[实用新型]一种差动式变极距垂直电极型电容传感器

说明书

技术领域

本实用新型属于仪表与传感器技术领域，涉及一种电容传感器，特别涉及一种差动式变极距垂直电极型电容传感器。

背景技术

由于具有结构简单、动态特性好、能实现非接触式测量等优点，变极距型电容传感器被广泛应用于超精密加工、高精度定位与超精密测量等领域；如用于测量位移、力、压力与速度等参量。现有变极距型电容传感器普遍采用平行电极板式电容传感器，其电容变化的灵敏度受位移变化影响较大，电容输出量具有严重的非线性。基于电容边缘效应的变极距垂直电极型电容传感器，其灵敏度相比于传统的平行电极式电容传感器受电极间距影响更小，然而变极距垂直电极型电容传感器存在着严重的非线性，且受噪声干扰较大。

发明内容

本实用新型的目的在于，克服现有变极距型电容传感器存在的问题，设计一种差动式变极距垂直电极型电容传感器，以提高变极距型电容传感器的灵敏度、线性度和抗干扰能力。

为实现上述目标，本实用新型采用如下技术方案：

一种差动式变极距垂直电极型电容传感器，至少包括一对感应电容的静电极1与一个感应电容的动电极2。

一对感应电容的静电极1关于感应电容的动电极2垂直对称分布且分别与感应电容的动电极2保留有一定初始间隙；感应电容的动电极2沿感应电容的静电极1方向改变微小位移时，感应电容的动电极2与一对感应电容的静电极1的极距变化分别为：一个极距增大，另一个极距减小，从而形成差动式结构变极距垂直电极型电容器。

感应电容的静电极1由多个金属片3并联组成，多个金属片3之间充满绝缘介质4且通过金属连接。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型一种差动式变极距垂直电极型电容传感器，一个感应电容的静电极1与感应电容的动电极2的零点电容值与噪声电容值分别为C₀与C_C，感应电容的动电极2沿感应电容的静电极1方向移动时，其中一个感应电容的静电极1与感应电容的动电极2极距改变Δh，则另一个感应电容的静电极1与感应电容的动电极2极距改变-Δh，对应的电容量分别为C₁与C₂，对应的电容量分别为-ΔC₁与ΔC₂，以电容量差值C₁-C₂作为输出信号，则电容的改变量为(C₀+C_C-ΔC₁)-(C₀+C_C+ΔC₂)即(-ΔC₁-ΔC₂)，从而采用差动式结构垂直电极型传感器的灵敏度提高约一倍，同时减小了由静电引力与温度等带来的噪声电容C_C，提高了抗干扰能力，此外采用差动式结构垂直电极型传感器大大提高了电容传感器的线性度。

附图说明

图1差动式垂直电极型电容传感器原理图。

图2差动式垂直电极型电容传感器多电极并联示意图。

附图中：1-感应电容的静电极；2-感应电容的动电极；3-金属片；4-绝缘介质；5-磁力线。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本实用新型。

如附图1所示，本实用新型揭示了一种差动式变极距垂直电极型电容传感器，由一对感应电容的静电极1与一个感应电容的动电极2组成差动式结构垂直电极型电容器。

并且，本实用新型采用垂直电极间的电容作为检测信号，判断出电极间变化的位移。其中，根据电磁学原理，当一个很薄的极板和另一个极板垂直放置且保持一定间隙时，若在两极板间加载电压，则两极之间将形成一个电场，称为边缘场，这种现象称为边缘效应，产生的电容称为边缘电容。根据镜像原理及复变函数理论，可建立极板间距和极板间电容之间的数学关系：

其中，h为两极间距离；H为垂直电极的高度；W为垂直电极的宽度；ε为封装电极片基介电常数。

由上式可知，当极板初始间距h₀改变Δh时，电容改变量ΔC₁₁，即有：

当极板初始间隙很小时，对其按泰勒公式展开：

即，可以用进行线性拟合，ΔC₁₁与Δh近似成线性关系，其灵敏度K₁₁为：

相对非线性误差δ₁₁为：