專利名稱：具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密儀器與測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙 向電容位移傳感器。
背景技術(shù)：
20世紀50年代后，隨著航空航天、超精密制造和伺服控制等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅堋⒌拖囊?求的日益迫切以及電火花加工、電子束加工、電解加工等特種加工技術(shù)的突破，深孔零件及 其它大深寬比小內(nèi)尺寸零件在航空航天發(fā)動機、汽車發(fā)動機、液壓機械、伺服系統(tǒng)、武器發(fā) 射系統(tǒng)及精密儀器等裝備中被廣泛采用，其中深孔零件的特點是孔徑一般在小20mm以下； 深徑比多在10以上，少數(shù)達到幾十甚至幾百；均有很高的尺寸、形狀和位置精度要求。精
密深小孔零件的廣泛應(yīng)用對深小孔尺寸、形狀與位置參數(shù)的精確測量提出了迫切的要求，目 前，國內(nèi)外在小內(nèi)尺寸測量上還處于較低的水平，尤其在大深徑比和大深寬比小內(nèi)尺寸測量 上尚處于解決可測性問題的階段，而深小孔尺寸、形狀與位置參數(shù)的精密測量更成為測量領(lǐng)
域中的重大難題與研究熱點。
在大深徑比深小孔的孔徑與形狀測量過程中，傳統(tǒng)接觸式測量法由于測量力的存在，測
桿會發(fā)生撓曲變形，從而引入較大的測量誤差。附圖1 (a)是接觸式測頭對被測工件進行測量 的示意圖，其中"為測桿直徑、/為測桿長度、F為測量力。附圖1 (b)是測桿發(fā)生撓曲變形 的示意圖，可見在測量力F的作用下測桿軸線由直線^S變成一條撓曲線w(;c)。設(shè)由測桿彎 曲引入的最大允許誤差為50nm，測桿材料彈性模量為200Gpa，對D=(|)3mm (t)10mm， F= O.IN、 0.05N、 0.02N時接觸式測頭的最大可測深徑比進行仿真，仿真結(jié)果如附圖2所示，可 見接觸式測頭最大可測深徑比很難超過10: 1，其測量精度與可測深徑比受到嚴重限制，尤 其對深寬比和深徑比超大的小內(nèi)尺寸測量場合更無法完成測量。
為解決大深徑比小孔孔徑和其它大深寬比小內(nèi)尺寸測量的難題，人們紛紛把目光轉(zhuǎn)向非 接觸式測量法，重點是研制具有較高精度和大可測深徑比的非接觸式測頭與傳感器。氣動測 量法是一種較傳統(tǒng)的可用于孔徑測量的非接觸式測量法，其原理是采用噴嘴一擋板機構(gòu)實現(xiàn) 幾何量到氣動量的轉(zhuǎn)換，基于測頭的流量特性或壓力特性實現(xiàn)測量；對于小、深孔的孔徑測量，常以被測孔作為測量噴嘴。該方法的缺點在于氣動內(nèi)徑測頭屬于非接觸式測頭，但仍 存在一定的測量力；測量精度最高只能達到微米量級，單個測頭測量范圍很小；存在氣流平 均效應(yīng)，尤其以被測深小孔作為測量噴嘴時，得到的是小孔尺寸與形狀誤差的綜合值，且只 能用來測量通孔。
2000年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙勇、李鵬生等人提出了一種激光光纖孔徑測量法(l.Yong Zhao et al. A novel fiber-optic sensor used for small internal curved surface measurement. Sensor and Actuators. 2000, (86):211 215; 2.馬惠萍，李鵬生，楊樂民.用于光纖傳感器測孔的三角 測量法研究.計量技術(shù).2001,(9):18 20;3.趙勇，李鵬生，馬惠萍，浦昭邦.提高激光光纖測 量系統(tǒng)分辨力的方法.光電工程.1999, 26(5): 27-30; 4.發(fā)明專利"一種產(chǎn)品表面多參數(shù)非接 觸離焦檢測的光纖傳感器"，公開號CN1160546C)，該方法采用Y型光纖制成光強調(diào)制型非 接觸式瞄準傳感器，激光經(jīng)光纖入射到被測表面后反射回輸出光纖，通過檢測輸出光的強度 來確定測頭到孔壁的瞄準距離。該傳感器結(jié)構(gòu)比較小巧，可測深孔、盲孔及軟質(zhì)材料工件， 但傳感器的距離-光強特性完全取決于被測表面的光潔度與光反射特性，測量精度只能達到微 米量級，當(dāng)被測表面光潔度與光反射特性較差時無法完成測量。
