CN205262393U - 一种中间电极板无导线连接的差动式电容测微器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种中间电极板无导线连接的差动式电容测微器，包括外框架，设置在外框架内的第一电极板、中间电极板和第二电极板，用于将第二电极板与外框架固定连接的第一固连杆，用于将第一电极板与外框架固定连接的第二固连杆，与第一电极板和第二电极板均有连接的差动电容容量测量系统，以及连杆；连杆与外框架和第一电极板之间均不接触；第二电极板与第一电极板的结构相同，大小相等，方向相反；中间电极板置于第一电极板与第二电极板之间。本实用新型通过增加一对电容极板，消除导线与差动电容测微器中间电极板之间的机械力作用；实现了公知差动式电容测微器的测量功能，且结构简单，机械力扰动小。
Description
技术领域
本实用新型涉及测量设备技术领域，具体涉及一种中间电极板无导线连接的差动式电容测微器。
背景技术
电容测微器的精度和灵敏度很高，广泛地用于量程小、精度高的距离测量上。目前，公知文献1(胡国庆，蔡亚先.一种高精度电容测微器.地壳形变与地震，1986年03期)介绍了一种电容测微器结构，它由中间的活动的金属中间电极板和两边的两块固定的金属定片组成。公知文献2，中国专利99245185.X所公开的“一种高精度重力仪”的测微系统由上定片，中间电极板和下定片三块金属板(电容板)组成。公知文献3，“李文萍，海洋重力仪电容测微系统研究，中国科学院大学硕士学位论文，2013年”所公布的CHZ型海洋重力仪的重力传感器位移检测系统也采用了中间的中间电极板和两边的两块金属定片组成。按电容式传感器的原理，三片式差动电容位移传感器通过测量中间的电容极板(一般与被测对象固连，随被测对象移动，以下称为中间电极板)与两边的电容极板(一般与固定框架相固连，固定不动，以下称为定片)所组成的电容的容量差值来表征中间的中间电极板与两边的定片的相对距离。
在上述三片式差动电容测微器结构中，中间的电极板是电容的一个电极，测量时需要由导线连接至电容容量测量电路，如上述公知文献1至3的差动式电容测微器的中间电容极板均用导线连接到电容容量测量电路。在某些高精度差动式电容测微器测量任务中，如在高精度弹簧式重力仪重力检验质量块位移检测装置中，电容中间电极板与重力检验质量块相固连，随着电容中间电极板的移动，导线与差动式电容测微器中间电极板之间必然存在机械力的作用，对重力测量结果不利。如上述公知文献1至3降低导线对电容测微器的中间电容极板应力的解决方案是采用刚度极小的柔软导线，该导线加工困难，且容易拉断，即使采用了特殊加工的导线，该导线对电容测微器的中间电容极板的应力作用依然不能完全消除，对测量结果不利。
实用新型内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种中间电极板无导线连接的差动式电容测微器，其目的在于消除导线与差动电容测微器中间电极板之间的机械力作用。
本实用新型提供了一种中间电极板无导线连接的差动式电容测微器，包括外框架，设置在所述外框架内的第一电极板、中间电极板和第二电极板，用于将所述第二电极板与所述外框架固定连接的第一固连杆，用于将所述第一电极板与所述外框架固定连接的第二固连杆，与所述第一电极板和所述第二电极板均有连接的差动电容容量测量系统，以及连杆；所述连杆的一端与所述中间电极板的上表面固连，所述连杆的另一端依次穿过所述第一电极板的贯通孔和所述外框架顶端的孔后并伸出外框架的顶端可与被测物件固连；且连杆与外框架和第一电极板之间均不接触；所述第二电极板与所述第一电极板的结构相同，大小相等，方向相反；所述中间电极板置于所述第一电极板与所述第二电极板之间。
更进一步地，所述第一电极板包括呈同轴排列的绝缘基板、第一电容电极环、第二电容电极环和贯通孔；所述第一电容电极环和所述第二电容电极环附着在所述绝缘基板的同一面。
更进一步地，所述第一电容电极环和所述第二电容电极环之间相距0.1mm-5mm。
更进一步地，所述中间电极板的直径大于等于所述第一电容电极环的直径。
更进一步地，所述中间电极板与所述第一电极板之间的距离为0.2mm-1mm，所述中间电极板与所述第二电极板之间的距离为0.2mm-1mm。
更进一步地，所述差动式电容测微器还包括第一导线、第二导线和第三导线；所述第一导线用于将所述第二电极板的第二电容电极环与所述差动电容容量测量系统相连；所述第二导线用于将所述第一电极板的第一电容电极环和所述第二电极板的第一电容电极环与所述差动电容容量测量系统相连；所述第三导线用于将所述第一电极板的第二电容电极环与所述差动电容容量测量系统相连。
更进一步地，在所述外框架上设置有供所述第一导线、所述第二导线和所述第三导线穿越的孔。
更进一步地，所述连杆与所述外框架和所述第一电极板之间均不接触。
