CN86106558A

CN86106558A - 栅形电容式位移传感器

Info

Publication number: CN86106558A
Application number: CN86106558.1A
Authority: CN
Inventors: 王祖斌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-09-09
Filing date: 1986-09-09
Publication date: 1988-03-23
Also published as: CN1019601B

Abstract

本发明提供了一种栅形电容位移传感器，定极板上电极由矩形条状电极组成栅形；动极板上电极是四组矩形条状电极组成栅形交叉排列，适合大位移测量。克服边缘效应有了新的措施，可以保证电容变化量与位移量的高线性精度，使测量精度仅取决于小电容量的测量精度，这种电极排列方式既适用于直线位移的方形极板，又适用于旋转位移的圆形和筒形极板，极板上可大数和小数并列。

Description

本发明涉及电容传感器电极是栅形，且为变面积型的电容传感器，用这个电容变化量测量两个物体的相对位移量，特别是能够高精度的测量大位移量。

现有位移测量的电容传感器，例如在美国专利№3723866中，当电容传感器的可动极板（简称动极）相对它的固定极板（简称定极）位移至无覆盖或少量覆盖状态时，由于边缘效应使位移变化量和电容变化量是非线性的。并且指出只有当位移和电容量均超过四分之一节距情况下，在它们之间可得到一个满意的线性关系。为此，在美国专利№3857092中指出：“这容易校正，它能用每个电极的宽度大于每个电极的位移测量量程，而且两个极板之间的距离选的足够小来校正”。实际上，上述第一点在现有用于大位移测量的一些电极排列方式是不可能满足的，它只能选择尽可能小的邻近电极之间的绝缘宽度，使每个电极宽度近似等于每个电极的位移测量量程;上述第二点，由于极板之间距离过小，限制了它的运用范围。特别是在大型机械位移中，这一极间距离不宜过小。

本发明的目的是针对上述缺点，提出一种改进电极排列的极板，它可以充分满足每个电极宽度大于每个电极位移测量量程。特别是在超过每个电极测量量程的大位移测量下，依次转换的各个电极不是等距顺序排列，它保证在满足线性精度下，选择每个电极宽度大于每个电极位移测量量程;而对动极板和定极板之间的距离无需限制过小。同时，对每个电极又有了保护环电极，充分保证了位移变化量和电容变化量的高线性精度。这种传感器的位移测量精度仅取决于小电容量的测量精度。

按照本发明所提供的电容传感器叙述如下，组成电容传感器的定极板和动极板上有许多矩形条状组成的栅形电极。动极板和定极板相对的平面之间是平行不变的间距。动极板可沿指定方向相对于定极板间距不变的平行运动。在与动极板相对的定极板平面上，沿极板运动方向按位移量程需要，平行排列同宽度、同长度和等间隔的矩形条状电极（简称电极），所有电极的两个端头中的一个端头，由与电极相垂直的矩形条状电极相连在一起，这样电气上各个电极是相互连通。相邻电极之间的绝缘宽度a_s是大于每个电极的宽度b_s，它们之间的关系是a_s＝4b_o-b_s，式中b_o是每个电极的位移测量量程（或称有效位移宽度），b_s的选定是b_o≤b_s＜2b_o。在与定极板相对的动极板平面上，与定极板上电极相对应的排列着四组同b_s宽度、同长度和间距不同的矩形条状电极（简称电极），它们是沿位移方向平行排列成A、C、B及D四组电极，在动极板上与位移方向相垂直的中心线两侧，左侧是A组电极与C组电极交叉相邻排列，右侧是B组电极与D组电极交叉相邻排列。每组各个电极可与定极板相同方式分别错开在两端相连在一起，或在极板的背面由导线相连。C组与B组邻近电极之间的绝缘宽度a_t，a_t＝3b_o-b_s，A组与C组及B组与D组邻近电极之间的绝缘宽度同为a_u，a_u＝2b_o-b_s，式中b_o和b_s同定极板上的含义和规定。