從上世紀90年代起，天津大學(xué)研究將電容傳感器用于小孔孔徑的非接觸式測量(1.楊 世民.盲小孔與狹槽三維測頭的研究.天津大學(xué)博士學(xué)位論文.1993:1 9，42 53; 2.孫長庫, 王小兵，劉斌，鄭義忠.電容傳感微小孔徑的測量方法.納米技術(shù)與精密工程.2006， 4(2):103 106; 3.徐安桃，付敬業(yè)，鄭義忠，葉聲華.小深孔內(nèi)徑電容傳感測量系統(tǒng)的研究. 傳感技術(shù)學(xué)報.2006, 19(6):2460~2463)，研制的電容測頭的極板是在圓柱形基體上切割出的 圓柱形電極，其結(jié)構(gòu)如附圖3所示，傳感器的理想工作位置是圓柱形極板與被測孔同軸，當(dāng) 極板與被測孔不同軸而存在偏心時，測得的是圓柱形極板與被測孔間的平均間隙；為提高測 量精度實際上常采用相對測量法，即每次測量前用標準件對傳感器進行校準，測量被測孔徑 與標準孔徑的差值。該傳感器實際工作于電子塞規(guī)方式，單個測頭的測量范圍很小，測量精
度只能達到微米量級，傳感器不具備以下幾方面特性1)測頭具有大長徑比2)可對孔和
內(nèi)尺寸進行雙向瞄準發(fā)訊3)可進行平面度、圓度、圓柱度等形狀參數(shù)的掃描測量4)測量 精度達到超精密量級，難以滿足深小孔的孔徑與形狀超精密測量的要求。
另外還有一些其它的非接觸式測量方法與傳感器見諸報道，如圖像法(發(fā)明專利"微孔 自動測量方法及裝置"，公開號CN1493847)、端面光探針掃描法(徐利梅，張家裕.精密微小 孔激光測量方法.電子科技大學(xué)學(xué)報.1998，27(3):300~304)等，分別是采用圖像或光學(xué)的法完成測量，但這些方法均存在原理缺陷，以端面測量代替截面測量，不能對任意截面的尺 寸與形狀進行測量，在實用性和精度方面不能滿足精密孔徑測量、特別是大深徑比小孔孔徑 非接觸測量的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對大深徑比小孔孔徑與形狀超精密測量及其它大深寬小內(nèi)尺寸測量 難題，提供一種基于電容傳感機理的具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容傳感器，以 解決傳統(tǒng)接觸式測量法及現(xiàn)有非接觸式測量法在測量精度、實用性方面存在的各種缺陷，傳 感器可測深徑比可達到和超過50: 1，瞄準分辨力達到納米量級，可用于直徑小3mm以上的 深小孔孔徑與形狀的精密測量及其它大深寬小內(nèi)尺寸測量場合。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，包括電容測頭和信號轉(zhuǎn)換 與處理電路，該電容測頭為圓柱型雙向電容測頭結(jié)構(gòu)，圓柱形雙向電容測頭由測桿、極板屏 蔽件、左極板、右極板、銷釘、信號導(dǎo)桿組成；在測桿端部上安裝整體呈圓柱形的極板屏蔽
件，左極板和右極板對徑設(shè)置在極板屏蔽件上，兩極板相互對稱，在左極板和右極板與極板
屏蔽件之間設(shè)有絕緣間隙；在極板屏蔽件內(nèi)配裝一根銷釘，在測桿內(nèi)配裝一根信號導(dǎo)桿，銷 釘?shù)膬啥朔謩e與左極板和右極板連接，信號導(dǎo)桿的一端與銷釘連接；或者在極板屏蔽件內(nèi)配
裝兩根銷釘，在測桿內(nèi)配裝兩根信號導(dǎo)桿，兩根銷釘各自的一端分別與左極板和右極板連接， 兩根銷釘?shù)牧硪欢朔謩e與兩根信號導(dǎo)桿各自的一端連接。
所述信號轉(zhuǎn)換與處理電路是由前振信號發(fā)生器、本振信號發(fā)生器、混頻單元、中頻濾波 器、信號切換開關(guān)、信號整形單元、鑒頻單元、微處理器、顯示單元與計算機接口組成的外
差調(diào)頻式信號轉(zhuǎn)換與處理電路；其中，圓柱型雙向電容測頭與前振信號發(fā)生器連接，前振信 號發(fā)生器依次與混頻單元、中頻濾波器、信號切換開關(guān)、信號整形單元、鑒頻單元、微處理 器連接，前振信號發(fā)生器又直接與信號切換開關(guān)連接，本振信號發(fā)生器與混頻單元連接，微 處理器包含有顯示單元和計算機接口 。
