CN110440836A - 一种具备埃米级分辨力水平的石英电容式位移传感器 - Google Patents

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仇恺
谭志军
褚宁
王智奇
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Abstract

本发明涉及一种具备埃米级分辨力水平的石英电容式位移传感器，其技术特点在于：包括上定极板、动极板、下定极板、多个隔离垫片、上防贴环、下防贴环和连接部件；所述上定极板、动极板和下定极板均制有中心通孔，在上定极板下表面、下定极板上表面、动极板的上、下表面和外侧面均镀覆金膜；所述上定极板和下定极板相互平行重叠，在上定极板和下定极板之间等间距地布设有多个可拆卸隔离垫片，在隔离垫片内侧的上定极板和下定极板中间活动安装有动极板；在上定极板和下定极板的中心通孔上分别固装有尾部有翻边的圆筒形上防贴环和下防贴环；在上、下防贴环筒状通孔形成的空腔内穿装有连接部件。本发明可提高位移分辨能力并减小电容器非线性产生误差。

Description

一种具备埃米级分辨力水平的石英电容式位移传感器
技术领域
本发明属于测量、计量仪器技术领域，涉及电容式位移传感器，尤其是一种具备埃米(10-10m)级分辨力水平的石英电容式位移传感器。
背景技术
目前，仪器设备的小型化是科技发展的必然，随着微米、纳米技术突飞猛进的发展，纳米(10-9m)、埃米(10-10m)量级的微小位移测量成为亟需解决的技术难题。由于原子的直径就是埃米级，单点接触式测量已无法准确测量出埃米级尺寸的精度。非接触式测量主要是从电、磁、光等方面入手，将纳米、埃米级位移转换为其他信号的变化。目前国际上主流的光学传感器基本为纳米级，使用时测试环境的温度、净化要求很高，且价格昂贵。电磁类传感器的结构较为复杂且分辨力难以达到埃米量级。
电容式位移传感器具有面测量和非接触的特点，完全弥补了单点接触式测量的缺陷，在埃米级位移测量方面具有天然优势。但由于电容本身的特性，在材料绝缘、表面光洁度、非线性误差和杂散电容影响等方面又产生了新的难题。因此如何设计一款性能达标的电容器来实现埃米级位移测量，是电容式位移传感器的核心工作。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、结构和工艺简单且灵敏度高的具备埃米级分辨力水平的石英电容式位移传感器。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种具备埃米级分辨力水平的石英电容式位移传感器，包括：上定极板、动极板、下定极板、多个隔离垫片、上防贴环、下防贴环和连接部件；所述上定极板、动极板和下定极板均制有中心通孔，在上定极板下表面、下定极板上表面、动极板的上、下表面和外侧面均镀覆金膜；所述上定极板和下定极板相互平行重叠，在上定极板和下定极板之间等间距地布设有多个可拆卸的隔离垫片，在隔离垫片内侧的上定极板和下定极板中间活动安装有动极板；在上定极板和下定极板的中心通孔上分别固装尾部有翻边的圆筒形上防贴环和下防贴环；在上、下防贴环筒状通孔形成的空腔内穿装有连接部件，该连接部件的上端与待测位移装置固定连接，下端固装在动极板中心通孔上。
而且，所述上防贴环的上端面和下端面均略高于上定极板的上表面和下表面，下防贴环的上端面和下端面均略高于下定极板的上表面和下表面。
而且，在所述上定极板下表面和下定极板上表面外缘处未镀覆金膜，所述隔离垫片位于上定极板下表面和下定极板上表面的外缘无金膜处。
而且，所述上定极板和下定极板镀覆金膜的表面积完全覆盖动极板上、下表面镀覆金膜的表面积。
而且，所述连接部件包括一体制成的连接杆和连接杆基座，该连接杆和连接杆基座穿装在上防贴环筒状通孔和下防贴环筒状通孔形成的空腔内；所述连接杆上端与待测位移装置固定连接，连接杆基座固定在动极板通孔内。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明的上定极板、下定极板和动极板均采用在石英玻璃片上镀金膜制成，作为电极较传统金属电极表面光洁度更高，金膜抗氧化、抗腐蚀能力更强，同时石英玻璃片与安装支架间可保证绝缘。