动极板上四组电极中，左侧A组中每个电极的左边和右边都是C组相邻电极，而C组中每个电极的左边和右边都是A组相邻电极;右侧的B组与D组电极排列也是同上方式。这便有全部排列为…A₃、C₃A₂、C₂、A₁、C₁、B₁、D₁、B₂、D₂、B₃、D₃…;其中脚码号为每组电极的序号。位移测量时，处于测量工作状态下仅有两组，它的轮换方式，左侧是A组与C组轮换，右侧是B组与D组轮换;这样，处于工作状态下的四种组合是A组与B组、C组与B组、C组与D组及A组与D组。在这种排列和轮换的组合中，不处于测量工作状态下的电极恰恰是在处于测量工作状态下电极的两侧，这样把不处于测量工作状态的电极可用作保护环电极，这是非常简便可行的。用于高线性精密位移测量中，还可在定极板上邻近电极之间插入一个宽度为b_p（a_s＞b_p≥b_s）的电极作为保护环电极。

把动极板上四组各个电极和定极板上各个电极同垂直于位移运动方向平行相对，动极板上四组电极相对于定极板上电极构成四组电容，分别为C_A、C_C、C_B及C_D。位移时处于测量工作状态下的两组电容C_A与C_B、C_C与C_B、C_C与C_D或C_A与C_D都是保持连续差分下交替轮换。位移测量中，前进或后退时，对应于两个差分电容量的计数是增加或减少，并在电极转换中保持逻辑计数的正确性。

本发明的优点：

第一，在大位移测量中，本发明电极的排列和组合方式，保证了每个电极宽度大于每个电极的测量量程。这两者之差是每个电极处于测量工作时的起点覆盖宽度b_g（b_g＝b_s-b_o）。它的大小根据极间距离和量侧的线性精度来选定，这在现有技术都是等距排列和顺序轮换方式下无法实现的。这种克服边缘效应影响的方式与使用两组差分电容电极处于等同边缘状态（如日本专利昭60-93312）相比，本发明简单方便，而且，变化量与基量的比值大，对应的电路将是简单的，同要求下本发明的动极板面积小。

第二，本发明动极板上四组电极是非等距排列和交错轮换方式，它使所有处于测量工作状态下的每个电极都有保护环电极。虽然用保护环电极克服边缘应和避免邻近电极的相互影响是人所共知的。但实际中，不是所有电极都能添加保护环电极，或有如本发明这样简便实用。这也说明本发明电极的排列是充分有效地利用了极板面积。

第三，定极板上a_s＞b_s不仅可在相邻电极中添加保护环电极，也是避免邻近电极的相互影响措施之一。这在栅形电极中尤为重要。

第四，本发明提供的定极板和动极板上每个电极都有保护环电极，每个电极宽度大于每个电极测量程的宽度，而小于邻近电极之间的绝缘宽度（a_s＞b_s＞b_o）。这在现有电极排列的方式中是不能全部满足的。正因如此，它给电容型位移测量提供了高精度线性测量（如精度高于微米以上）的可能。它能使测量精度仅取决于小电容量的测量精度。现有技术中，小电容测试技术有了很大进步，测量10^-8～10^-9微微法的电容变化量也不再引起困难（见张钟华著“电容传感器中的边缘效应对输出特性的影响”，传感器论文集第一册67页，中国仪器仪表学会1984年5月武汉），可见本发明的传感器用于大位移测量中提高测量精度的潜力很大。

在上述措施保证下，细分精度为1微米的大位移测量中动极板和定极板之间距离可适当加大，有利于在大型机械位移测量中的应用。

第五，本发明选定和排列电极的四点规则（a_s＝4b_o-b_s，a_t＝3b_o-b_s，a_u＝2b_o-b_s及b_o≤b_s＜2b_o）有如游标卡尺中游标规则那样简单，正因为简单，它也有如游标规则那样长存和普及。