所述左極板和右極板形狀為方形、或長方形、或橢圓形、或圓形。
在所述測桿和極板屏蔽件的腔內(nèi)設(shè)有定位件。
所述測桿、極板屏蔽件、左極板、右極板、銷釘和信號導(dǎo)桿為良導(dǎo)體。 所述測桿、極板屏蔽件、左極板和右極板是在絕緣材料上鍍金屬膜構(gòu)成。
6所述定位件是由環(huán)氧樹脂材料制作。
所述左極板和右極板與極板屏蔽件之間的絕緣間隙的寬度為20pm 20(^m。 所述前振信號發(fā)生器采用克拉潑振蕩電路，并安裝在金屬屏蔽盒內(nèi)。 本發(fā)明提供了一種具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，本發(fā)明的電 容測頭的極板屏蔽件對徑方向上對稱分布兩個柱面窗口形極板，在被測孔徑兩端對被測件進 行瞄準時，傳感器具有對稱的傳感特性，從而具有雙向瞄準觸發(fā)能力；進行孔徑測量時，由 傳感器測得兩側(cè)的瞄準間隙并給出觸發(fā)信號，由其它宏尺寸測量傳感器測得兩次觸發(fā)之間測 頭的位移，被測內(nèi)孔徑等于兩側(cè)瞄準間隙、測頭直徑與測頭位移量之和；傳感器既可用于尺 寸測量中的觸發(fā)式瞄準，又可用于圓度、圓柱度等形狀參數(shù)的高精度測量。
本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新性及具有的良好效果如下
(1) 本發(fā)明針對大深徑比小孔孔徑及其它大深寬比小內(nèi)尺寸測量的難題，提供了一種具 有大可測深徑比的非接觸式傳感方法，其原理是通過測頭極板與被測件形成的空間三維瞄準 電場，測頭從徑向?qū)Ρ粶y件進行高精度非接觸式瞄準，傳感器兼有觸發(fā)與測微雙重功能，其 最大可測深徑比可達到和超過50: 1，高于任何一種現(xiàn)有的方法與技術(shù)，可解決傳統(tǒng)接觸式 測量法測量力引起測桿撓曲和測端變形、可測深徑比與測量精度受到嚴重限制的問題。
(2) 本發(fā)明提出了一種具有對徑雙柱面窗口極板結(jié)構(gòu)的雙向電容瞄準測頭，在圓柱形極 板屏蔽件上對徑、對稱分布兩個柱面窗口形極板，通過對稱的極板與測頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，測頭在 被測孔直徑兩端對被測件進行瞄準時具有相互對稱的傳感特性，從而具有雙向瞄準觸發(fā)能力， 傳感器具有一定量程，其位移分辨力可達到納米量級，既可用于大深徑比小孔孔徑及其它大
深寬比小內(nèi)尺寸的精密測量，又可用于內(nèi)結(jié)構(gòu)、內(nèi)腔體形狀參數(shù)的高精度測量。
(3) 本發(fā)明提供了一種數(shù)字式外差調(diào)頻信號轉(zhuǎn)換與處理技術(shù)，本振信號發(fā)生器采用直接
數(shù)字合成方式構(gòu)成，鑒頻單元采用多周期同步測頻技術(shù)，避免了傳統(tǒng)模擬式電路由于元器件 溫漂、老化引入的零點漂移及模擬調(diào)制與解調(diào)中信號幅值與頻率穩(wěn)定性差、諧波失真大等不 足，可明顯提高傳感器的精度水平，使之能夠滿足精密孔徑測量、尤其是大深徑比小孔孔徑 非接觸測量的要求。


圖l(a)為接觸式測頭對被測工件進行測量的示意圖，(b)為測桿發(fā)生撓曲變形的示意圖;
7圖2為接觸式測頭最大可測深徑比的仿真結(jié)果；
圖3為天津大學(xué)研制的電容測孔傳感器測頭的結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明的具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器示意圖； 圖5為本發(fā)明的圓柱型雙向電容測頭實施例1的」卜:視圖，即單銷釘、單信號導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)的 示意圖6為圖5的側(cè)視圖； 圖7為圖6中A—A向的剖視圖8為本發(fā)明的圓柱型雙向電容測頭實施例2的剖視圖，即雙銷釘與雙信號導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)的 示意圖
