高精度差动式多层环形电容测微仪

摘要

本发明公开一种高精度差动式多层环形电容测微仪，包括有金属外壳、动电容体以及两静电容体；动电容体的左右两端均形成有多个同心的电容动极板，动电容体连接有金属导向轨，金属导向轨与金属外壳直接配合接触，金属导向轨的末端伸出金属外壳并与一测头连接；一静电容体的右端和另一静电容体的左端均形成有多个同心的电容静极板，两静电容体上的电容静极板与动电容体两端对应的电容动极板相互嵌套，藉此，使得电容静极板与对应的电容动极板组成多组环状并联电容，多组环状并联电容的变化形态相同，各组差动变化累加，从而增大了微动时电容静极板与电容动极板之间的面积变化量，从而使得系统更具稳定性、抗干扰性，有效提高了测量精度和灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及测量设备领域技术，尤其是指一种高精度差动式多层环形 电容测微仪。

背景技术

电容位移传感器是一种非接触电容式原理的精密测量仪器，具有一般 非接触式仪器所共有的无磨擦、无损磨和无惰性特点外，还具有信噪比大， 灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力 强和使用操作方便等优点。其在国内研究所，高等院校、工厂和军工部门 得到广泛应用，成为科研、教学和生产中一种不可缺少的测试仪器。

目前已有的电容位移传感器主要有变极距型电容传感器，变面积型电 容传感器两大类，然而以上两种传感器的灵敏度和精度都比较低，要达到 高的测量精度必须增大极板面积，这不仅在成本上非常高，在体积上也难 以微型化，并且无法测量工作台的真正运动状态。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种 高精度差动式多层环形电容测微仪，其能用于高测量精度，高灵敏度，尤 其是应用在微动工作台中的电容位移传感器，不仅降低成本，提高测量精 度，而且能实现微型化。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种高精度差动式多层环形电容测微仪，包括有金属外壳、动电容体 以及两静电容体；该金属外壳接地，该动电容体和两静电容体均设置于金 属外壳内；该动电容体的左右两端均形成有多个同心的电容动极板，动电 容体连接有金属导向轨，金属导向轨与金属外壳直接配合接触，金属导向 轨的末端伸出金属外壳并与一测头连接；一静电容体的左端安装有左绝缘 导向静极板套，另一静电容体的右端安装有右绝缘导向静极板套，一静电 容体的右端和另一静电容体的左端均形成有多个同心的电容静极板，两静 电容体上的电容静极板与动电容体两端对应的电容动极板相互嵌套，以及， 两静电容体连接有屏蔽电缆，该屏蔽电缆穿过金属外壳与电容信号处理电 路连接，电容信号处理电路连接差动放大电路。

作为一种优选方案，所述金属外壳为左端开口的中空圆柱体，该金属 外壳的右端具有第一通孔，该左绝缘导向静极板套封盖住金属外壳的左端， 该右绝缘导向静极板套设置于该金属外壳的右端内部，该左绝缘导向静极 板套以及右绝缘导向静极板套分别具有第二通孔以及第三通孔，该金属导 向轨依次穿过第一通孔、第三通孔以及第二通孔且金属导向轨的左右两端 伸出金属外壳外，该金属导向轨可左右移动地设置，对应地该动电容体亦 可随金属导向轨左右移动地设置。

作为一种优选方案，所述金属导向轨上设置有一固定螺母，该固定螺 母抵于左绝缘导向静极板套上，该金属导向轨与测头之间通过一连接件连 接，一复位弹簧套设于金属导向轨外且该复位弹簧的两端分别抵于金属外 壳与连接件之间。

作为一种优选方案，所述金属导向轨包括有左金属导向轨以及右金属 导向轨，该左金属导向轨的左端伸出金属外壳外并接地，该右金属导向轨 与金属外壳直接配合接触，该右金属导向轨与动电容体的连接处设置有绝 缘漆，该右金属导向轨的右端伸出金属外壳外并与测头连接。