总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，本实用新型通过增加电容电极，消除导线与差动电容测微器中间电极板之间的机械力作用；实现了一种中间电极板无导线连接的差动式电容测微器，可用于实现公知差动式电容测微器的测量功能，且测量电路与测微器中间电极板间无机械连接，并且具有结构简单，机械力扰动小的优点。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种中间电极板无导线连接的差动式电容测微器结构原理示意图；
图2是本实用新型实施例提供的一种中间电极板无导线连接的差动式电容测微器电容定片结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为外框架、2a为第一电极板、3为中间电极板、2b为第二电极板、4为第一固连杆、5为第一导线、6为第二导线、7为第三导线、8为差动电容容量测量系统、9为连杆、10为第二固连杆、2-1为绝缘基板、2-2为第一电容电极环、2-3为第二电容电极环、2-4为贯通孔。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
图1示出了本实用新型实施例提供的电容测微器结构，图2示出了本实用新型实施例提供的电容测微器电容定片结构，为了便于说明，仅仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：
本实用新型实施例提供的一种中间电极板无导线连接的差动式电容测微器可以应用于弹簧式重力仪中，其中测微器的待测对象通常为重力质量块，可将重力质量块安装在连杆9上。
本实用新型实施例提供的中间电极板无导线连接的差动式电容测微器包括：外框架1、第一电极板2a、中间电极板3、第二电极板2b、第一固连杆4、第一导线5、第二导线6、第三导线7、差动电容容量测量系统8、连杆9和第二固连杆10；其中，第二电极板2b与第一电极板2a结构相同，第一电极板2a包括绝缘基板2-1、第一电容电极环2-2、第二电容电极环2-3和贯通孔2-4；
外框架1为支撑保护结构，并起电磁屏蔽作用，外框架1可选导电金属铜、铝等制成；外框架1顶中心部位有孔，供连杆9穿过且不相摩擦；外框架1留有必要的孔供第一导线5、第二导线6、第三导线7等穿越；
第一电极板2a，其置于外框架1内，其绝缘基板2-1通过第二固连杆10与外框架1内顶面固定连接，第二固连杆10的长度大于1mm；
第二电极板2b，其置于外框架1内，其绝缘基板2-1通过第一固连杆4与外框架1内底面固定连接，第一固连杆4的长度大于1mm；
第一电极板2a由绝缘基板2-1、第一电容电极环2-2、第二电容电极环2-3和贯通孔2-4构成，并呈同轴排列，其中第一电容电极环2-2和第二电容电极环2-3附着在绝缘基板2-1的同一面，贯通孔2-4贯通第一电极板2a，其中第一电容电极环2-2和第二电容电极环2-3之间相距0.1mm-5mm；第一电极板2a可用印刷电路工业制作；第一电容电极环2-2和第二电容电极环2-3可由铜铝等良导体制成。
在本实用新型实施例中，第二电极板2b与第一电极板2a结构、大小相同，方向相向；在此不再赘述第二电极板2b的具体结构。
第一电极板2a与第二电极板2b为差动式电容测微器定片；
中间电极板3置于第一电极板2a与第二电极板2b之间，中间电极板3与第一电极板2a的距离0.2mm-1mm，中间电极板3与第二电极板2b的距离0.2mm-1mm；中间电极板3可由铜铝等良导体制成；中间电极板3直径大于等于第一电容电极环2-2的直径；
外框架1的顶端留有孔，中间电极板3上表面与连杆9固连，连杆9通过第一电极板2a的贯通孔2-4伸出外框架1的顶端可与被测物件固连，中间电极板3与连杆9固连从被测物件获得支撑，连杆9与外框架1及第一电极板2a间不接触；
第一导线5用于将第二电极板2b的第二电容电极环2-3与差动电容容量测量系统8相连；第二导线6用于将第一电极板2a的第一电容电极环2-2与第二电极板2b的第一电容电极环2-2和差动电容容量测量系统8相连；第三导线7用于将第一电极板2a的第二电容电极环2-3与差动电容容量测量系统8相连。
差动电容容量测量系统8是测量微小差动电容容量的装置属于公知技术，公知文献1(胡国庆，蔡亚先.一种高精度电容测微器.地壳形变与地震,1986年03期)所公开的原理电路能实现该功能，也有专用芯片可用选择，如美国AnalogDevices,Inc.公司的AD7745/AD7746均为高分辨率、Σ-Δ电容数字转换器(CDC)，可直接与电容传感器的电容连接进行测量。该芯片还具有高分辨率(24位无失码、最高21位有效分辨率)、高线性度(±0.01％)和高精度(±4fF工厂校准)等固有特性。