圖9為本發(fā)明的雙向電容測頭實施例3的正視圖； 圖10為圖9的側(cè)視圖11為圓柱型雙向電容測頭與被測工件在一側(cè)瞄準的示意圖。
圖中，l絕緣環(huán)、2保護環(huán)、3絕緣體、4小孔、5測量電極、6保護環(huán)、7絕緣環(huán)、8測 頭的端部、9空心圓柱體、IO測量電極的導(dǎo)線、ll測頭的端部、12圓柱型雙向電容測頭、13 信號轉(zhuǎn)換與處理電路、14前振信號發(fā)生器、15本振信號發(fā)生器、16混頻單元、17中頻濾波 器、18信號切換開關(guān)、19信號整形單元、20鑒頻單元、21微處理器、22顯示單元、23計算 機接口、 24信號導(dǎo)桿、25測桿、26極板屏蔽件、27左極板、28右極板、29銷釘、30絕緣 間隙、31定位件、32被測件、33大地。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細說明，并給出實施例。
一種具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，包括電容測頭12和信號轉(zhuǎn) 換與處理電路13，其特征在于該電容測頭12為圓柱型雙向電容測頭結(jié)構(gòu)，圓柱形雙向電 容測頭12由測桿25、極板屏蔽件26、左極板27、右極板28、銷釘29、信號導(dǎo)桿24組成； 在測桿25端部上安裝整體呈圓柱形的極板屏蔽件26，左極板27和右極板28對徑設(shè)置在極 板屏蔽件26上，兩極板相互對稱，在左極板27和右極板28與極板屏蔽件26之間設(shè)有絕緣 間隙30;在極板屏蔽件26內(nèi)配裝一根銷釘29，在測桿25內(nèi)配裝一根信號導(dǎo)桿24,銷釘29 的兩端分別與左極板27和右極板28連接，信號導(dǎo)桿24的一端與銷釘29連接；或者在極板 屏蔽件26內(nèi)配裝兩根銷釘29，在測桿25內(nèi)配裝兩根信號導(dǎo)桿24，兩根銷釘(29)各自的一 端分別與左極板27和右極板28連接，兩根銷釘(29)的另一端分別與兩根信號導(dǎo)桿(24)各自的一端連接。本發(fā)明是通過極板與被測件間形成的空間三維瞄準電場，測頭從徑向?qū)Ρ粶y件進行非接觸式瞄準，最大可測長徑比可達到和超過50: 1;左極板、右極板在被測尺寸兩端瞄準被測件時，傳感器具有左右對稱的傳感特性，從而具有雙向瞄準觸發(fā)能力；傳感器進行內(nèi)尺寸測量時，由傳感器測得兩側(cè)的瞄準間隙并給出觸發(fā)信號，由其它宏尺寸測量傳感器測得兩次觸發(fā)之間測頭的位移，則被測內(nèi)尺寸等于兩側(cè)瞄準間隙、測頭直徑與測頭位移量之和；傳感器具有一定的量程，既可用于尺寸測量中的觸發(fā)式瞄準，又可用于圓度、圓柱度等形狀參數(shù)的高精度測量。
所述信號轉(zhuǎn)換與處理電路13是由前振信號發(fā)生器14、本振信號發(fā)生器15、混頻單元16、中頻濾波器17、信號切換開關(guān)18、信號整形單元19、鑒頻單元20、微處理器21、顯示單元22與計算機接口23組成的外差調(diào)頻式信號轉(zhuǎn)換與處理電路；其中，圓柱型雙向電容測頭12與前振信號發(fā)生器14連接，前振信號發(fā)生器14依次與混頻單元16、中頻濾波器17、信號切換開關(guān)18、信號整形單元19、鑒頻單元20、微處理器21連接，前振信號發(fā)生器14又直接與信號切換開關(guān)18連接，本振信號發(fā)生器15與混頻單元16連接，微處理器21包含有顯示單元22和計算機接口 23。被測位移信號對前振信號發(fā)生器產(chǎn)生的高頻載波信號產(chǎn)生頻率調(diào)制，調(diào)頻信號與本振信號發(fā)生器產(chǎn)生的本振信號進行混頻，對中頻信號進行鑒頻處理，從中解調(diào)出被測位移量的信息。
所述左極板27和右極板28形狀為方形、或長方形、或橢圓形、或圓形。
在所述測桿25和極板屏蔽件26的腔內(nèi)設(shè)有定位件31 。
