專利名稱：非接觸式電容復合電極型位移傳感器及測量儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種非接觸式電容復合電極型位移傳感器及測量儀。屬于位移型傳感器技術及測量儀技術，特別適用于位移、厚度和振動的測量。
背景技術：
非接觸式電容型位移傳感器的一般結構包括測量電極、內(nèi)屏蔽保護電極、外屏蔽電極三部分組成。它相對被測量物體形成測量電容C，因此有C=ϵ0ϵr×SH]]>。其中ε0為真空介電常數(shù)；εr為測量環(huán)境相對介電常數(shù)；S為電容傳感器測量電極的表面積；H為電容傳感器相對被測物體的間距。非接觸式電容型位移傳感器具有許多優(yōu)良的特性①傳感器與被測物體不接觸，沒有表面接觸測量誤差和摩擦熱噪聲、熱損耗；②測量速度快，頻率響應好；③結構簡單，使用方便，測量精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，信噪比高；④測量時輸入能量低，最小的自加熱效應；⑤可以應用于特殊的場合；因此非接觸式電容微位移傳感器的應用十分廣泛，其進行位移測量的原理方法和儀器也很多。如電容運算法、電容諧振法、電容調(diào)頻法、電容調(diào)幅法、電容調(diào)脈寬法等等，通過變換將被測位移轉(zhuǎn)換為電量輸出。以電容運算法測量儀為例該儀器的測量原理是以電容運算法的電壓輸出V0=Vb×Cbϵ0×ϵr×SH]]>。其中，Vb為儀器電路的標準信號電壓；Cb為儀器電路中的標準電容。它的結構包括三電極的電容位移傳感器、標準信號發(fā)生器、負反饋運算放大器、低通濾波器及顯示系統(tǒng)。由公式可見其電壓輸出與被測位移成正比，因而其測量范圍寬、線性好、精度高。然而它和一般電容型位移傳感器及其測量儀一樣在測量過程中，也存在一些通病。首先，利用電容法進行位移測量時，由于測量環(huán)境中介質(zhì)因素的非標準性會對測量帶來誤差，(即測量環(huán)境介質(zhì)εr與儀器電路的標準電容Cb介質(zhì)不同)；其次，測量環(huán)境介質(zhì)的變化也會對測量帶來誤差，(即Δεr的隨機誤差)；還有，在測量條件下空氣的濕度會使測量帶來嚴重的影響，甚至無法進行測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種非接觸式電容復合電極型位移傳感器及測量儀，該傳感器和測量儀用于測量位移、厚度和振動時不受環(huán)境介質(zhì)變化的影響及所帶來的測量誤差，測量精度高、使用方便、應用廣泛、結構簡單。
為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案加以實現(xiàn)的。該位移傳感器由外屏蔽電極殼及其殼內(nèi)的測量電極、內(nèi)屏蔽電極、電路板、電纜接頭構成。其特征在于在內(nèi)屏蔽電極與測量電極之間加設了復合電極。在該傳感器的上端設有氣嘴接頭。該氣嘴與傳感器內(nèi)腔及電極間隙構成氣路通道。電極所連接的電路板主要包括熱敏元件、壓力敏感元件和濕敏元件組成。
上述的熱敏元件包括熱電阻、熱電偶；壓力敏感元件包括硅壓力器件、彈性體壓力器件；濕敏元件包括半導體化合物濕敏器件。
上述的非接觸式電容復合電極型位移傳感器的外形為圓柱體或為矩形體。
