[实用新型]一种电容位移传感器

说明书

本实用新型公开了一种电容位移传感器，包括固定架、设置在固定架上方且用于与待测零部件连接的下极板、与下极板平行布置的上极板和位于上极板与下极板之间的中间极板，上极板与下极板之间通过周向布置的限位柱固定连接形成一体式结构，中间极板直接固定在固定架，下极板的一端通过弹性元件与固定架连接，且弹性元件与固定架之间还设置有调平机构，调平机构用于调整下极板与中间极板的间距。上述电容位移传感器在每次使用时均可以调整平行后在进行使用，大大提高了电容位移传感器的测量结果的精度，也即避免了电容位移传感器出现极板间不平行而导致测量精度下降的问题。

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种电容位移传感器。

背景技术

电容位移传感器是一种非接触式的精密传感器，用于精密测量仪器及控制设备中，作为检测探头，对微小的位移变化起反应。一般来说，电容位移传感器适用于高精度的应用环境。它被用于测量振动，振荡，膨胀，位移，挠度和形变等等测量任务。因此，电容式位移传感器经常被用作质量保证。最新型的电容位移，分辨率可以达到纳米级别。源于超强的温度稳定性，在剧烈的温度波动情况下，电容式传感器是理想的选择。

电容式位移传感器基于平板电容原理。把被测位移的物体连接到一只电容器的极板上，当物移时，电容器的极板间距d必然发生变化，这导致电容器的电容量C也发生改变。用电路测量这个电容量C的变化，就可以知道位移的大小和方向。理论计算电容的公式为：C＝ε*S/d，其中，C代表电容，单位为F；S代表面积，单位为m²；d代表极板间距，单位为m；ε为电容极板间介质的介电常数，单位为F/m。常见的电容传感器有变间距(d)型，变面积(S)型，变介电常数(ε)三种类型。而用于位移测量的通常是采用变变间距(d)型，结构相对简单。如果想用电容传感器测位移，就要确保后两者不会变化，使影响这个电容的电容值的因素只有距离d。

为了进一步提高电容传感的线性度高的精度，大多采用差动接的方式。如图1所示，上极板1与下极板2距离固定不变，中间极板3可在上下极板之间上下移动。上极板1与中间极板3的上侧面形成电容C1，下极板2与中间极板3下侧面形成电容C2。当没有振动位移时，中间极板3处于上、下极板的中间位置C1＝C2，C1与C2的差值ΔC＝0；当有振动位移时，中间极板3将偏离中间位置，产生微小位移，于是出现C1>C2或C1<C2，因此会产生一个电容的变化量ΔC，这个ΔC大小就对应振动位移的大小。

由于电容传感器主要用于高精度测量使用。在设计加工上都会提供高精度设计参数(理论要求)来保证传感器的两个极板应保持水平状态。从而保证电容传感器的精度和一致性。但在实际过程中，上极板是有一定重量(g)的，而且弹性元件是采用单端固定方式，而且每个弹性元件的支撑力是有一定的差异的，包括零部件的加工精度和积累误差都会造成的两个极板难以平行。从微观角度看(放大误差)，上极板的重量(g)迫使弹性元件产生形变，造成两个极板不平行。只有当弹性元件具有足够强度时，两个极板才会相互平行。另外，实际应用过程中，还会存在上下极板的边缘线也不在一条线上的情况，也就是说上下极板正视面积在不同情况下大小不完全相对等。此外，还存在另一种可能就是两个弹性元件性能不一致，导致支撑力大小不等，从而造成另一种不平行现象。

一般来说介电常数ε为定值，S和d同时为变量，由于极板之间不平行导致d的随机性较大，即边界条件太多，测量出的C值变化对应的不是唯一参数，从而出现多解性，因此，无法根据C的变化正确计算出真正的位移量大小。换句话说，电容位移传感器的测量精度、线性度和一致性大大降低。目前的解决方式主要是在保证零部件加工精度的前提下，使弹性元件有足够的强度，让其支撑力远远大于上极板自身重量，从面保证两个极板平行，从而将边界效应降到最低。但是由于弹性元件的强度被提高，导致其谐振频率相对较高，其频率可高达几十Hz，这显然大大限止了传感器的应用范围，特别是近几年对振动的研究更趋向低频化。为了实现电容传感器频率低频化(越低越好)，目前只能通过降低弹性元件的强度，让弹性元件更柔软，但这样的话，在实际生产过程中很难保证两个极板的平行的问题，又会导致测量精度变低。