作为一种优选方案，所述测头为可更换测头。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上 述技术方案可知：

通过在金属外壳内设置有动电容体和两静电容体，该动电容体的左右 两端均形成有多个同心的电容动极板，一静电容体的右端和另一静电容体 的左端均形成有多个同心的电容静极板，两静电容体上的电容静极板与动 电容体两端对应的电容动极板相互嵌套，使得电容静极板与对应的电容动 极板组成多组环状并联电容，该多组环状并联电容的变化形态相同，各组 差动变化累加，从而增大了微动时电容静极板与电容动极板之间的面积变 化量，从而使得系统更具稳定性、抗干扰性，有效提高了测量精度和灵敏 度。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施 例来对本发明进行详细说明：

附图说明

图1是本发明之较佳实施例的总体结构示意图；

图2是本发明之较佳实施例中静电容体的主视图；

图3是本发明之较佳实施例中静电容体的局部截面图；

图4是本发明之较佳实施例中静电容体的侧视图；

图5是本发明之较佳实施例中动电容体的主视图；

图6是本发明之较佳实施例中动电容体的局部截面图；

图7是本发明之较佳实施例中动电容体的侧视图；

图8是本发明之较佳实施例中左绝缘导向静极板套的主视图；

图9是本发明之较佳实施例中左绝缘导向静极板套的截面图；

图10是本发明之较佳实施例中左绝缘导向静极板套的侧视图；

图11是本发明之较佳实施例中右绝缘导向静极板套的主视图；

图12是本发明之较佳实施例中右绝缘导向静极板套的截面图；

图13是本发明之较佳实施例中右绝缘导向静极板套的侧视图；

图14是本发明之较佳实施例中由cav444集成芯片组成的电路示意图。

图15是本发明之较佳实施例中高共模差动放大电路示意图。

附图标识说明：

10、金属外壳                    101、第一通孔

20、动电容体                    21、电容动极板

30、静电容体                    31、电容静极板

40、左绝缘导向静极板套          401、第二通孔

50、右绝缘导向静极板套          501、第三通孔

60、金属导向轨                  61、固定螺母

62、连接件                      63、复位弹簧

64、左金属导向轨                65、右金属导向轨

70、测头。

具体实施方式

请参照图1至图15所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构， 包括有金属外壳10、动电容体20以及两静电容体30。

其中，该金属外壳10接地，该金属外壳10为左端开口的中空圆柱体， 该金属外壳10的右端具有第一通孔101。

该动电容体20和两静电容体30均设置于金属外壳10内。如图5至图 7所示，该动电容体20的左右两端均形成有多个同心的电容动极板21；如 图2至图4所示，一静电容体30的右端和另一静电容体30的左端均形成 有多个同心的电容静极板31，该多个同心的电容动极板21与电容静极板 31的厚度均很薄、间距极小，通过两静电容体30上的电容静极板31与动 电容体20两端对应的电容动极板21相互嵌套，使得电容静极板31与对应 的电容动极板21组成多组环状并联电容，该多组环状并联电容的变化形态 相同，各组差动变化累加，有利于增加传感器的初始电容值和电容变化时 的改变量，从而提高本发明的测量精度以及灵敏度。该环状并联电容的组 数不作限制，在本实施例中，该环状并联电容为18组。

一静电容体30的左端安装有左绝缘导向静极板套40，另一静电容体 30的右端安装有右绝缘导向静极板套50。该左绝缘导向静极板套40封盖 住金属外壳10的左端，该右绝缘导向静极板套50设置于该金属外壳10的 右端内部，具体而言，如图8至图13所示，该左绝缘导向静极板套40以 及右绝缘导向静极板套50分别具有第二通孔401以及第三通孔501。

