一種基於電場合成原理的電容式線位移傳感器的製作方法

2023-12-12 08:12:22 2

專利名稱：一種基於電場合成原理的電容式線位移傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及採用傳感器對線位移量的測量技術。
背景技術：
傳統的線位移測量傳感器有多種。變阻器結構是滑動部分與電阻體固定部分之間通過電刷在導電層面滑動實現線位移測量，它是「接觸式」線位移測量傳感器的代表；差動變壓器結構通過電磁感應原理實現位移測量，是「非接觸式」線位移測量傳感器的代表。綜合考慮原理與信號需求、體積大小、抗幹擾性能、抗振動性能、耐溫溼度變化性能、精度及其它技術指標、生產成本與實現工藝等的要求，不同的線位移傳感器有不同的適用範圍。性能優越且便於工業生產實現的傳感器具有廣闊的市場前景。

發明內容
本實用新型的目的提出一種能實現高性能、低成本、工藝簡單的非接觸式線位移傳感器。
本實用新型的技術關鍵利用一種變結構電容方案，在多塊極板上通電形成多相電場，並藉助一塊導電過渡極板合成電場，實現線位移的鑑相測量。
為了實現本實用新型採用的技術a.變結構的電容極板將平行結構的電容極板布置在同一個基材平面上，且多塊正極板(源極板)沿線位移區域均勻分布排列，負極板(公共極板)合成一體與源極板平行分布。當某一或多塊源極板平行面上出現導電的過渡極板(動片)感應耦合其電荷時，電場在過渡極板上合成，並再耦合至公共極板。
——此結構解決了傳感器敏感部分設計的核心內容，既保證源極板與公共極板(輸出)在同一基板上統一引線，運動部分非接觸獲取位移信息，又為傳感器具有高靈敏度和穩定性設計提供方便。
b.多相激勵源在按線位移方向連續均勻分布的一組源極板定片中，依照極板數量(n≥3的整數)，每極板分別通以＝360°/n相位差的交流信號，形成一組多相電場。
——此激勵源為利用合成電場信號的相位移關聯待測線位移量創造了條件。位移方向可以從相移角正負增量中判斷。
c.導電過渡極板過渡極板動片對源極板定片和公共極板定片起到一個「橋接」的作用，從而可以形成對電容極板的等效串聯。此過渡極板動片連接外部線位移移動部件。
——通過無電連接的感應型式過渡極板移位，實現非接觸式角位移信號獲取。
最終構成本實用新型的下述結構激勵源極板和公共極板作為定片裝於傳感器殼體上，每一片源極板面積、形狀相同，且緊密均勻地分布於絕緣基材上，源極板組內的極板數n是≥3的整數，沿線位移方向分布的源極板組數m是≥1的整數。
過渡極板作為動片，直接與外部線位移部件相聯，可由傳感器殼體支撐，在定片上保持一定相對均勻氣隙滑動。
可以在上述定片的基材反面直接設置激勵源電路、信號處理鑑相電路，上述定片可以直接製作在覆銅板上。上述定片也可以採用其它適用的薄或軟性的基材實現。
本實用新型與現有技術比較的特點a.變結構電容原理使傳感器製作工藝簡單化，且成本下降明顯，容易實現基於覆銅板材料的電極和電路一體化。
b.電相位與線位移結合，通過信號的相位變化測量線位移量，最大程度地減小了信號幅度對測量精度的影響，明顯降低了對使用環境的要求。
c.當在特定尺寸長度內增加源極板組數後，可以進一步提高傳感器精度；增加一定尺寸的源極板組數目，使進一步延長線位移測量的範圍成為可能。