2、本发明的电容器定、动极板金膜面积采用一大一小的方式，定极板金膜尺寸可完全覆盖动极板金膜尺寸，以此降低电容边缘效应的影响。
3、本发明利用两个独立电容重叠形成差分电容器，可提高位移分辨能力并减小电容器非线性产生误差。
4、本发明固定在定极板上的防贴环可有效避免电容器两个电极接触短路和产生吸附力而难以脱开。
5、本发明通过调整隔离垫片的厚度，可对差分电容值和待测位移的标度因数进行控制，协调分辨力水平与装调难度之间的矛盾。
附图说明
图1是本发明的石英玻璃片镀膜示意图；
图2是本发明的一种石英电容式位移传感器结构示意图；
附图标记说明：
1—上定极板，2—动极板，3—下定极板，4、8、9—隔离垫片，5—上防贴环，6—连接部件，6-1—连接杆，6-1—连接杆基座，7—下防贴环。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种具备埃米级分辨力水平的石英电容式位移传感器，如图1和图2所示，包括：上定极板、动极板、下定极板、多个隔离垫片、上防贴环、下防贴环和连接部件；所述上定极板、动极板和下定极板均制有中心通孔，在上定极板下表面、下定极板上表面、动极板的上、下表面和外侧面均镀覆金膜；所述上定极板和下定极板相互平行重叠，在上定极板和下定极板之间等间距地布设有多个可拆卸的隔离垫片，在隔离垫片内侧的上定极板和下定极板中间活动安装有动极板；在上定极板和下定极板的中心通孔上分别固装尾部有翻边的圆筒形上防贴环和下防贴环；在上、下防贴环筒状通孔形成的空腔内穿装有连接部件，该连接部件的上端与待测位移装置固定连接，下端固装在动极板中心通孔上。
在本实施例中，所述上防贴环的上端面和下端面均略高于上定极板的上表面和下表面，下防贴环的上端面和下端面均略高于下定极板的上表面和下表面。
在本实施例中，在所述上定极板下表面和下定极板上表面外缘处未镀覆金膜，所述隔离垫片位于上定极板下表面和下定极板上表面的外缘无金膜处。
在本实施例中，所述上定极板和下定极板镀覆金膜的表面积完全覆盖动极板上、下表面镀覆金膜的表面积。
在本实施例中，所述连接部件包括一体制成的连接杆和连接杆基座，该连接杆和连接杆基座穿装在上防贴环筒状通孔和下防贴环筒状通孔形成的空腔内；所述连接杆上端与待测位移装置固定连接，连接杆基座固定在动极板通孔内。
下面对本发明的各组成部分的结构、功能和作用作进一步说明：
在本实施例中，本发明的具备埃米(10-10m)级分辨力水平的石英电容式位移传感器至少包括两片石英电容器定极板、一片石英动极板、两个防贴环、三片隔离垫片和一根连接杆。表面镀金膜的定极板和动极板平行重叠，两片定极板用隔离垫片隔出间隙，动极板在两片定极板中间，形成两个独立的电容，防贴环可避免动、定极板金膜接触导致电容器短路。当电容器动极板移动时，通过测量两个独立电容值的变化，可精确测试出动极板移动位移量。
电容器加工时，只在上定极板1下表面和下定极板3上表面相应位置镀覆金膜，在上定极板下表面和下定极板上表面外缘无金膜，用于布设多个隔离垫片，在上定极板上表面和下定极板下表面以及内、外侧面无金膜，可保证安装到外部支架上电容器电极与安装支架的绝缘性；在动极板2的上、下表面都镀覆金膜，上、下表面金膜尺寸较定极板1、3金膜尺寸小(如图1)，以降低电容边缘效应的影响，同时在外侧面镀膜，将两表面电极导通作共地处理；
隔离垫片4采用石英玻璃或与玻璃线胀系数接近且绝缘的材料，使用多只小片或一个圆环的结构均可，在本实施例中，在上定极板和下定极板之间每间隔120度可拆卸地安装隔离垫片4，8，9，各隔离垫片位于上定极板下表面和下定极板上表面外缘无金膜处，从而保证上、下定极板1、3各位置处间隙尺寸一致，且不干扰动极板2正常移动。
上防贴环5和下防贴环的均为尾部有翻边的圆筒状圆环，分别固装在上、下定极板1、3中心孔上，位置略突出于金膜平面，即上防贴环的上端面和下端面均略高于上定极板的上表面和下表面，下防贴环的上端面和下端面均略高于下定极板的上表面和下表面，其功能是避免动极板2上表面和下表面金膜在竖直运动过程中与上、下定极板1、3金膜接触而使电容电极导通。