该动电容体20连接有金属导向轨60，该金属导向轨60与金属外壳10 直接配合接触，金属导向轨60的末端伸出金属外壳10并与一测头70连接， 该测头70可根据测量环境的不同而更换。前述左绝缘导向静极板套40以 及右绝缘导向静极板套50不仅起到电气绝缘和固定静电容体30的作用， 并且能起到对金属导轨60导向的作用，从而在一定程度上保证了动电容体 20和两静电容体30之间的间距恒定，从而提高测量的准确性。具体而言， 该金属导向轨60依次穿过第一通孔101、第三通孔501以及第二通孔401 且金属导向轨60的左右两端伸出金属外壳10外，该金属导向轨60可左右 移动地设置，对应地该动电容体20亦可随金属导向轨60左右移动地设置。

在本实施例中，该金属导向轨60上设置有一固定螺母61，该固定螺母 61抵于左绝缘导向静极板套40上，该金属导向轨60与测头70之间通过一 连接件62连接，一复位弹簧63套设于金属导向轨60外且该复位弹簧63 的两端分别抵于金属外壳10与连接件62之间。通过复位弹簧63的反馈作 用复位以及给予测量平台适当的压力从而实时检测。具体而言，该金属导 向轨60包括有左金属导向轨64以及右金属导向轨65，该左金属导向轨64 的左端伸出金属外壳10外并接地，该右金属导向轨65与金属外壳10直接 配合接触，起到屏蔽干扰的作用，该动电容体20移动时，该动电容体20 与金属外壳10之间的电容值保持不变，从而消除了由此产生的虚假信号， 提高测量的准确性。该右金属导向轨65与动电容体20的连接处设置有绝 缘漆，从而使得右金属导向轨65与动电容体20实现电气绝缘的目的。该 右金属导向轨65的右端伸出金属外壳10外并与测头70连接。

两静电容体30连接有屏蔽电缆(图中未示)，该屏蔽电缆穿过金属外 壳10与电容信号处理电路连接，如图14所示，该电容信号处理电路由 cav444集成芯片组成，该两静电容体30分别与动电容体20组成的电容值 为C12以及C23，该电容信号处理电路将电容值为C12以及C23的电容值信 号分别转变成与之对应的电压值为U12以及U23的电压信号，以便后面进 一步处理。

该电容信号处理电路连接差动放大电路，如图15所示，该差动放大电 路将处理后的电压信号U12以及U23进行高共模差动放大，抑制共模干扰， 有效减小由于电源波动和晶体管随温度变化多引起的零点漂移，放大因电 容位移而改变的电容值信号，将放大后的电容值信号即电压信号进行转换， 便可在视屏上实时记录显示。

详述本实施例的工作原理如下：

金属导向轨60可左右移动，从而带动动电容体20在金属外壳10内左 右移动，并通过复位弹簧63的反馈作用复位以及给予测量平台适当的压力 从而实时检测，当动电容体20向右移动时，电阻值C12变小，电阻值C23 变大；当动电容体20向左移动时，则电阻值C12变大，电阻值C23变小。 C12以及C23经电容信号处理电路转化成与之对应的电压值为U12以及U23 的电压信号；电压信号U12以及U23经差动放大电路进行高共模差动放大， 抑制共模干扰，对差模信号进行放大；将放大后的电容值信号即电压信号 进行处理转换，便可在视屏上实时记录显示。

本发明的设计重点在于：通过在金属外壳内设置有动电容体和两静电 容体，该动电容体的左右两端均形成有多个同心的电容动极板，一静电容 体的右端和另一静电容体的左端均形成有多个同心的电容静极板，两静电 容体上的电容静极板与动电容体两端对应的电容动极板相互嵌套，使得电 容静极板与对应的电容动极板组成多组环状并联电容，该多组环状并联电 容的变化形态相同，各组差动变化累加，从而增大了微动时电容静极板与 电容动极板之间的面积变化量，从而使得系统更具稳定性、抗干扰性，有 效提高了测量精度和灵敏度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围 作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微 修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。