[发明专利]电容式位移传感器

说明书

本发明涉及一种位移(包括线位移和角位移)的测量装置，尤指一种电容式位移测量传感器。

电容式位移传感器的原理是这样的：电容器的两个电极作相对位移时，其电容量随着变化，根据电容的变化量可以测出位移的大小和方向。美国专利US4,437,055公开了一种电容式位移测量装置，如图1所示。电容传感器由两个电极组成，其中一个电极做成等距离隔开的发送电极10，将来自振荡器40的交流信号经相位变换器42变成八路不同相位信号，分别加到对应的发送电极片11～18上去。八路信号的相位依次相差45度，八个发送电极片11～18组成一个发送电极组，其节距以P₁表示。发送电极可以由若干个这样的发送电极组组成。另一个电极也做成等距离隔开的接收电极20，与发送电极相对排列，其节距为P₂。耦合电极30通过电容耦合将接收电极20感应到的信号送到测量电路44，经放大，解调后的信号相位与两个电极的相对位移呈线性关系，经对相移的判别和测量可以给出位移的方向和大小。假定传感器输出信号相移360度时所对应的两电极相对位移的距离为一个位移节距，以W表示，上述电容式位移传感器实质上就是一个把位移量变换成相位变化量的器件。不管位移节距W的大小，每当两电极相对移动一个节距W时，输出信号总是相移360度，因此其变换精度取决于发送节距P₁和接收节距P₂的尺寸及其加工准确度。为了提高传感器的精度和分辨率，希望将节距P₁和P₂做得尽量小，这给加工带来很大困难。

中国专利CN87102624公开了一种电容式位移测量装置，该装置将发送电极片展宽，以解决加工发送电极的困难，但其不足之处在于，因未解决接收电极的加工困难，且未能摆脱移动一个接收节距P₂(此处P₂＝W)对应相移360°的约束，使提高精度和分辨率受到了限制。

本发明的目的在于克服以上不足，通过对各电极片的适当排列、组合和对供电信号相位顺序的适当安排，突破电极节距与相移原有的固定关系，提供一种新型电容式位移传感器。这种传感器在不改变电路细分的情况下，使位移测量的分辨率得到提高。

本发明的目的是这样实现的：同时展宽传感器的发送电极片和接收电极片，其特征在于：

发送电极的节距P₁等于位移节距W的整数倍M(M≥1的整数)，接收电极的节距P₂等于位移节距W的整数倍N(N≥1的整数)，且M不等于N；发送电极的组数等于N的整数倍；接收电极片的宽度等于W/K的整数倍(K为发送电极组内的电极片数，K≥3的整数)，但不等于位移节距W的整数倍；供给发送电极片的信号相位与电极片前沿对应的展宽前发送电极片的相位一致。

其特征还在于：发送电极和接收电极沿直线排列组成线位移传感器，沿圆周排列组成角位移传感器。

本发明由于同时展宽发送电极片和接收电极片，彻底摆脱了电极节距和相移原有的固定关系，降低了传感器的极板制作工艺难度，提高了传感器的精度和分辨率。

图1为美国专利US4,437,055的原理示意图

图2为本发明原理示意图

图3为图2各电极片宽度、节距及排列顺序之间的关系示意图

图4为M＝7、N＝2、K＝8时的电极布置示意图

图5为电极片圆形布置示意图

如图2所示，电容器的两个电极分别作为传感器的发送电极和接收电极，同时展宽发送电极和接收电极。发送电极10的节距P₁等于位移节距W的M倍，当M＝5、N＝3时，供给发送电极的八路发送信号的排列顺序如图3所示，即一个节距P₁的信号排列顺序为1、6、3、8、5、2、7、4。接收电极的节距P₂等于位移节距W的N倍，并要求发送电极组数为N的整数倍。当发送电极10相对接收电极20向左移动时，在接收电极20上接收到的八路发送信号的幅度和合成后信号的相位如表1所示。表中数据的定义是；每个发送电极片完全进入接收电极片时，接收信号的幅度为5，每次移动的距离为位移节距W的八分之一。表中的合成信号相位的数据清楚地说明，相位变化360度时，位移变化一个位移节距W，而不再等于发送节距P₁或接收节距P₂，彻底摆脱了相移和发送节距P₁或接收节距P₂原来的固定关系，因此，可以根据分辨率和加工能力来确定发送节距P₁和接收节距P₂。