圖1給出了變結構的電容極板工作示意。
圖2示意了多相激勵源下的傳感器工作原理。
圖3示意了傳感器定片上源極板分組、分布和公共極板布置的一種實例情況。
圖4示意了耦合合成信號的矢量圖。
1激勵源極板(A、B、C、D為一組)；2公共極板(信號引出端)；3感應合成電場動片；4動片位置示意；M公共電極板引出端；N源電極板引出端；A組內源極板之一；B組內源極板之二；C組內源極板之三；D組內源極板之四； 0°激勵源矢量； 90°激勵源矢量； 180°激勵源矢量； 270°激勵源矢量； 動片對應位電場合成矢量；ul激勵源信號；uo電場合成信號；a一片源極板的寬度；w一組源極板的寬度；d動極板的寬度；d1動片位置之一；d2動片位置之二；d3動片位置之三；d4動片位置之四；d5動片位置之五；d6動片位置之六；d7動片位置之七；d8動片位置之八；d9動片位置之九；d10動片位置之十；α10°激勵源；α290°激勵源；α3180°激勵源；α4270°激勵源。
具體實施方法在一塊雙面覆銅板基材的同一個面上製作激勵源極板1和公共極板2構成線位移傳感器的定片。激勵源極板1分布區域視線位移測量範圍而定，線位移測量解析度取決於特定尺寸內激勵源組數m(m≥1)。每組內激勵極板1數量n≥3，對應激勵用源信號相位差間隔為＝360°/n。圖3中給出了m＝3、n＝4時的極板布置。不同組之間對應的極板有電連接，以保證源電場沿線位移方向的等相位差分布。源極板1中各極板緊密排列(留有工藝間距)。
在雙面覆銅板基材的另一面上設置激勵源與信號鑑相、處理等電路，實現數字或模擬型式的位移信號檢出與極性判別。
圖4中感應動極板3給出了d9位時的耦合合成信號矢量。
傳感器配套激勵源為一個多相位信號發生器，信號處理由以鑑相為核心的電路模塊實現。
裝配時定片可與傳感器外殼連接，並引出信號線；感應動片3直接連接線位移驅動結構件。
權利要求1.一種基於電場合成原理的電容式線位移傳感器，源極板(1)沿線位移方向緊密排列、均勻分布，形成源極板組，各源極板(1)面積相等，沿線位移方向連續均勻分布的源極板(1)組數(m)是≥1的整數，每組覆蓋測量範圍內的特定線位移尺寸區域，源極板(1)組內的極板數(n)是≥3的整數，源極板(1)組與一塊公共極板(2)及一塊感應動片(3)組成線位移傳感器，其特徵在於a.源極板(1)組定片沿線位移方向布置，並與公共極板(2)處於同一基材平面上，直接固定在傳感器殼體或待測工件上；b.感應動片(3)為導電材料，其寬度(d)滿足條件a≤d≤w(不計源極板間距)，直接連接線位移驅動結構件。
2.一種如權利要求1所述的線位移傳感器，其特徵在於所述的源極板(1)所在的定片反面設置激勵源電路、信號處理鑑相電路以及信號差分電路。
3.一種如權利要求1所述的線位移傳感器，其特徵在於所述的定片上的源極板(1)和公共極板(2)是直接製作在覆銅板上的。
專利摘要一種基於電場合成原理的電容式線位移傳感器，它是利用線位移方向均勻分布極板形成相變電場，通過不同位置的過渡感應耦合電荷至公共電極，實現線位移的測量。上述原理構成的傳感器具有以下特徵a.源極板1組、公共極板2布置在同一平面上構成傳感器定片；b.感應極板3為導電材料，直接連接外部線位移驅動結構件；c.定片上的源極板1沿線位移方向緊密排列、均勻分布，且各極板面積相等；d.激勵源電路、信號處理鑑相電路及信號差分電路是其基本附屬電路，集成或組合安裝於定片上；e.極板可直接製作在覆銅板上。
文檔編號G01B7/02GK2869768SQ200520007588
公開日2007年2月14日 申請日期2005年2月24日 優先權日2005年2月24日
發明者張珂, 楊其華 申請人:張珂, 楊其華