栅形电容式位移传感器制造技术

本发明专利技术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。（*该技术在2006年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。本专利技术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。按照本专利技术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as是大于每个电极的宽度bs，它们之间的关系是as＝4bo-bs，式中bo是每个电极的位移测量量程(或称有效位移宽度)，bs的选定是bo≤bs＜2bo。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bs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at，at＝3bo-bs，A组与C组及B组与D组邻近电极之间的绝缘宽度同为au，au＝2bo-bs，式中bo和bs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bp(as＞bp≥bs)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CA、CC、CB及CD。位移时处于测量工作状态下的两组电容CA与CB、CC与CB、CC与CD或CA与CD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。本专利技术的优点第一，在大位移测量中，本专利技术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bg(bg＝bs-bo)。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，本专利技术简单方便，而且，变化量与基量的比值大，对应的电路将是简单的，同要求下本专利技术的动极板面积小。第二，本专利技术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，或有如本专利技术这样简便实用。这也说明本专利技术电极的排列是充分有效地利用了极板面积。第三，定极板上as＞bs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，本专利技术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(as＞bs＞bo)。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)，可见本专利技术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，本专利技术选定和排列电极的四点规则(as＝4bo-bs，at＝3bo-bs，au＝2bo-bs及bo≤bs＜2bo)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。本专利技术借助有关必要的举例结合附图的详细说明如下图1是本专利技术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是本专利技术定极板的栅形电极图;图5是本专利技术动极板的栅形电极图;图6是本专利技术的定极板电极和动极板电极对应连线示意图;图7是本专利技术四组电容电路的转换原理图;图8是本专利技术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是本专利技术的定极板上电极加有保护环电极图;图11是本专利技术的动极板上电极加有保护环电极图;图12是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术的定极板上加一组大数电极的两组栅形电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
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…Ａ↓［３］、Ｃ↓［３］、Ａ↓［２］、Ｃ↓［２］、Ａ↓［１］、Ｃ↓［１］、Ｂ↓［１］、Ｄ↓［１］、Ｂ↓［２］、Ｄ↓［２］、Ｂ↓［３］、Ｄ↓［３］…，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。...

【技术特征摘要】
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as是大于每个电极的宽度bs，它们之间的关系是as=4bo-bs，式中bo是每个电极的位移测量量程(或称有效位移宽度)，bs的选定是bo≤bs＜2bo，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at=3bo-bs，A组与C组及B组与D组邻近电极之间的绝缘宽度同为au=2bo-bs，式中bo和bs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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王祖斌，
申请(专利权)人：王祖斌，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]