导电桥路(109)穿过设置在所述外壳(106)和所述第二导电桥路(111)中的孔。

14.如权利要求12或13所述的传感器，进一步包括适配器(60，70)，用于把所述第二导电桥路(111)和一条传输电缆的导体相连接，并把所述第三导电桥路(109)和一条传输电缆的导体相连接。

15.如权利要求3所述的传感器(100)，其中，所述电极(102)、屏蔽罩(105)、绝缘层(104)、和外壳(106)中的一个或多个被一体地结合到一起。

16.如权利要求15所述的传感器(100)，其中，所述一体地结合将提供在所述电极(102)、屏蔽罩(105)、绝缘层(104)、和外壳(106)中的一个或多个之间的真空密封。

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