申请/专利权人：中地装(重庆)地质仪器有限公司

申请日：2018-05-23

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN108489372B

主分类号：G01B7/02

分类号：G01B7/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2018.09.28#实质审查的生效;2018.09.04#公开

摘要：本发明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。

主权项：1.一种电容位移传感器，包括固定架4、设置在所述固定架4上方且用于与待测零部件连接的下极板2、与所述下极板2平行布置的上极板1和位于所述上极板1与所述下极板2之间的中间极板3，其特征在于，所述上极板1与所述下极板2之间通过周向布置的限位柱5固定连接形成一体式结构，所述中间极板3直接固定在所述固定架4，所述下极板2的一端通过弹性元件6与所述固定架4连接，且所述弹性元件6与所述固定架4之间还设置有调平机构，所述调平机构用于调整所述下极板2与所述中间极板3的间距；所述调平机构包括调节支架7，所述调节支架7包括固定端8和调节端9，所述固定端8固定在所述固定架4上，所述调节端9与所述弹性元件6连接，且所述调节端9上设置有顶丝10，所述顶丝10与所述固定架4的顶面相抵，当调节所述顶丝10时，所述调节端9能够相对所述固定架4的顶面发生靠近和远离的形变；所述顶丝10的数量为对称布置的两个，且分别位于所述调节端9上与所述弹性元件6连接的对应端的两侧；所述调节支架7为倒置的L形支架。