本发明借助有关必要的举例结合附图的详细说明如下：

图1是本发明的定极板和动极板相对位置示意图;

图2是与图1中F箭头方向相垂直的剖视图;

图3是与图1中F箭头方向平行的剖视图;

图4是本发明定极板的栅形电极图;

图5是本发明动极板的栅形电极图;

图6是本发明的定极板电极和动极板电极对应连线示意图;

图7是本发明四组电容电路的转换原理图;

图8是本发明的每个电极位移测量量程的起点和终点状态图;

图9是在图8状态下左移后的状态图;

图10是本发明的定极板上电极加有保护环电极图;

图11是本发明的动极板上电极加有保护环电极图;

图12是本发明的定极板上电极加有保护环电极和动极板电极对应连线示意图;

图13是本发明的动极板上电极加有保护环电极与定极板电极对应连线示意图;

图14是本发明的定极板上电极和动极板上电极都有保护环电极对应连线图的一种举例;

图15是本发明的定极板上加一组大数电极的两组栅形电极图;

图16是本发明的动极板上加一组大数电极的两组栅形电极图;

图17是本发明的圆环栅形定极板图;

图18是本发明的圆环栅形动极板图;

图19是本发明的圆柱体圆周栅形定极板图;

图20是本发明的圆柱体圆周栅形动极板图;

图21是本发明的圆柱体轴向栅形定极板图;

图22是本发明的圆柱体轴向栅形动极板图;

图1是组成栅形电容位移传感器的两个部件，其中动极板可相对定极板沿着F箭头的指向相对平行运动。图1、图2和图3中，1是定极板，2是动极板，d是定极板上电极和动极板上电极之间的距离，定极板1是利用基座5安装在被测机件的不动部件6上。动极板2是利用滑座7安装在被测机件的可动部件上（图中未画）。如前所述，b_s是每个电极的宽度;动极板上的四组电极是A组、C组、B组和D组，a_s是定极板上相邻之间的绝缘宽度;a_u是动极板上A组与C组或B组与D组相邻电极之间的绝缘宽度;a_t是动极板上C组和B组相邻电极之间的绝缘宽度。它们是按上述：a_s＝4b_o-b_s，a_t＝3b_o-b_s，a_u＝2b_o-b_s和b_o≤b_s＜2b_o关系选定。

图4中S是栅形电极连线的引出端头。图5中A、C、B和D是四组电极连线的引出端头，它是在极板的背面用导线相连。定极板及动极板的材料和印制电路技术是和感应同步器的制作相同。

图6和图7是本发明的四组电容电路的连结和原理图。图7中组成电容C_A、C_C、C_B和C_D分别是动极板上A、C、B和D四组电极对应定极板电极的电容。它利用电子开关（简称开关）K_P和K_Q的转换连在P和Q端，组成A组与B组、C组与B组、C组与D组和A组与D组四种组合状态下的两个电容量（C₁和C₂）。图7中K_P和K_Q所示位置是A组和B组处于工作状态，即C_A＝C₁和C_B＝C₂，而C组和D组处于断开不工作状态。K_P和K_Q的控制是跟踪位移测量的特征自动控制。

四组轮换的过程结合附图说明如下：

图8中动极板的A组电极与定极板电极对应为全覆盖状态，它的覆盖宽度是b_z＝b_s-b_o，这是每个电极单位位移量程的终点覆盖宽度，也是工作状态下最大覆盖宽度。图8中动极板上B组和D组电极对应定极板电极覆盖状态是起点覆盖状态，它的覆盖宽度是b_g＝b_s-b_o，这是每个电极单位位移量程的起点覆盖宽度，也是工作状态下最小覆盖宽度。在图8中动极板上C组电极与定极板上电极无覆盖，它不被选用为位移测量工作状态。这样，每个电极的单位位移测量量程的起点在b_g＞O的覆盖状态下，有利于克服边缘效应对测量的影响。

