0.01μm高精度位移传感器及其精度调节方法

技术领域

本发明属于高精度测量位移、深度等应用的相对位移量传感器领域，具体涉及一种0.01μm高精度位移传感器及其精度调节方法。

背景技术

现阶段精度高于0.1μm的长度传感器主要采用光栅莫尔条纹技术来实现，实现方法主要分以下三步：

第一步：在一块玻璃上等节距刻线，做成定光栅，这是传感器的核心部件。定光栅节距越小，精度越高。

第二步：在另一个部件上装有光发射器和光接收器，通常称之为动光栅。

第三步：当定光栅和动光栅保持某一距离且产生相对移动时，动光栅的光接收器就会收到移动的干涉莫尔条纹，然后把莫尔条纹通过光电元件转化为正弦波，再将正弦波整形转化，最后输出脉冲方波。这样，动光栅和定光栅的相对位移=脉冲个数*莫尔条纹的栅距。

节距精度紧密关系着传感器的精度，为保证精度，目前定光栅刻线主要采用激光刻线，且在无尘、无振动的环境下完成。国外精度高于0.1μm的光栅长度传感器都是在专用地下室完成定光栅的激光刻线，其成本高、效率低等问题显而易见，激光刻线工作也非常耗时。由此可见，现阶段技术的主要缺点是：制作成本高、制作环境苛刻、电路复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种0.01μm高精度位移传感器及其精度调节方法，生产加工成本大大降低，后端处理电路简单。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种0.01μm高精度位移传感器，包括电容定极板、电容动极板、电容极板座、测量杆、弹簧和橡皮圈，所述电容极板座包括大径电容极板筒座和小径电容极板筒座，所述小径电容极板筒座的内径小于大径电容极板筒座的内径且小径电容极板筒座固定连接于大径电容极板筒座的右侧，所述大径电容极板筒座的内侧设有两个前后设置的电容定极板，两个所述电容定极板的相邻端通过橡胶圈隔开；

所述电容定极板和电容动极板均为圆柱筒，所述电容动极板滑动套装于电容定极板的内侧，所述电容动极板的右端绝缘连接有测量杆，所述测量杆的右端向前依次穿过大径电容极板筒座和小径电容极板筒座，位于小径电容极板筒座内的一段测量杆的外侧套装有弹簧；

所述大径电容极板筒座的外侧设有印刷电路板，所述电容定极板、电容动极板和测量杆均与印刷电路板电性连接。

其中，两个所述电容定极板的背离端分别通过橡胶圈与大径电容极板筒座的内壁固定连接。

其中，所述印刷电路板上焊接有弹性探针，两个所述电容定极板与弹性探针触接。所述电容动极板和测量杆上均设有引线与印刷电路板焊接。

优选的，所述电容定极板的内半径为R，长度为L；所述电容动极板的外半径为r，长度为L。

优选的，所述橡胶圈的厚度为0.5mm。

其中，所述测量杆的左端设有一圆盘，所述圆盘通过尼龙螺钉与电容动极板的右端固定连接，所述圆盘与电容动极板之间设有绝缘层。

本发明还提供一种0.01μm高精度位移传感器的精度调节方法，包括如下步骤：

（1）测量杆不受力时，测量杆在弹簧作用下使电容动极板靠在最右侧，此时，由一块共用的电容动极板、两块电容定极板组成的两个电容器的电容差称之为初始电容C

（2）在外推力作用下，测量杆右移，假设右移某一个x值，此时，由共用的一块电容动极板、两块电容定极板组成的两个电容器的电容差称之为测量电容C

C

由此可见，电容差的变化量C

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1、本发明不再采用目前使用的光栅莫尔条纹技术，不再需要激光刻线和莫尔条纹的处理整形，因此生产加工成本大大降低，后端处理电路也相对简单。

2、本发明适当设计圆柱筒电容定极板和电容动极板的半径大小以及圆柱筒电容极板的长度，可以将精度进一步提高到0.001μm。

3、本发明中，由于圆柱筒电容极板为金属材料，极板间衬物为无机材料（空气），因此可以在高温、低温、强磁场、强辐射下长期工作，测量稳定性大大改善，尤其是解决了高温高压环境下的检测难题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

附图标记说明：

1、电容定极板；2、电容动极板；3、电容极板座；31、大径电容极板筒座；32、小径电容极板筒座；4、测量杆；5、弹簧；6、橡皮圈；7、印刷电路板。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明提供一种0.01μm高精度位移传感器，包括电容定极板1、电容动极板2、电容极板座3、测量杆4、弹簧5和橡皮圈6，所述电容极板座3为中间圆柱腔的长方体，包括大径电容极板筒座31和小径电容极板筒座32，所述小径电容极板筒座32的内径小于大径电容极板筒座31的内径且小径电容极板筒座32固定连接于大径电容极板筒座31的右侧，所述大径电容极板筒座31的内侧设有两个前后设置的电容定极板1，两个所述电容定极板1的相邻端通过橡胶圈6隔开，两个所述电容定极1的背离端分别通过另外两个橡胶圈6与大径电容极板筒座31的内壁固定连接。

所述电容定极板1和电容动极板2均为圆柱筒结构，优选的，所述电容定极板的内半径为R，长度为L；所述电容动极板的外半径为r，长度为L。所述电容动极板2滑动套装于电容定极板1的内侧，所述电容动极板2的右端绝缘连接有测量杆4，所述测量杆4的右端向前依次穿过大径电容极板筒座31和小径电容极板筒座32，位于小径电容极板筒座32内的一段测量杆4的外侧套装有弹簧5。

所述大径电容极板筒座31的外侧设有印刷电路板7，所述电容定极板1、电容动极板2和测量杆4均与印刷电路板7电性连接。

本实施例中，所述印刷电路板7上焊接有弹性探针，两个所述电容定极板1与弹性探针触接，这样进一步减少引线寄生电容对传感器的精度影响。所述电容动极板2和测量杆4上均焊接有引线与印刷电路板7焊接。

本实施例中所用的橡胶圈6的厚度为0.5mm。

本发明还提供一种0.01μm高精度位移传感器的精度调节方法，包括如下步骤：

（1）测量杆不受力时，测量杆在弹簧作用下使电容动极板靠在最右侧，此时，由一块共用的电容动极板、两块电容定极板组成的两个电容器的电容差称之为初始电容C

（2）在外推力作用下，测量杆右移，假设右移某一个x值，此时，由共用的一块电容动极板、两块电容定极板组成的两个电容器的电容差称之为测量电容C

C

由此可见，电容差的变化量C

本发明不再采用目前使用的光栅莫尔条纹技术，不再需要激光刻线和莫尔条纹的处理整形，因此生产加工成本大大降低，后端处理电路也相对简单。

适当设计圆柱筒电容定极板和电容动极板的半径大小以及圆柱筒电容极板的长度，可以将精度进一步提高到0.001μm。

由于圆柱筒形状的电容极板为金属材料，极板间衬物为空气，因此可以在高温、低温、强磁场、强辐射下长期工作，测量稳定性大大改善，尤其是解决了高温高压环境下的检测难题。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。