全文数据：一种电容位移传感器技术领域[0001]本发明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[0002]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。[0003]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=e*Sd，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;e为电容极板间介质的介电常数，单位为Fm。常见的电容传感器有变间距d型，变面积⑸型，变介电常数⑷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。[0004]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AC=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ClC2或ClC2，因此会产生一个电容的变化量AC，这个AC大小就对应振动位移的大小。[0005]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。[0006]一般来说介电常数e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宄更趋向低频化。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。[0007]综上所述，如何解决电容位移传感器容易出现极板间不平行而导致测量精度下降的问题，已成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。发明内容[0008]本发明的目的是提供一种电容位移传感器，以避免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。[0009]为了实现上述目的，本发明提供了一种电容位移传感器，包括固定架、设置在所述固定架上方且用于与待测零部件连接的下极板、与所述下极板平行布置的上极板和位于所述上极板与所述下极板之间的中间极板，所述上极板与所述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，所述中间极板直接固定在所述固定架，所述下极板的一端通过弹性元件与所述固定架连接，且所述弹性元件与所述固定架之间还设置有调平机构，所述调平机构用于调整所述下极板与所述中间极板的间距。[0010]优选地，所述调平机构包括调节支架，所述调节支架包括固定端和调节端，所述固定端固定在所述固定架上，所述调节端与所述弹性元件连接，且所述调节端上设置有顶丝，所述顶丝与所述固定架的顶面相抵，当调节所述顶丝时，所述调节端能够相对所述固定架的顶面发生靠近和远离的形变。[0011]优选地，所述顶丝的数量为对称布置的两个，且分别位于所述调节端上与所述弹性元件连接的对应端的两侧。[0012]优选地，所述调节支架为倒置的L形支架。[0013]优选地，所述L形支架的内拐角处去除材料以形成弹性薄壁。[0014]优选地，所述固定端与所述固定架之间通过螺栓固定连接。[0015]优选地，所述固定端对应的螺栓连接孔为横向布置的腰型孔，所述固定架对应的螺栓连接孔为纵向布置的腰型孔。[0016]优选地，所述固定端对应的螺栓连接孔为纵向布置的腰型孔，所述固定架对应的螺栓连接孔为横向布置的腰型孔。[0017]优选地，所述限位柱为周向布置的4个。[0018]优选地，所述弹性元件与所述调节端之间和所述弹性元件与所述下极板之间均为螺栓连接。[0019]相比于背景技术介绍内容，上述电容位移传感器，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实际使用过程中，由于上极板与下极板为利用限位柱固定连接形成一体式结构，因此上极板与下极板的平行精度可以达到较高要求，而中间极板与上下极板的位置关系可以通过调平机构来调整下极板与中间极板的间距，从而使得中间极板分别与上极板和下极板处于平行的位置，然后在进行相应位移的测量。由于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。附图说明[0020]图1为传统差动接电容位移传感器的原理结构示意图；[0021]图2为本发明实施例提供的电容位移传感器的三维结构示意图；[0022]图3为本发明实施例提供的电容位移传感器的主视结构示意图；[0023]图4为本发明实施例提供的调节支架未设置弹性薄壁的结构示意图；[0024]图5为本发明实施例提供的调节支架设置弹性薄壁的结构示意图。[0025]上图1-图5中，[0026]上极板1、下极板2、中间极板3、固定架4、限位柱5、弹性元件6、调节支架7、固定端8、调节端9、顶丝10、弹性薄壁11。具体实施方式[0027]本发明的核心是提供一种电容位移传感器，以避免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。[0028]为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。[0029]如图1-图5所示，本发明实施例提供的一种电容位移传感器，包括固定架4、设置在固定架4上方且用于与待测零部件连接的下极板2、与下极板2平行布置的上极板1和位于上极板1与下极板2之间的中间极板3，上极板1与下极板2之间通过周向布置的限位柱5固定连接形成一体式结构，中间极板3直接固定在固定架4，下极板2的一端通过弹性元件6与固定架4连接，且弹性元件6与固定架4之间还设置有调平机构，调平机构用于调整下极板2与中间极板3的间距。[0030]上述电容位移传感器在实际使用过程中，由于上极板与下极板为利用限位柱固定连接形成一体式结构，因此上极板与下极板的平行精度可以达到较高要求，而中间极板与上下极板的位置关系可以通过调平机构来调整下极板与中间极板的间距，从而使得中间极板分别与上极板和下极板处于平行的位置，然后在进行相应位移的测量。由于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。[0031]在一些具体的实施方案中，上述调平机构的具体的结构可以包括调节支架7,调节支架7包括固定端8和调节端9,固定端8固定在固定架4上，调节端9与弹性元件6连接，且调节端9上设置有顶丝10,顶丝10与固定架4的顶面相抵，当调节顶丝10时，调节端9能够相对固定架4的顶面发生靠近和远离的形变。由于调节端本身具有一定的弹性变形能力，当通过顶丝与调节端为螺纹配合且顶丝与固定架的顶面相抵，进而当调节顶丝时调节端的高度能够进行适量的调节，进而带动弹性元件及弹性元件连接下极板一起运动，通过多次反复调节，最终能够使得中间极板与上极板和下极板保持平行。当然可以理解的是，上述调平机构仅仅是本发明实施例的优选举例，还可以是本领域技术人员常用的其他调平机构，比如通过固定在固定架上的螺杆，配合上下锁紧螺母来调节弹性元件的位置。[0032]为了保证顶丝调节整体的平整度，对应顶丝10的数量为对称布置的两个，且分别位于调节端9上与弹性元件6连接的对应端的两侧。这样可以分别调节弹性元件对应的下极板的两侧的高度，更加有助于调节平整度的便捷性。[0033]在一些更加具体的实施方案中，上述调节支架7的具体的结构可以为倒置的L形支架。当然可以理解的是，上述倒置的L形支架的结构仅仅是本发明实施例的优选举例而己，实际应用过程中，还可以根据实际需求选择对应的其他结构形式。对于常规电容式位移传感器来说频率较高，弹性元件的支持力远远大于上下极板重量时，调节支架可以选择上述简单结构的形式，只要零部件尺寸达到设计要求，就能保证中间极板在上下极板中间位置。[0034]但实际应用过程中，往往需要更多的是低频电容式位移传感器。频率越低，弹性元件的支持力越不足以支撑大于上下极板重量时，调节支架结构相对复杂，不但要求零部件尺寸达到设计要求，需且装配过程中需要做相应的调节，才能保证中间极板在上下极板中间位置，因此本申请技术方案选择在L形支架的内拐角处去除材料以形成弹性薄壁11。调节支架通过螺钉与固定架刚性连接在一起，分别调整2个顶丝的位置，当顶丝拧到一定位置后，顶丝的下端与固定架的作用力大到一定程度后，将迫使调节支架上端发生向上的微小变形，从而带动弹性元件产生一个向上的作用力。当此力和弹性元件本身支撑力之和等于上下极板重量时，上下极板与中间极板处于水平状态。采用此结构，其谐振频降到4-5Hz，大大扩大了传感器的使用范围。加上后续电子反馈线路，传感器频带可扩展到60s以下。而常规以弹性元件自身支撑力能保证上下极板与中间极板平行的传感器，其自身谐振频率一般在40-50HZ，加上后续电子反馈线路，传感器频带只能扩展到5Hz左右，使用范围大大受限。[0035]这里需要说明的是，上述固定端8与固定架4之间可以通过螺栓固定连接。具体地，固定端8对应的螺栓连接孔为横向布置的腰型孔，固定架4对应的螺栓连接孔为纵向布置的腰型孔。这样可以实现调节支架相对固定架的水平和垂直两个方向的调节，便于初步找到下极板和上极板与中间极板近乎平行的位置，再进行顶丝的微调节，大大提高了调平的效率。当然可以理解的是，上述腰型孔的开置方式还可以是，固定端8对应的螺栓连接孔为纵向布置的腰型孔，固定架4对应的螺栓连接孔为横向布置的腰型孔。[0036]此外，需要说明的是，一般来说，为了增强上极板与下极板一体式结构的稳定性，限位柱5优选为周向布置的4个。当然实际应用过程中，还可以根据实际需求选择对应的其他数量及布置方式。[0037]另外需要说明的是，一般为了拆卸更加方便，弹性元件6与调节端9之间和弹性元件6与下极板2之间均为螺栓连接。当然实际应用过程中还可以是本领域技术人员常用的其他连接方式，比如焊接的方式等。[0038]以上对本发明所提供的电容位移传感器进行了详细介绍。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。[0039]还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。[0040]本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