采用上述的非接觸式電容復合電極型位移傳感器相配合的測量位移和厚度的測量儀的結構，包括標準信號發(fā)生器電路；負反饋運算放大器；單片機數(shù)據(jù)處理及控制電路、顯示電路系統(tǒng)。其特征在于位移傳感器的復合電極和測量電極分別連接于標準信號發(fā)生器和負反饋放大器之間。儀器內(nèi)設有連接熱敏元件的電路、壓力敏感元件的電路和濕敏元件的電路及氣路控制電路。
上述的熱敏元件電路由前置放大器、線性補償電路；跟隨器組成；壓力敏感元件電路由跟隨器、放大器組成；濕敏元件的電路由前置放大器、選頻放大器組成；氣路控制電路主要由開關電路和氣泵組成。
本發(fā)明的優(yōu)點在于不僅具備現(xiàn)有的電容型非接觸式位移測量方法所具有的無接觸測量誤差和摩擦熱噪聲、熱損耗；測量速度快，頻率響應好；結構簡單，使用方便、信噪比高；輸入能量低；最小的自加熱效應；可以應用于特殊的場合的特點。此外本發(fā)明還具有被測位移僅僅與儀器的結構參數(shù)有關，而與被測物體所在介質(zhì)環(huán)境的變化無關的特點。因此它幾乎不受外界環(huán)境介質(zhì)對位移測量的影響。儀器的穩(wěn)定性得到了進一步的提高，重復性、分辨力和線性度更好，測量范圍更寬，應用范圍更加廣泛。


圖1為本發(fā)明非接觸式電容復合電極型位移傳感器結構示意2為配合使用非接觸式電容復合電極型位移傳感器的測量儀結構框中，1為測量電極；2為復合電極；3為內(nèi)屏蔽電極；4為復合電極架；5為復合電極座；6為外屏蔽電極殼；7為電路板；8為密封圈；9為外蓋；10為電纜接頭；11為氣路接頭；12為錐螺紋接口；13為標準信號發(fā)生器；14為非接觸式電容復合電極型位移傳感器；15為運算放大器；16為單片機數(shù)據(jù)處理及控制電路；17為前置放大器；18為線性補償電路；19為跟隨器；20為跟隨器；21為放大器；22為前置放大器；23為選頻濾波放大器；24為開關電路；25為氣泵；26為單片機與控制電路；27為顯示系統(tǒng)。
具體實施例方式
電容式位移傳感器及其測量儀的基本工作原理是，它的電壓輸出V0=Vb×Cbϵ0×ϵr×SH]]>。其中測量環(huán)境介質(zhì)εr和真空介電常數(shù)ε0均對測量結果造成非線性誤差；由于本發(fā)明采用了非接觸式電容復合電極型位移傳感器及測量儀，因此儀器測量的輸出電壓V0=2VblR2ln(R/r)H]]>。其中，Vb為儀器標準信號電壓；l為復合電極的高度；r為復合電極的內(nèi)半徑；R為測量電極外半徑；H為復合電極傳感器與被測物體的間隙，即測量的位移。上述公式表明運算法非接觸式電容位移測量原理的測量輸出與被測物的位移成正比，并僅與傳感器的幾何尺寸有關，與被測環(huán)境介質(zhì)及其變化無關，因而消除了由于介質(zhì)變化所生產(chǎn)的影響。
以測試熱軋板的厚度為例說明本發(fā)明的使用情況將間距為固定值的兩只非接觸式電容復合電極型位移傳感器及架持器放置在距被測鋼板的上下兩方。然后將傳感器輸出電纜與其配套的測量儀牢固地連結好。打開儀器電源開關，儀器將顯示出被測的穩(wěn)定數(shù)值。將固定值與兩臺傳感器的測量儀讀數(shù)之和相減，即獲得鋼板的厚度。由于本發(fā)明的傳感器設置的熱敏元件及其測量系統(tǒng)能實時地將環(huán)境溫度的變化傳輸?shù)絻x器中，儀器可以有效地消除溫度因素造成的隨機誤差，所以大大地提高了儀器的測量穩(wěn)定性和可靠性。當將鋼板加熱到約800℃時，需要在被測鋼板表面用油、水混合液體冷卻。此時，傳感器處于在油水混合蒸汽和水泡的環(huán)境下工作。由于本發(fā)明的非接觸式電容復合電極型傳感器內(nèi)設有熱敏元件及溫度測量系統(tǒng)、壓敏元件及其測量系統(tǒng)和濕敏元件及其測量電路隨時將環(huán)境的測量參數(shù)傳輸?shù)絻x器，儀器根據(jù)測量的壓力、溫度和濕度，間歇地、自動地調(diào)節(jié)噴氣接頭的噴氣溫度和流量，同時儀器對所測量的厚度進行自動修正和補償。
