专利名称：多环并联式电容位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电容式位移传感器领域技术，尤其是指一种多环并联式电容位移传感器。
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 O目前已有的电容位移传感器主要有如下两大类I、差动式变极距型电容传感器其结构原理如图Ia和图Ib所示，在图Ia中，位于中央的双面极板20为动极板，与移动件相连接，位于两侧的单面极板10和单面极板30为固定极板，与固定基座相连，单面极板10和单面极板30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20纵向移动△(!，引起各对极板间的距离的同步变化，变化后的双面极板20与单面极板10和单面极板30的间隙分别为Cl1和d2。(如图Ib所示)。通常，平行板电容器，电容为C= ε S/d,其中，ε为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离。设Cltl为初始极距、Ctl为电容初始值及电容传感器的灵敏度为K，前述Cl1 =d0- Δ d, d2=d0+ Δ d, 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Λ C可写为=AC=C1-C2=ACAAC2=ZCqX Λ d/dQ，由此可得到该种电容传感器的灵敏度 K 为 K= Λ C/ Λ d=2 ε S/d。2。2、差动式变面积型电容传感器，其中，变面积型电容传感器有角位移型和线位移型两种。如图2a和图2b所示，其显示了平面线位移型典型结构，该动极板50用于与移动件相连接，定极板40与固定基座相连，其相对于固定基座的相对位置不变，测量时，被测量的移动件带动动极板50沿水平方向移动，引起两极板间有效覆盖面积的同步改变，从而得到电容的改变，电容变化量Λ C可写为Λ C=C1-C0= ε b0 Δ L/d0,其中，b0为极板有效覆盖宽度,Δ L为动极板的移动距离，d0为极距。K= Δ C/ Δ L= ε b0/d0o如图3a和图3b所示，其显示了角位移型典型结构，当动极板70有一转角时，与定极板60之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。设其转角为Λ a、极板半径为r，电容变化量为Λ C= ε Δ ar2/2d0,其灵敏度为K= Λ C/ Λ a= ε r2/2dQ。从上述内容中不难看出，为了提高传感器的灵敏度和量程，就必须增大极板的正对面积及极距，这样在体积上就难以实现微型化，使得电容传感器应用场合受到很大的局限。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种多环并联式电容位移传感器，其有效提高了测量精度，更能满足微动工作台中高测量精度、高灵敏度及大量程等要求。为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案一种多环并联式电容位移传感器，包括有相互配合的动极和定极，该定极包括有同轴且由内而外间距设置的单面定极轴、双面圆环定极板、单面圆环定极板；该动极包括有对应定极设置且同轴的第一双面圆环动极板和第二双面圆环动极板，该第一双面圆环动极板内形成有第一容置空腔，该第一双面圆环动极板与第二双面圆环动极板之间形成有第二容置空腔；该动极可轴向活动式嵌套于定极内，前述单面定极轴配合于第一容置空腔内并与第一双面圆环动极板内壁面构成第一电容；前述双面圆环定极板配合于第二容置空腔内并其内、外壁面分别与第一双面圆环动极板的外壁面、第二双面圆环动极板的内壁面构成 第二、三电容；前述单面圆环定极板配合于第二双面圆环动极板外围，并单面圆环定极板与第二双面圆环动极板的外壁面构成第四电容。作为一种优选方案，所述第一双面圆环动极板的内径大于单面定极轴的外径，该第一双面圆环动极板与第二双面圆环动极板的间距大于双面圆环定极板的厚度，该单面圆环定极板的内径大于第二双面圆环动极板的外径。作为一种优选方案,所述单面定极轴、双面圆环定极板、单面圆环定极板、第一双面圆环动极板及第二双面圆环动极板的轴向长度相等且两端对应齐平。作为一种优选方案，所述单面定极轴与双面圆环定极板的间距、双面圆环定极板与单面圆环定极板的间距、第一双面圆环动极板与第二双面圆环动极板的间距、第一双面圆环动极板内的圆柱形槽的直径均相等。作为一种优选方案,所述单面定极轴的直径及双面圆环定极板、单面圆环定极板、第一双面圆环动极板、第二双面圆环动极板的厚度均相等。作为一种优选方案，所述第二双面圆环动极板的外围设置屏蔽环，前述单面圆环定极板位于屏蔽环与第二双面圆环动极板之间，并屏蔽环与第二双面圆环动极板的间距大于单面圆环定极板的厚度。作为一种优选方案，所述单面圆环定极板的外壁面为屏蔽层。作为一种优选方案，所述动极包括有圆形基板，前述第一双面圆环动极板、第二双面圆环动极板及屏蔽环均自圆形基板前侧一体延伸而成。作为一种优选方案,所述定极包括有圆形基板，前述单面定极轴、双面圆环定极板、单面圆环定极板均自圆形基板后侧一体延伸而成。