动极板左移（简称左移）时，A组覆盖宽度由最大值开始减小，B组覆盖宽度由最小值开始增大，选用A组与B组组成一对推挽变化的两个电容量。在左移情况下，D组覆盖宽度由最小值继续减小，不可选用。同理，右移时是选用A组与D组组成一对推挽变化的两个电容量。这说明不论左移或右移，它都能保持位移测量的正确性。这四组电极排列具有方向因子，适应运动方向的变换。

图9是在图8状态下左移后的状态图。图9中A组和B组是由K_P与K_Q开关和检测电路相连。C组和D组电极皆处于无覆盖的不工作状态。在此状态下，运动方向改变为右移，仍然是A组和B组电极处于工作状态。只是左移时，C₁＝C_A是递减变化，C₂＝C_B是递增变化;右移时，C₁＝C_A是递增变化，C₂＝C_B是递减变化。这种递减（或递增）与递增（或递减）的转换是符合加法与减法的逻辑转换，保证了运动方向变换时位移测量的正确性。

以下类推，不再例举。

克服栅形电极边缘效应影响的措施是使每个电极处于保护环中。

图10中由于a_s＞b_s，可在定极板邻近电极之间再加入一组电极宽度为b_p（a_s＞b_p≥b_s）的保护环电极。E₁是保护环电极连线的引出端头。它可以连至与工作状态的电极相同电位或其他适当电位（如接地）的电源。

由图9可看出，处于工作状态下A组电极或B组电极的左侧和右侧，恰有不工作的C组或D组电极与其相邻;显然，又若当C组或D组电极处于工作状态下，其左侧和右侧同样有不工作的A组或B组电极与其相邻。这样，把不处于工作状态下的电极都用作保护环电极如图13所示，E₂和E₃是保护环电极的连线引出端头。它可连至与工作状态电极同电位或适当电位（如接地）电源。又由图12中看出，总有一组（如A组）最左端（或最右端）的一个电极是没有保护环电极。因此，在动极板上A组与C组及B组与D组分别有两个矩形条状周框的保护环电极，如图11所示。E是两个方形保护环的引线端。

图14是本发明定极板上电极和动极上电极都有保护环电极的对应连线图的一种举例。图14中A组与B组处于工作状态时，将C组与D组连在E端上。这使定极板上电极及动极板上A与B组中的电极都处于保护环电极中。

每个电极的单位位移测量量程，通常是在1～2毫米范围内，超过这一量程以上是由计数器的累积计数保持连续。计数中停电时，它只能保持1～2毫米范围的小数位置。为此，在图4的定极板上和图5动极板上再加一套范围扩大一些的大数计数，大数计数的范围是小数的N倍，N是大于零的正数。这样，每个大数电极的单位位移测量量程b^′ _o＝Nb_o，它们的对应关系分别是a^′ _s＝4b^′ _o-b^′ _s，a^′ _t＝3b^′ _o-b^′ _s，a^′ _u＝2b^′ _o-b^′ _s，b

≤b^′ _s＜2b^′ _o和b^′ _o＝Nb_o，式中“，”为大数含义。由上述关系画出定极板图15和动极板图16。

旋转运动的极板是圆环形，用于测量角位移。

图17和图18中的中心角α_b、α_a、α_t及α_u是分别对应前述的b_s、a_s、a_t及a_u各参数。且α_a＝4α_o-α_b、α_t＝3α_o-α_b、α_u＝2α_o-α_b，这α_o是对应b_o参数。

