CN2869768Y - 一种基于电场合成原理的电容式线位移传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于电场合成原理的电容式线位移传感器，它是利用线位移方向均匀分布极板形成相变电场，通过不同位置的过渡感应耦合电荷至公共电极，实现线位移的测量。上述原理构成的传感器具有以下特征：a.源极板1组、公共极板2布置在同一平面上构成传感器定片；b.感应极板3为导电材料，直接连接外部线位移驱动结构件；c.定片上的源极板1沿线位移方向紧密排列、均匀分布，且各极板面积相等；d.激励源电路、信号处理鉴相电路及信号差分电路是其基本附属电路，集成或组合安装于定片上；e.极板可直接制作在覆铜板上。

Description

一种基于电场合成原理的电容式线位移传感器

技术领域：

本实用新型涉及采用传感器对线位移量的测量技术。

背景技术：

传统的线位移测量传感器有多种。变阻器结构是滑动部分与电阻体固定部分之间通过电刷在导电层面滑动实现线位移测量，它是“接触式”线位移测量传感器的代表；差动变压器结构通过电磁感应原理实现位移测量，是“非接触式”线位移测量传感器的代表。综合考虑原理与信号需求、体积大小、抗干扰性能、抗振动性能、耐温湿度变化性能、精度及其它技术指标、生产成本与实现工艺等的要求，不同的线位移传感器有不同的适用范围。性能优越且便于工业生产实现的传感器具有广阔的市场前景。

发明内容：

本实用新型的目的：

提出一种能实现高性能、低成本、工艺简单的非接触式线位移传感器。

本实用新型的技术关键：

利用一种变结构电容方案，在多块极板上通电形成多相电场，并借助一块导电过渡极板合成电场，实现线位移的鉴相测量。

为了实现本实用新型采用的技术：

a.变结构的电容极板

将平行结构的电容极板布置在同一个基材平面上，且多块正极板(源极板)沿线位移区域均匀分布排列，负极板(公共极板)合成一体与源极板平行分布。当某一或多块源极板平行面上出现导电的过渡极板(动片)感应耦合其电荷时，电场在过渡极板上合成，并再耦合至公共极板。

——此结构解决了传感器敏感部分设计的核心内容，既保证源极板与公共极板(输出)在同一基板上统一引线，运动部分非接触获取位移信息，又为传感器具有高灵敏度和稳定性设计提供方便。

b.多相激励源

在按线位移方向连续均匀分布的一组源极板定片中，依照极板数量(n≥3的整数)，每极板分别通以＝360°/n相位差的交流信号，形成一组多相电场。

——此激励源为利用合成电场信号的相位移关联待测线位移量创造了条件。位移方向可以从相移角正负增量中判断。

c.导电过渡极板

过渡极板动片对源极板定片和公共极板定片起到一个“桥接”的作用，从而可以形成对电容极板的等效串联。此过渡极板动片连接外部线位移移动部件。

——通过无电连接的感应型式过渡极板移位，实现非接触式角位移信号获取。

最终构成本实用新型的下述结构：

激励源极板和公共极板作为定片装于传感器壳体上，每一片源极板面积、形状相同，且紧密均匀地分布于绝缘基材上，源极板组内的极板数n是≥3的整数，沿线位移方向分布的源极板组数m是≥1的整数。

过渡极板作为动片，直接与外部线位移部件相联，可由传感器壳体支撑，在定片上保持一定相对均匀气隙滑动。

可以在上述定片的基材反面直接设置激励源电路、信号处理鉴相电路，上述定片可以直接制作在覆铜板上。上述定片也可以采用其它适用的薄或软性的基材实现。

本实用新型与现有技术比较的特点：

a.变结构电容原理使传感器制作工艺简单化，且成本下降明显，容易实现基于覆铜板材料的电极和电路一体化。

b.电相位与线位移结合，通过信号的相位变化测量线位移量，最大程度地减小了信号幅度对测量精度的影响，明显降低了对使用环境的要求。

c.当在特定尺寸长度内增加源极板组数后，可以进一步提高传感器精度；增加一定尺寸的源极板组数目，使进一步延长线位移测量的范围成为可能。

附图说明：

图1给出了变结构的电容极板工作示意。

图2示意了多相激励源下的传感器工作原理。

图3示意了传感器定片上源极板分组、分布和公共极板布置的一种实例情况。

图4示意了耦合合成信号的矢量图。

1：激励源极板(A、B、C、D为一组)；2：公共极板(信号引出端)；3：感应合成电场动片；4：动片位置示意；M：公共电极板引出端；N：源电极板引出端；A：组内源极板之一；B：组内源极板之二；C：组内源极板之三；D：组内源极板之四；

：0°激励源矢量；

：90°激励源矢量；

：180°激励源矢量；

：270°激励源矢量；

：动片对应位电场合成矢量；u_l：激励源信号；u_o：电场合成信号；a：一片源极板的宽度；w：一组源极板的宽度；d：动极板的宽度；d₁：动片位置之一；d₂：动片位置之二；d₃：动片位置之三；d₄：动片位置之四；d₅：动片位置之五；d₆：动片位置之六；d₇：动片位置之七；d₈：动片位置之八；d₉：动片位置之九；d₁₀：动片位置之十；α₁：0°激励源；α₂：90°激励源；α₃：180°激励源；α₄：270°激励源。

具体实施方法：

在一块双面覆铜板基材的同一个面上制作激励源极板1和公共极板2构成线位移传感器的定片。激励源极板1分布区域视线位移测量范围而定，线位移测量分辨率取决于特定尺寸内激励源组数m(m≥1)。每组内激励极板1数量n≥3，对应激励用源信号相位差间隔为＝360°/n。图3中给出了m＝3、n＝4时的极板布置。不同组之间对应的极板有电连接，以保证源电场沿线位移方向的等相位差分布。源极板1中各极板紧密排列(留有工艺间距)。

在双面覆铜板基材的另一面上设置激励源与信号鉴相、处理等电路，实现数字或模拟型式的位移信号检出与极性判别。

图4中感应动极板3给出了d₉位时的耦合合成信号矢量。

传感器配套激励源为一个多相位信号发生器，信号处理由以鉴相为核心的电路模块实现。

装配时定片可与传感器外壳连接，并引出信号线；感应动片3直接连接线位移驱动结构件。

Claims (3)

1.一种基于电场合成原理的电容式线位移传感器，源极板(1)沿线位移方向紧密排列、均匀分布，形成源极板组，各源极板(1)面积相等，沿线位移方向连续均匀分布的源极板(1)组数(m)是≥1的整数，每组覆盖测量范围内的特定线位移尺寸区域，源极板(1)组内的极板数(n)是≥3的整数，源极板(1)组与一块公共极板(2)及一块感应动片(3)组成线位移传感器，

其特征在于：

a.源极板(1)组定片沿线位移方向布置，并与公共极板(2)处于同一基材平面上，直接固定在传感器壳体或待测工件上；

b.感应动片(3)为导电材料，其宽度(d)满足条件：a≤d≤w(不计源极板间距)，直接连接线位移驱动结构件。

2.一种如权利要求1所述的线位移传感器，其特征在于：所述的源极板(1)所在的定片反面设置激励源电路、信号处理鉴相电路以及信号差分电路。

3.一种如权利要求1所述的线位移传感器，其特征在于：所述的定片上的源极板(1)和公共极板(2)是直接制作在覆铜板上的。

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