所述測桿25、極板屏蔽件26、左極板27、右極板28、銷釘29和信號導(dǎo)桿24為良導(dǎo)體。所述測桿25、極板屏蔽件26、左極板27和右極板28是在絕緣材料上鍍金屬膜構(gòu)成。所述定位件31是由環(huán)氧樹脂材料制作。
所述左極板27和右極板28與極板屏蔽件26之間的絕緣間隙30的寬度為20|im 200(_im。所述前振信號發(fā)生器14采用克拉潑振蕩電路，并安裝在金屬屏蔽盒內(nèi)。所述本振信號發(fā)生器15可采用直接數(shù)字頻率合成方式獲得，以獲得高幅度、頻率穩(wěn)定性的本振信號；所述鑒頻單元20可以采用多周期同步測頻方式構(gòu)成，以進行高精度數(shù)字測頻。
下面結(jié)合一個實施例對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理進行詳細介紹
附圖4給出了本發(fā)明的具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器的示意圖，附圖ll是雙向電容測頭與被測工件在被測直徑的一側(cè)瞄準的截面示意圖，在本實施例中，極板所在圓柱面的直徑為(j)2.5mm，被測工件孔徑為(j)3mm ())20mm。被測工件接地作為一個極
板，測頭的一個極板對其進行瞄準，二者間形成一個瞄準電容場，瞄準間隙為20nm 10(^m。由于極板與被測工件間的瞄準間隙相對于測頭尺寸非常小，所以可近似認為電力線均垂直于極板，則極板與被測工件形成的每個微元電容都可看作是一個平板電容，每個微元電容的容值為-
dC = ^^ (1)以極板橫截面所在圓的圓心02為原點、測量方向為;c軸建立直角坐標系xO^。瞄準吋極
板所在圓柱面軸線與被測工件的軸線平行且x軸垂直平分極板橫截面。設(shè)被測孔半徑為w，極板所在圓柱面半徑為r，極板高度為/,瞄準間隙為&,如附圖ll所示。
以原點為起點，取任意角度P作射線分別與被測孔截面圓和極板交于點A和B，從圖中幾何關(guān)系有IO!AhR、 ICMOzhR-r-&。設(shè)IAB卜A則|02八| = " + 5，令丄=「卜&，根據(jù)余弦定理在
三角形0,02八中有
/ 2 =(及一丄)2 +(r + <5)2十2cos6'(i —丄)0 +厶) (2)
整理得
J = Vcos25> -丄)2 + (2及丄一丄2) — cos ^ —丄)一 r (3)
設(shè)極板橫截面所對圓心角為2《，則6取值區(qū)間為[-《，《，對所有微元求積分可得瞄準電容量為
C'=f^^ (4)上f <5
將式(3)代入上式得理想瞄準狀態(tài)下的瞄準電容量為
C = f , g'4J^-(5)
々^/cos2 0. (i - ￡)2 + (2/ ￡ — ￡2) — cos 6>.—丄)一r
本實施例瞄準電容量的量值在lpF左右。
在本實施例中，前振信號發(fā)生器14是一個高穩(wěn)定度電容三點式振蕩電路，由高穩(wěn)定度線繞電感、云母電容、CBB電容、高穩(wěn)定度三極管等溫度系數(shù)小的元器件構(gòu)成，并安裝在金屬屏蔽盒內(nèi)。產(chǎn)生一個頻率與幅值穩(wěn)定的高頻正弦波作為載波信號，其頻率為4MHz，幅值為1Vpp。測桿與屏蔽盒可靠連接以實現(xiàn)對信號的完全屏蔽，可有效減小空間電磁場的干擾。當(dāng)
10雙向電容測頭與被測件發(fā)生相對位移時，瞄準電容量發(fā)生變化，相應(yīng)地會引起前振信號諧振頻率的變化，實現(xiàn)被測位移信號對載波信號的頻率調(diào)制。前振信號/,的表達式為
/、，_,1 (6)24(C、. +C0)
式中C,——瞄準電容；
Co——前振信號發(fā)生器電路中等效雜散電容。
本振信號發(fā)生器15可采用標準函數(shù)信號發(fā)生器(Agilent33120A),或采用微處理器(MSP430F149)控制直接數(shù)字頻率合成芯片(AD9953)獲得?；祛l單元16以混頻器芯片(MC1496)為核心構(gòu)成，本振信號力與前振信號義經(jīng)混頻后，得到一組和頻、差頻信號,
/ =|±"乂.±加乂 I w、 m=l, 2, 3... (7)