采用本發(fā)明適用于鋼鐵企業(yè)板帶材軋制的厚度和寬度的質(zhì)量與控制；機械設備的振動、故障檢測與診斷；機械零件加工切削量的在線檢測；以及機器人、微型機械位移的測量與控制；機械運行摩擦磨損的測量；在軍事領域中，如炮膛的磨損研究；并且可以在核輻射下，在沖擊波下，在煙、霧、灰塵，惡劣的環(huán)境下得以廣泛應用。
權利要求
1.一種非接觸式電容復合電極型位移傳感器，該位移傳感器由外屏蔽電極殼及其殼內(nèi)的測量電極、內(nèi)屏蔽電極、電路板、電纜接頭構成，其特征在于在內(nèi)屏蔽電極與測量電極之間加設了復合電極；在該傳感器的上端設有氣嘴接頭；該氣嘴與傳感器內(nèi)腔及電極間隙構成氣路通道；電極所連接的電路板主要包括熱敏元件、壓力敏感元件和濕敏元件組成。
2.按權利要求1所述的非接觸式電容復合電極型位移傳感器，其特征在于熱敏元件包括熱電阻、熱電偶；壓力敏感元件包括硅壓力器、彈性體壓力器；濕敏元件包括硅濕敏器件。
3.按權利要求1所述的非接觸式電容復合電極型位移傳感器，其特征在于非接觸式電容復合電極型位移傳感器的外形為圓柱體或為矩形體。
4.一種采用按權利要求1所述的非接觸式電容復合電極型位移傳感器相配合的位移測量儀，它包括標準信號發(fā)生器電路；負反饋運算放大器；單片機數(shù)據(jù)處理及控制電路、顯示電路系統(tǒng)構成，其特征在于位移傳感器的復合電極和測量電極分別連接于標準信號發(fā)生器和負反饋放大器之間，儀器內(nèi)設有連接熱敏元件的電路、壓力敏感元件的電路和濕敏元件的電路及氣路控制電路。
5.按權利要求4所述的位移測量儀，其特征在于熱敏元件的電路由前置放大器、運算放大器和跟隨器組成；壓力敏感元件的電路由跟隨器、放大器組成；濕敏元件的電路由前置放大器、線性補償電路、跟隨器組成；氣路控制電路主要由開關電路、反饋電路組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非接觸式電容復合電極型位移傳感器及測量儀，特別適用于位移和厚度的測量。所述的傳感器由外屏蔽電極殼、測量電極、復合電極、內(nèi)屏蔽電極、電路板、電纜接頭構成。并在該傳感器上端設有氣嘴接頭；該氣嘴與傳感器內(nèi)腔及電極間隙構成氣路通道；電路板主要包括熱敏元件、壓力敏感元件和濕敏元件。所述的測量儀包括標準信號發(fā)生器電路；負反饋運算放大器；單片機數(shù)據(jù)處理及控制電路、顯示電路系統(tǒng)構成。本發(fā)明具有被測位移僅僅與儀器的結構參數(shù)有關，而與被測物體所在介質(zhì)環(huán)境的變化無關的特點。因此它幾乎不受外界環(huán)境介質(zhì)對位移測量的影響。提高儀器的穩(wěn)定性；重復性、分辨力和線性度更好；測量范圍更寬；應用范圍廣泛。
文檔編號G06F7/00GK1425896SQ0310242
公開日2003年6月25日 申請日期2003年1月28日 優(yōu)先權日2003年1月28日
發(fā)明者樊玉銘, 張國雄 申請人:天津大學