[发明专利]电容式传感器及组合电容式位移测量传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容式传感器及组合电容式位移测量传感系统，具体涉及一种利用电容极片相对面积的变化以测量位移的传感器及其组合电容器式位移测量的系统。 

背景技术

人们已经知道两个平行导体电极可以形成一个电容器，电容器的电容量与平行电极间的介质的介电常数近于正比，与两个极片的相对（重叠）面积成正比，与两个极片之间的间隙成反比。因此电容量的大小随着两个极片之间相对面积和间隙距离的变化而变化。本领域的技术人员已经应用上述原理来制造各种传感器，包括位移（位置）测量传感器。 

根据上述原理，可以通过两种方法利用电容来测量位移。一种方法是检测由于电容的两个极片的间隙变化引起的电容变化，此时运动方向垂直于极片表面。电容器的电容量对间隙的变化非常敏感，特别是当间隙非常小时。同时，制造技术比较容易得到很小的间隙变化而几乎没有相对重叠面积的变化。现在的纳米定位系统中广泛采用用这种方法。这种传感器可以测量小到几个皮米的位移量，但其最大量程只在几百个微米内。 

另外一种方法是检测由两个电容的平行极片相对重叠面积变化所引起的电容量变化，此时运动平行于极片表面。由于制造简单和生产成本低等原因，市场需求这种基于面积变化原理的传感器，但遇到极大挑战，在实际应用中是非常困难的。这是因为，这种简单的电容器当电极在平行方向运动来产生测量重叠面积变化时，很难保证极片之间的间隙不会产生变化，以致测量信号不能单一表征来自重叠面积变化，会造成测量误差。如前上述，间隙变化对电容器的电容量的影响是非常敏感的，比如在100μm间隙的电容器中，1μm的变化将会造成百分之一的电容量的变化。工业化生产中，对机械式运动的另部件来 说，100μm的间隙是可以做到的而且是常有的，但1μm的公差是很难做到的。大部分应用场合，百分之一的不确定性误差是难以接受的。由于很难控制间隙的变化，所以也很难制造出这种基于面积变化的高精度位移测量传感器，因此，需要开发一种技术能够在对重叠面积时大大减小相变化间隙变化所带来的不良影响。 

发明内容

本发明为克服上述问题，开发了一种电容式传感器，包括：至少一个固定部件STATOR，每个组合固定部件STATOR包括： 

一个电绝缘基底，其上具有电连接在一起的m个极片导电极片电连接在一起组成的第一电容极片组，和电连接在一起的m个极片导电极片电连接在一起组成的第二电容极片组，第一电容极片组和第二电容极片组的中极片的数目相等、形状相同，且交替、等间距地排列在所述电绝缘基底上； 

至少一个可相对于固定部件STATOR线性移动/转动的运动部件MOVER，运动部件MOVER的数量与固定部件STATOR的数量相同，每个运动部件MOVER包括： 

一个电绝缘基底，其上具有由n个等间距排列的接地极片组成的接地极片组，所述接地极片的形状相同，且电连接在一起形成接地极片组；n小于或等于m； 

其中，运动部件MOVER的每个接地极片在其运动方向的宽度大小，使其在移动或转动过程中，与所述固定部件STATOR中的第一电容极片组的一个电容极片和第二电容极片组的一个电容极片组成两个可变电容器，从而运动部件MOVER的接地极片组与固定部件STATOR中的第一电容极片组和第二电容极片组组成两个可变电容组。 

在本发明的一个实施方式中，不同固定部件STATOR中的相应极片一一对正，不同运动部件MOVER中的相应极片一一对正，来自不同固定部件STATOR的一对相对应对正的极片和一个接地极片构成一对可变电容器。构成了直接补偿结构。 

在本发明的另一个实施方式中，在同一固定部件STATOR上的分别来自 第一电容极片组和第二电容极片组的一对相邻极片与相对应的一个接地极片一起构成一对可变电容器。构成了差分补偿结构。 

本发明优选的是，所述极片呈矩形或扇形或三角形或圆三角形的平面结构，或圆筒形或具有矩形结构的部分圆筒形或具有三角形结构的部分圆筒形曲面。 

在本发明的一个优选的实施例中，(Wg+Wgs)=2*(Wc+Wcs),Wcs≤Wc，Wc≤Wg≤(Wc+2*Wcs),Wc和Wg分别表示固定部件STATOR中极片、运动部件MOVER中极片的宽度或角宽度,Wcs和Wgs表示固定部件STATOR、运动部件MOVER中相邻两个极片之间的距离或角距离。