作为一种优选方案，所述动极和定极通过外围细螺杆定位，各细螺杆各自套有压簧来控制动极复位。本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，其主要系一、通过将动极和定极均设计为包括两个以上的同轴圆环极板，该动极和定极的各极板相互嵌套结合，能够形成四组以上的环状并联电容，如此，动极随被测物件相对定极沿轴向移动时，各组电容的两极板间的有效覆盖面积均产生形态相同的变化，各组差动变化量累加，在体积不变的前提下，很大程度上增大了微动时动极与定极间面积的的总变化量，增大了微动时电容总变化量，从而大大提高了微距测量时的精度及灵敏度，其更能满足微型化应用场合的需求。二、前述定极及动极均系由圆形基板一侧一体延伸出相应极板，其结构简单、易于加工制作，降低了生产成本。三、动极和定极的外围均设置有屏蔽层，有效减少了边缘效应对测量精度的影响，有利于保证微距测量时较高的精度及灵敏度。为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
图Ia和图Ib为已有技术中差动式变极距型电容传感器原理示意图； 图2a和图2b为已有技术中差动式变面积型电容传感器原理示意图(平面线位移型典型结构)；图3a和图3b为已有技术中差动式变面积型电容传感器原理示意图(角位移型典型结构)；图4a为本发明之较佳实施例的结构示意图；图4b为本发明之较佳实施例中动极和定极的结构示意图；图4c为本发明之较佳实施例中动极与定极的结合位置示意图。附图标识说明10、单面极板20、双面极板30、单面极板40、定极板50、动极板60、定极板70、动极板100、动极101、圆形基板102、第一双面圆环动极板103、第二双面圆环动极板104、屏蔽环105、第一容置空腔106、第二容置空腔200、定极201、圆形基板202、单面定极轴203、双面圆环定极板204、单面圆环定极板205、屏蔽层301、细螺杆302、压簧
具体实施例方式请参照图4a至图4C所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构。该多环并联式电容位移传感器，其包括有定极200和可轴向活动式嵌套于定极200内的动极100，其类似于圆柱线位移型电容式传感器。将本发明应用于微动测距时，动极100通过测头感受待测物体微小位移量，定极200与固定基相连，从而定极200的位置保持不变，与待测微动物体相连的动极100通过相对定极200的移动实现极板面积的变化。
如图4b所示，该动极100包括有圆形基板101和自圆形基板101前侧一体延伸而成且同轴设置的第一双面圆环动极板102、第二双面圆环动极板103及屏蔽环104，该屏蔽环104设置于第二双面圆环动极板103的外围，该屏蔽环104与第二双面圆环动极板103的间距大于下述单面圆环定极板204的厚度；该第一双面圆环动极板102内形成有第一容置空腔105，该第一双面圆环动极板102与第二双面圆环动极板103之间形成有第二容置空腔106 ;该定极200包括有圆形基板201和自圆形基板201后侧一体延伸而成且同轴设置的单面定极轴202、双面圆环定极板203、单面圆环定极板204 ;并,前述单面定极轴202、双面圆环定极板203、单面圆环定极板204、第一双面圆环动极板102及第二双面圆环动极板103的轴向长度相等且两端对应齐平。前述单面定极轴202与双面圆环定极板203的间距、双面圆环定极板203与单面圆环定极板204的间距、第一双面圆环动极板102与第二双面圆环动极板103的间距、第一双面圆环动极板103内的圆柱形槽的直径均相等；前述单面定极轴202的直径及双面圆环定极板203、单面圆环定极板204、第一双面圆环动极板102、第二双面圆环动极板103的厚度均相等；该第一双面圆环动极板102的内径大于单面定极轴202的外径，该第一双面圆环 动极板102与第二双面圆环动极板103的间距大于双面圆环定极板203的厚度，该单面圆环定极板204的内径大于第二双面圆环动极板103的外径；如图4c所示，若设定动极100和定极200上的各同轴圆环极板厚度为M，间距为N，则间距N必须大于厚度M，如此，可以满足各对应极板之间留有一定间隙用于添加电解质。又如图4c所示,该第一双面圆环动极板102配合于单面圆环定极板204与双面圆环定极板203之间，并第二双面圆环动极103板配合于双面圆环定极板203与单面定极轴202之间。如此，该单面定极轴202的外表面和第一双面圆环动极板102的内壁面、该第一双面圆环动极板102的外壁面和双面圆环定极板203的内壁面、该双面圆环定极板203的外壁面和第二双面圆环动极板103的内壁面、该第二双面圆环动极板103的外壁面与单面圆环定极板204的内壁面分别构成共四组电容Cl、C2、C3、C4 ;当然，也可以于动极和定极上设置更多相应的极板，从而构成更多组数的电容。简述本发明之多环并联式电容位移传感器的工作原理如下动极100随被测物件相对定极200沿轴向移动时，动极100的各极板与定极200的各相应极板间的有效正对面积发生变化，即前述四组电容发生变化，传感器的电容总变化量等于四组电容的电容变化量累加，根据累加后的总电容变化量反向计算出被测物件的微动距离。