基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器

摘要

本发明公开了一种基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器。结构组成由外到内依次为传感器外壳、绝缘基质层和结构相同的四组互电容测量单元。四组互电容测量单元沿绝缘基质层内圆周向等距分布，每组由第一、第二梳齿式电容极板构成。传感器用于高精密轴系转子的径向运动误差测量，作为定子同轴安装于被测转子外。测量时，转子产生的径向跳动将引起对应互电容测量单元总体电容值的改变，通过对电容值测量并进行合理的数学运算，可得到被测转子的径向跳动位移值。本发明采用互电容测量原理，转子只作为被测对象而不含在传感器的结构配置中，简化了传感器的配置形式，更加适合于转子运动误差的动态实时测量，同时对被测转子构成材料无特殊要求。

主权项

一种基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器，其特征在于：结构组成由外到内依次为传感器外壳(3)、绝缘基质层(4)和结构相同的四组互电容测量单元(5)，三者同轴布置且轴向长度相等；位于绝缘基质层(4)内圆柱面的四组互电容测量单元(5)，依次分布于四个象限内且沿X、Y轴相互对称，相邻互电容测量单元的圆周间距均为互电容测量单元圆周张角的1/2；每组互电容测量单元(5)均包括第一梳齿式电容极板(6)和第二梳齿式电容极板(7)；第一梳齿式电容极板(6)的N个弧形长条齿形电极(8)和第二梳齿式电容极板(7)的N个弧形长条齿形电极(9)相互交叉嵌入对方齿槽中，嵌入深度为l，齿形电极顶部距齿槽底部的距离为齿形电极的宽度w；相互交叉嵌入对方齿槽中的齿形电极位于每个齿槽的轴向中心线上，沿圆弧方向的齿槽宽度为齿形电极宽度w的3倍；所述互电容测量原理，具体为：测量时存在于相邻长条齿形电极间的电势差ΔV使两者之间形成一边缘电场，该边缘电场使两齿形电极间感应生成互电容C_m，当被测转子没有进入电场时的计算式如下：式中，ε₀为真空介电常数，ε_r(eff)为有效相对介电常数；w、t、l分别为齿形电极的宽度、厚度和嵌入深度；当被测转子发生径向跳动进入电场区域时，通过对边缘电场施加不同的影响，使相邻长条齿形电极间测得的互电容值发生变化；采用互电容测量原理，构成互电容测量单元的梳齿式电容极板均分布于所述传感器绝缘基质层上，转子只作为被测对象而不含在所述传感器的结构配置中，简化了所述传感器的配置形式；所述梳齿式柱面电容传感器，应用时被测转子处于电气悬浮状态而无需引入接地或导线，适用于高精密轴系中悬浮支撑转子的测量；所述的互电容测量单元中任意一对相邻的长条齿形电极都构成互电容测量的基本配置，长条齿形电极的宽度w大于长条齿形电极的厚度t。