动极板2与防贴环可能接触位置不应镀覆金膜。
使用传感器进行位移测量时，先将传感器按图2形式固定到相应结构上，确保除动极板2以外其余零件位置和状态不变。动极板2通过连接部件6与外部移动零件相连。所述连接部件包括一体制成的连接杆6-1和连接杆基座6-2，该连接部件穿装在上防贴环通孔和下防贴环通孔形成的空腔内；所述连接杆上端与待测位移装置固定连接，连接杆基座固装在动极板通孔内，当待测位移装置在垂直方向产生位移时，依次带动连接部件和动极板2上下移动，当动极板2随外部待测位移装置沿竖直方向产生微小位移δ时，其与上、下定极板1、3间形成的两个电容电极距离分别增加δ和减小δ，而电容值与电极距离成反比，两个电容值分别减小和增大，二者差值满足公式即差分电容变化量与微小位移成正比。如果选取合适的电极参数，例如S＝5000mm2、d0＝0.2mm，当位移δ＝1×10-10m时，ΔC＝2.2×10-4pF，该量级的电容变化不难检测，因此传感器具备埃米(10-10m)级分辨力。
同时，为避免电容器间隙和介电常数变化，本传感器应尽量工作在高精度的恒温和恒压环境中，降低温度和气流扰动对电容测试的影响。
本发明的工作原理是：
利用石英玻璃超高的表面光洁度，直接在其表面镀覆金膜形成金属电极；无金膜处又可保证绝缘。将下定极板的上表面、动极板的上、下表面和上定极板的下表面镀金膜后依次水平重叠，其中上、下定极板之间用统一厚度的隔离垫片隔开，形成固定厚度的间隙。动极板在间隙正中，通过连接杆经定极板中部的通孔与外部相连，防贴环可避免动、定极板接触产生短路和吸附力。下定极板上表面和动极板下表面电极之间、上定极板下表面和动极板上表面电极之间各形成一个独立的电容。当动极板沿竖直方向移动时，由于极板间隙变化这两个电容值一个增大一个减小，二者差值与动极板移动位移成正比。只要测量出电容差值的变化量，即可算出动极板(连接杆和相连外部零件)的位移。
本发明的具备埃米(10-10m)级分辨力水平的石英电容式位移传感器结构简单，灵敏度高，成本低，有较高的性价比和广阔的市场前景。
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种具备埃米级分辨力水平的石英电容式位移传感器，其特征在于：包括：上定极板、动极板、下定极板、多个隔离垫片、上防贴环、下防贴环和连接部件；所述上定极板、动极板和下定极板均制有中心通孔，在上定极板下表面、下定极板上表面、动极板的上、下表面和外侧面均镀覆金膜；所述上定极板和下定极板相互平行重叠，在上定极板和下定极板之间等间距地布设有多个可拆卸的隔离垫片，在隔离垫片内侧的上定极板和下定极板中间活动安装有动极板；在上定极板和下定极板的中心通孔上分别固装尾部有翻边的圆筒形上防贴环和下防贴环；在上、下防贴环筒状通孔形成的空腔内穿装有连接部件，该连接部件的上端与待测位移装置固定连接，下端固装在动极板中心通孔上。
2.根据权利要求1所述的一种具备埃米级分辨力水平的石英电容式位移传感器，其特征在于：所述上防贴环的上端面和下端面均略高于上定极板的上表面和下表面，下防贴环的上端面和下端面均略高于下定极板的上表面和下表面。
3.根据权利要求1所述的一种具备埃米级分辨力水平的石英电容式位移传感器，其特征在于：在所述上定极板下表面和下定极板上表面外缘处未镀覆金膜，所述隔离垫片位于上定极板下表面和下定极板上表面的外缘无金膜处。
4.根据权利要求1所述的一种具备埃米级分辨力水平的石英电容式位移传感器，其特征在于：所述上定极板和下定极板镀覆金膜的表面积完全覆盖动极板上、下表面镀覆金膜的表面积。
5.根据权利要求1所述的一种具备埃米级分辨力水平的石英电容式位移传感器，其特征在于：所述连接部件包括一体制成的连接杆和连接杆基座，该连接杆和连接杆基座穿装在上防贴环筒状通孔和下防贴环筒状通孔形成的空腔内；所述连接杆上端与待测位移装置固定连接，连接杆基座固定在动极板通孔内。
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