中頻濾波器17由中心頻率455kHz的陶瓷濾波器構(gòu)成，混頻單元輸出信號力經(jīng)中頻濾波器濾波后，得到中心頻率為455kHz的中頻信號厶
(8)
信號切換開關(guān)18由繼電器或模擬開關(guān)構(gòu)成，控制本振信號或中頻信號進入信號整形單元19。當(dāng)傳感器工作在超外差方式、即對中頻信號進行整形、鑒頻等處理時，測量精度基本不受影響，而測量速度可提高IO倍左右。信號整形單元19主要對被測信號進行整形、限幅處理，將其由正弦信號變成同頻的方波信號。鑒頻單元20主要由CPLD器件(EPM7064SLC44)構(gòu)成，采用高速多周期同步測頻方式進行高精度數(shù)字測頻，解調(diào)出調(diào)頻信號中的被測位移信號。經(jīng)微處理器21 (AT89C52)進行數(shù)據(jù)處理后，可得到被測瞄準間隙&的值。測量結(jié)果顯示在顯示單元22 (SMS0619)上，同時經(jīng)基于RS232串行通訊協(xié)議的計算機接口 23發(fā)送給計算機。
附圖5 附圖10給出了本發(fā)明的雙向電容測頭的3個實施例。在這3個實施例中，觀ij桿25采用滿足直線度要求的薄壁鋼管，直徑為())2.5mm，壁厚約100nm。極板屏蔽件26同時作為極板加工的基體，采用溫度系數(shù)小的鈹青銅材料經(jīng)車削加工而成，其外徑為(j)3mm,壁厚約20(Vm，測桿25與極板屏蔽件26采用緊配合方式連接。極板屏蔽件26上采用機械加工方法加工出兩個對徑分布的窗口形極板27和28，極板與極板屏蔽件可靠絕緣，絕緣間隙30寬度為20pm 3(Him，寬度均勻。測桿25與極板屏蔽件26內(nèi)灌注環(huán)氧樹脂并使之凝固形成定位件31實現(xiàn)測頭各部件的機械定位與連接。
附圖5為圓柱型雙向電容測頭的實施例1的正視圖，圖6為圖5的左視圖，圖7為沿圖6中A—A方向的剖視圖，在實施例1中，左極板27與右極板28為長方形，對徑分布且相萬對稱，通過一個銷釘29與一個信號導(dǎo)桿24相連，通過絕緣間隙30與極板屏蔽件26可靠絕緣。在測桿25與極板屏蔽件26內(nèi)灌注環(huán)氧樹脂并使之凝固形成定位部件31。
圖8為本發(fā)明的雙向電容測頭實施例2的剖視圖，在實施例2中，窗口形極板為長方形，左極板27與右極板28分別通過銷釘29的左右兩部分與信號導(dǎo)桿24的左右兩部分相連，信號導(dǎo)桿的左右兩部分可靠絕緣。
圖9為本發(fā)明的雙向電容測頭實施例3的正視圖，圖10為圖9的左視圖，在實施例3中，左極板27與右極板28為橢圓形，對徑分布且相互對稱，通過一個銷釘29與一個信號導(dǎo)桿24相連，通過絕緣間隙30與極板屏蔽件26可靠絕緣。
測頭工作時，測桿25與極板屏蔽件26在電氣上接地，由于極板27和28與極板屏蔽件26不等電位，因此會產(chǎn)生寄生電容?？梢圆捎抿?qū)動電纜技術(shù)，使測桿25、極板屏蔽件26在電位上實現(xiàn)對左極板27和右極板28電位的跟隨，可以達到消除寄生電容與邊緣效應(yīng)的目的，在測桿外側(cè)再套一層起屏蔽作用的薄壁金屬桿，并在電氣上接地。
權(quán)利要求
1.一種具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，包括電容測頭(12)和信號轉(zhuǎn)換與處理電路(13)，其特征在于該電容測頭(12)為圓柱型雙向電容測頭結(jié)構(gòu)，圓柱形雙向電容測頭(12)由測桿(25)、極板屏蔽件(26)、左極板(27)、右極板(28)、銷釘(29)、信號導(dǎo)桿(24)組成；在測桿(25)端部上安裝整體呈圓柱形的極板屏蔽件(26)，左極板(27)和右極板(28)對徑設(shè)置在極板屏蔽件(26)上，兩極板相互對稱，在左極板(27)和右極板(28)與極板屏蔽件(26)之間設(shè)有絕緣間隙(30)；在極板屏蔽件(26)內(nèi)配裝一根銷釘(29)，在測桿(25)內(nèi)配裝一根信號導(dǎo)桿(24)，銷釘(29)的兩端分別與左極板(27)和右極板(28)連接，信號導(dǎo)桿(24)的一端與銷釘(29)連接；或者在極板屏蔽件(26)內(nèi)配裝兩根銷釘(29)，在測桿(25)內(nèi)配裝兩根信號導(dǎo)桿(24)，兩根銷釘(29)各自的一端分別與左極板(27)和右極板(28)連接，兩根銷釘(29)的另一端分別與兩根信號導(dǎo)桿(24)各自的一端連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，其特征在 