权利要求：1.一种电容位移传感器，包括固定架4、设置在所述固定架4上方且用于与待测零部件连接的下极板2、与所述下极板2平行布置的上极板（1和位于所述上极板1与所述下极板2之间的中间极板3，其特征在于，所述上极板（1与所述下极板2之间通过周向布置的限位柱5固定连接形成一体式结构，所述中间极板3直接固定在所述固定架⑷，所述下极板⑵的一端通过弹性元件⑹与所述固定架⑷连接，且所述弹性元件⑹与所述固定架4之间还设置有调平机构，所述调平机构用于调整所述下极板⑵与所述中间极板⑶的间距。2.如权利要求1所述的电容位移传感器，其特征在于，所述调平机构包括调节支架7，所述调节支架⑺包括固定端⑻和调节端⑼，所述固定端⑻固定在所述固定架⑷上，所述调节端9与所述弹性元件6连接，且所述调节端9上设置有顶丝（10，所述顶丝（10与所述固定架4的顶面相抵，当调节所述顶丝（1〇时，所述调节端9能够相对所述固定架4的顶面发生靠近和远离的形变。3.如权利要求2所述的电容位移传感器，其特征在于，所述顶丝（10的数量为对称布置的两个，且分别位于所述调节端0?上与所述弹性元件^3连接的对应端的两侧。4.如权利要求2所述的电容位移传感器，其特征在于，所述调节支架7为倒置的L形支架。5.如权利要求4所述的电容位移传感器，其特征在于，所述L形支架的内拐角处去除材料以形成弹性薄壁11。6.如权利要求2所述的电容位移传感器，其特征在于，所述固定端8与所述固定架4之间通过螺栓固定连接。7.如权利要求6所述的电容位移传感器，其特征在于，所述固定端8对应的螺栓连接孔为横向布置的腰型孔，所述固定架⑷对应的螺栓连接孔为纵向布置的腰型孔。8.如权利要求6所述的电容位移传感器，其特征在于，所述固定端8对应的螺栓连接孔为纵向布置的腰型孔，所述固定架4对应的螺栓连接孔为横向布置的腰型孔。9.如权利要求中任一项所述的电容位移传感器，其特征在于，所述限位柱5为周向布置的4个。10.如权利要求1-8中任一项所述的电容位移传感器，其特征在于，所述弹性元件6与所述调节端9之间和所述弹性元件¢与所述下极板2之间均为螺栓连接。

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