如图2所示，该中间电极板无导线连接的差动式电容测微器工作原理如下：第一电极板2a上的第一电容电极环2-2与中间电极板3构成电容c11，第一电极板2a上的第二电容电极环2-3与中间电极板3构成电容c12，c11与c12串联，设其串联等效电容为c1，第二电极板2a上的第一电容电极环2-2与中间电极板3构成电容c21，第二电极板2a上的第二电容电极环2-3与中间电极板3构成电容c22，c21与c22串联，设其串联等效电容为c2，各金属电极间存在寄生电容，寄生电容对各电极板间的作用等效，视为共模作用，在差动测量中能大幅度衰减共模干扰，将测微器标定后能进一步降低共模干扰，差动测量的特点为公知知识。设该差动式电容测微器开始工作时，中间电极板3处于第一电极板2a和第二电极板2b的中间位置，此时c1与c2基本相等，差动电容容量测量系统8测得的c1与c2差动结果约为0，当被测对象通过连杆9带动中间电极板3向第一电极板2a方向移动，第一电极板2a上的第一电容电极环2-2与中间电极板3距离减小，电容c11容量变大，第一电极板2a上的第二电容电极环2-3与中间电极板3距离减小，电容c12容量变大，c11与c12串联后等效电容为c1容量变大，同时，第二电极板2b上的第一电容电极环2-2与中间电极板3距离加大，电容c21容量减小，第二电极板2b上的第二电容电极环2-3与中间电极板3距离加大，电容c22容量变大，c21与c22串联后等效电容为c2容量减小，差动电容容量测量系统8测得的c1-c2差动结果变大，反之，当被测对象通过连杆9带动中间电极板3向第二电极板2b方向移动，差动电容容量测量系统8测得的c1-c2的值将减小。
差动式电容测微器的标定过程如下：用一高精度微动升降台与连杆9相固连，调节微动升降台，使得中间电极板3在第一电极板2a与第二电极板2b间往复运动，同时记录微动升降台的读数与差动电容容量测量系统8的读数，通过数学拟合，忽略对校准作用不大的高次项，采用二次多项式拟合，即可标定出差动电容容量测量系统8的读数与中间电极板3在第一电极板2a与第二电极板2b间的位置关系，依此数学关系，本实用新型的差动式电容测微器实现了测微功能。次多项式拟合属于共公知技术方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种中间电极板无导线连接的差动式电容测微器，其特征在于，包括外框架(1)，设置在所述外框架内的第一电极板(2a)、中间电极板(3)和第二电极板(2b)，用于将所述第二电极板(2b)与所述外框架(1)固定连接的第一固连杆(4)，用于将所述第一电极板(2a)与所述外框架(1)固定连接的第二固连杆(10)，与所述第一电极板(2a)和所述第二电极板(2b)均有连接的差动电容容量测量系统(8)，以及连杆(9)；
所述连杆(9)的一端与所述中间电极板(3)的上表面固连，所述连杆(9)的另一端依次穿过所述第一电极板(2a)的贯通孔(2-4)和所述外框架(1)顶端的孔后并伸出外框架(1)的顶端可与被测物件固连；且所述连杆(9)与所述外框架(1)和所述第一电极板(2a)之间均不接触；
所述第二电极板(2b)与所述第一电极板(2a)的结构相同，大小相等，方向相反；所述中间电极板(3)置于所述第一电极板(2a)与所述第二电极板(2b)之间。
2.如权利要求1所述的差动式电容测微器，其特征在于，所述第一电极板(2a)包括呈同轴排列的绝缘基板(2-1)、第一电容电极环(2-2)、第二电容电极环(2-3)和贯通孔(2-4)；
所述第一电容电极环(2-2)和所述第二电容电极环(2-3)附着在所述绝缘基板(2-1)的同一面。
3.如权利要求2所述的差动式电容测微器，其特征在于，所述第一电容电极环(2-2)和所述第二电容电极环(2-3)之间相距0.1mm-5mm。
4.如权利要求2所述的差动式电容测微器，其特征在于，所述中间电极板(3)的直径大于等于所述第一电容电极环(2-2)的直径。
5.如权利要求2-4任一项所述的差动式电容测微器，其特征在于，所述中间电极板(3)与所述第一电极板(2a)之间的距离为0.2mm-1mm，所述中间电极板(3)与所述第二电极板(2b)之间的距离为0.2mm-1mm。
6.如权利要求2所述的差动式电容测微器，其特征在于，所述差动式电容测微器还包括第一导线(5)、第二导线(6)和第三导线(7)；
所述第一导线(5)用于将所述第二电极板(2b)的第二电容电极环与所述差动电容容量测量系统(8)相连；
所述第二导线(6)用于将所述第一电极板(2a)的第一电容电极环和所述第二电极板(2b)的第一电容电极环与所述差动电容容量测量系统(8)相连；
所述第三导线(7)用于将所述第一电极板(2a)的第二电容电极环与所述差动电容容量测量系统(8)相连。
7.如权利要求6所述的差动式电容测微器，其特征在于，在所述外框架(1)上设置有供所述第一导线(5)、所述第二导线(6)和所述第三导线(7)穿越的孔。
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