栅形线条电极可敷制在圆柱形极板上。

图19中栅形线条是沿柱形管内壁的圆周敷印，且轴向排列。图20中栅形线条是沿圆柱体表面的圆周敷印，也是轴向排列。它在图19的柱形管内运动，用于测定轴向位移。

图21中栅形线条敷印在柱形管内壁，且平行于轴心。图22中栅形线条敷印在圆柱体表面上，也是平行于轴心。它在图21的柱形管内旋转，用于角位移的测量。

利用上述栅形电极，同时可测轴的旋转和轴向位移，不再例举。

动极板和定极是相对而言，两个极板上的电极可根据连线的方便进行互换。

本发明的一种应用举例：

选用b_o＝1毫米，b_s＝1.5毫米。

求出：a_s＝2.5毫米，a_t＝1.5毫米，a_u＝0.5毫米，b_g＝0.5毫米，b_z＝1.5毫米。

定极板和动极板之间距离（d）可在0.1～0.25毫米内选定。定极板电极和动极板上电极的有效覆盖长度和动极板上每组电极的根数，可根据量测的细分精度、可测的微小电容变化量及变化量与基量的比值等要求综合选定。

Claims

1、栅形电容式位移传感器，有一个定极板和一个可相对定极板在给定方向下作间距不变的平行运动的动极板，在相互对应的定极板和动极板平面上，沿极板运动方向，平行排列同宽度、同长度和等间隔的矩形条状电极(简称电极)，其特微是在定极板上所有电极两个端头中的一个端头，由与电极相垂直的矩形条状电极相连在一起，相邻电极之间的绝缘宽度a_s是大于每个电极的宽度b_s，它们之间的关系是a_s=4b_o-b_s，式中b_o是每个电极的位移测量量程(或称有效位移宽度)，b_s的选定是b_o≤b_s＜2b_o，在动极板上有A、C、B及D四组电极，且与位移方向相垂直的中心线两侧，左侧是A组电极与C组电极交叉相邻排列，右侧是B组电极与D组电极交叉相邻排列，每组各个电极可与定极板相同方式分别错开在两端相连在一起，或在极板的背面由导线相连，C组与B组邻近电极之间的绝缘宽度a_t=3b_o-b_s，A组与C组及B组与D组邻近电极之间的绝缘宽度同为a_u=2b_o-b_s，式中b_o和b_s同定极板的含义和规定，全部排列为…A₃、C₃、A₂、C₂、A₁、C₁、B₁、D₁、B₂、D₂、B₃、D₃…，其中脚码号为每组电极的序号，处于工作状态下的四种组合是A组与B组、C组与B组、C组与D组及A组与D组。

2、按权利要求1规定的电极，其特征是在定极板邻近电极之间插入一个宽度为b_p（a_s＞b_p≥b_s）的电极作为保护环电极，在动极板上A组与C组及B组与D组分别有两个矩形条状周框的保护环电极，A组为测量工作状态时，C组作保护环电极，B组为测量工作状态时，D组作保护环电极，反之也反，上述所有保护环电极都连至E端接至适当电位（如接地），或分别连至与工作状态电极保持等同电位。

3、按权利要求1规定的极板上，其特征加一套范围扩大一些的大数计数，大数计数的范围是小数的N倍，N是大于零的正数，每个大数电极的单位位移测量量程b^′ _o＝Nb_o，它们的对应关系分别是a^′ _s＝4b^′ _o-b^′ _s，a^′ _t＝3b^′ _o-b^′ _s，a^′ _u＝2b^′ _o-b^′ _s，b^′ _o≤b^′ _o＜2b^′ _o和b^′ _o＝Nb_o，式中“1”为大数含义。

4、按权利要求1规定的极板，其特征旋转运动的极板是圆环形，用于测量角位移，它的中心角α_b、α_a、α_t及α_u是分别对应前述的b_s、a_s、a_t及a_u各参数，且α_a＝4α_o-α_b，α_t＝3b_o-α_b、α_a＝2α_o-α_b，这α_o是对应b_o参数。

5、按权利要求1规定，其特征是栅形线条沿柱形管内壁和圆柱体表面的圆周敷印，轴向排列，圆柱体在柱形管内壁运动，用于测定轴向位移。

6、按权利要求1规定，其特征是栅形线条是敷印在柱形管内壁和圆柱体表面，且平行于轴心、圆柱体在柱形管内旋转，用于角位移的测量。