于所述信號轉(zhuǎn)換與處理電路(13)是由前振信號發(fā)生器(14)、本振信號發(fā)生器(15)、混頻 單元(16)、中頻濾波器(17)、信號切換開關(guān)(18)、信號整形單元(19)、鑒頻單元(20)、 微處理器(21)、顯示單元(22)與計算機接口 (23)組成的外差調(diào)頻式信號轉(zhuǎn)換與處理電路; 其中圓柱型雙向電容測頭(12)與前振信號發(fā)生器(14)連接，前振信號發(fā)生器(14)依次 與混頻單元(16)、中頻濾波器(17)、信號切換開關(guān)(18)、信號整形單元(19)、鑒頻單元(20)、微處理器(21)連接，前振信號發(fā)生器(14)又直接與信號切換開關(guān)(18)連接，本 振信號發(fā)生器(15)與混頻單元(16)連接，微處理器(21)包含有顯示單元(22)和計算 機接口 (23)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，其特征在 于所述左極板(27)和右極板(28)形狀為方形、或長方形、或橢圓形、或圓形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，其特征在 于在所述測桿(25)和極板屏蔽件(26)的腔內(nèi)設(shè)有定位件(31)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，其特征在 于所述測桿(25)、極板屏蔽件(26)、左極板(27)、右極板(28)、銷釘(29)和信號導(dǎo)桿(24)為良導(dǎo)體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，其特征在 于所述測桿(25)、極板屏蔽件(26)、左極板(27)和右極板(28)是在絕緣材料上鍍金屬 膜構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，,征在 于所述定位件(31)是由環(huán)氧樹脂材料制作。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，其特征在 于所述左極板(27)和右極板(28)與極板屏蔽件(26)之間的絕緣間隙(30)的寬度為20pm 200nm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，其特征在 于所述前振信號發(fā)生器(14)采用克拉潑據(jù)蕩電路，并安裝在金屬屏蔽盒內(nèi)。
全文摘要
具有對徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器屬于精密儀器與測量技術(shù)領(lǐng)域，其圓柱型雙向電容測頭由測桿、極板屏蔽件、左極板、右極板、銷釘、信號導(dǎo)桿組成，在測桿端部上安裝整體呈圓柱形的極板屏蔽件，左、右極板對徑設(shè)置在極板屏蔽件上且相互對稱，在極板與極板屏蔽件之間設(shè)有絕緣間隙；在極板屏蔽件內(nèi)配裝一根銷釘，在測桿內(nèi)配裝一根信號導(dǎo)桿，銷釘?shù)膬啥朔謩e與左、右極板連接，信號導(dǎo)桿的一端與銷釘連接；或者在極板屏蔽件內(nèi)配裝兩根銷釘，在測桿內(nèi)配裝兩根信號導(dǎo)桿，兩根銷釘各自的一端分別與左、右極板連接，另一端分別與兩根信號導(dǎo)桿的一端連接；本發(fā)明具有可測深徑比大、可進行雙向瞄準觸發(fā)、傳感器具有一定量程等特點。
文檔編號G01B7/13GK101493310SQ20091007130
公開日2009年7月29日 申請日期2009年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月21日
發(fā)明者葉樹亮, 崔俊寧, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)