需要说明的是，前述动极100之屏蔽环104及将单面圆环定极板204的外壁面设计为屏蔽层205，其目的在于有效减少边缘效应对测量精度的影响，有利于保证微距测量时较高的精度及灵敏度。另外，前述动极100和定极200通过外围细螺杆301定位，各细螺杆301各自套有压簧302来控制动极100复位。本发明的设计重点在于，主要系通过将动极和定极均设计为包括两个以上的同轴圆环极板，该动极和定极的各极板相互嵌套结合，能够形成四组以上的环状并联电容，如此，动极随被测物件相对定极沿轴向移动时，各组电容的两极板间的有效覆盖面积均产生形态相同的变化，各组差动变化量累加，在体积不变的前提下，很大程度上增大了微动时动极与定极间面积的的总变化量，增大了微动时电容总变化量，从而大大提高了微距测量时的精度及灵敏度，其更能满足微型化应用场合的需求。 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍 属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种多环并联式电容位移传感器，包括有相互配合的动极和定极，其特征在于该定极包括有同轴且由内而外间距设置的单面定极轴、双面圆环定极板、单面圆环定极板；该动极包括有对应定极设置且同轴的第一双面圆环动极板和第二双面圆环动极板，该第一双面圆环动极板内形成有第一容置空腔，该第一双面圆环动极板与第二双面圆环动极板之间形成有第二容置空腔；该动极可轴向活动式嵌套于定极内，前述单面定极轴配合于第一容置空腔内并与第一双面圆环动极板内壁面构成第一电容；前述双面圆环定极板配合于第二容置空腔内并其内、外壁面分别与第一双面圆环动极板的外壁面、第二双面圆环动极板的内壁面构成第二、三电容；前述单面圆环定极板配合于第二双面圆环动极板外围，并单面圆环定极板与第二双面圆环动极板的外壁面构成第四电容。
2.根据权利要求I所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于所述第一双面圆环动极板的内径大于单面定极轴的外径，该第一双面圆环动极板与第二双面圆环动极板的间距大于双面圆环定极板的厚度，该单面圆环定极板的内径大于第二双面圆环动极板的外径。
3.根据权利要求I所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于所述单面定极轴、双面圆环定极板、单面圆环定极板、第一双面圆环动极板及第二双面圆环动极板的轴向长度相等且两端对应齐平。
4.根据权利要求I所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于所述单面定极轴与双面圆环定极板的间距、双面圆环定极板与单面圆环定极板的间距、第一双面圆环动极板与第二双面圆环动极板的间距、第一双面圆环动极板内的圆柱形槽的直径均相等。
5.根据权利要求4所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于所述单面定极轴的直径及双面圆环定极板、单面圆环定极板、第一双面圆环动极板、第二双面圆环动极板的厚度均相等。
6.根据权利要求I所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于所述第二双面圆环动极板的外围设置屏蔽环，前述单面圆环定极板位于屏蔽环与第二双面圆环动极板之间，并屏蔽环与第二双面圆环动极板的间距大于单面圆环定极板的厚度。
7.根据权利要求I所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于所述单面圆环定极板的外壁面为屏蔽层。
8.根据权利要求6所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于所述动极包括有圆形基板，前述第一双面圆环动极板、第二双面圆环动极板及屏蔽环均自圆形基板前侧一体延伸而成。
9.根据权利要求I所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于所述定极包括有圆形基板，前述单面定极轴、双面圆环定极板、单面圆环定极板均自圆形基板后侧一体延伸。
10.根据权利要求I所述的多环并联式电容位移传感器，其特征在于所述动极和定极通过外围细螺杆定位，各细螺杆各自套有压簧来控制动极复位。
全文摘要
本发明公开一种多环并联式电容位移传感器,包括有动极和定极，该定极包括有同轴且由内而外设置的单面定极轴、双面圆环定极板、单面圆环定极板；该动极包括有对应定极设置且同轴的第一双面圆环动极板和第二双面圆环动极板；动极随被测物件相对定极沿轴向移动时，能够形成四组以上的环状并联电容，如此，被测量的移动件带动动极沿轴向移动时，各组电容的两极板间的有效覆盖面积均产生形态相同的变化，各组差动变化量累加，在体积不变的前提下，很大程度上增大了微动时动极与定极间面积的总变化量，增大了微动时电容总变化量，从而大大提高了微距测量时的精度及灵敏度，其更能满足微型化应用场合的需求。
文档编号G01B7/02GK102840822SQ20121029558
公开日2012年12月26日 申请日期2012年8月17日 优先权日2012年8月17日
发明者范伟, 李钟慎, 马桂旭 申请人:华侨大学