CN1009131B - 位移检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装有鉴相式静电电容探测器的位移检测装置。该检测器包括装在彼此相对移动的部件上的第一和第二传感元件。第一传感元件固定在装有指示器的支承板上，而第二传感元件装在可动板这一侧，例如装在由壳体支承的测杆上。当支承板被固定到壳体上时，使用可目视检查的位置检验器将这些传感元件安装在预定位置上。

Description

本发明涉及一种位移检测装置，它装有探测主体和测头之间相对位移的探测器，更准确地说，它涉及位移检测装置在结构上的改进，使得探测器的组装和调节非常方便。

例如，在机械式指示表中，在其前端装有测头的测杆滑动地支承在壳体上，该测杆的轴向位移经过一个机械式放大机构转换成指针的转角，而测量值由指针对应刻度盘上的读数读出，与上述机械指示表不同的一种公知的位移检测装置叫作电子指示表，其位移由内装的探测器转换成电信号，而该电信号经电子仪器在显示器上显示，例如用数字和/或模拟量显示器显示。因精度高和读数方便，电子指示表被迅速推广。

按不同要求，如使用目的、测量精度和消耗功率，上述那种类型的位移检测装置的探测器可分成下面几种：静电电容式、光电式、磁性式、触点式等等。然而，制成的任何一种探测器，其结构是：第一和第二传感元件分别安装在可动元件，如测杆上;和固定元件，如壳体上，其工作方式是彼此相对移动。由于工作原理、探测方式等等不同的原因，第一和第二传感元件的形状各异，它们可以是彼此相对的一对电极板，主光栅尺和游标光栅尺，磁尺和磁头或者是电极板和电触头。在保证彼此间位置关系有规律的条件下，这种探测器能够达到10微米数量级的分辨率。

然而，上述常规探测器存在的问题是两个传感元件之间的位置关系装调十分困难。这个问题将在下面结合在图5和图6中显示的鉴相式静电电容探测器100的实施例予以说明。更具体地说，如图5所示，多个发送电极32按一定间隔规则地排列在固定板31的外表面上形成预定的图形，组成定子或尺板的固定板31固定到装置的主体 一侧，例如固定在壳体上，再有一个带状接收电极33平行于这些发送电极32位置。将彼此不同相位的交流电压信号加到相应的发送电极32上。组成转子或可动尺板的可动板41与可动元件，例如测杆，相连接，与固定板31相对放置。在该可动板41上，沿其运动方向交替地设置耦合电极42和接地电极43，它们都与各发送电极32和接收电极33相对並跨过这两种电极。

另一方面，与各发送电极32相连的电压信号经耦合电极42感应到接收电极33上，于是当可动元件移到彼此不同相位的交流电压加到相应的各发送电极32的位置上时，从接收电极33上可以得到与可动元件的位移量成比例的输出信号。从接收电极33输出的信号相位在积分器36中被处理，並与预定的参考相位比较，以便精确地测量出可动元件的位移量，而不受电源电压的波动等因素的影响。

在上述结构的探测器100中，各发送电极32、接收电极33与耦合电极42之间的距离对精度影响极大，这个距离应保持在微米数量级，而且彼此间的平行度也不应该变化。此外，即使固定板31和可动板41之间出现相对位移，各电极间的距离和平行性也应当保持。然而，例如即使两块板31和41之间保持平行，但由于它们的位置倾斜和移位等原因使得极板的面积比发生变化也是不允许的。如果位置关系出现无规律现象，那么比率S/N发生变化，这样预定的检测精度不仅不能保证，而且由于两块板31和41之间发生接触和类似毛病而不能进行检测。为了便于携带和改善操作性能，近年来要求位移检测装置小型化的呼声越来越高。组装具有前面所说的那种位置关系的位移检测装置是非常麻烦的，特别是在采用监视输出电压的方法和类似的方法时，而且为了调整要重新拆开位移检测装置，而实际 测量操作要在组装好之后进行，要想得到高于1微米的分辨率是十分困难的。这个问题不仅出在静电电容式探测器上，而且对上面提到的光电式探测器以及其它类似的探测器也同样存在。

当上述的鉴相式静电电容探测器100安装到位移检测装置上，如装到电子指示表上时，出现下述问题。

更具体地说，当探测器100被众所周知的卡尺、高度尺和类似的量具，例如在图7中所示的电子卡尺采用时，带有发送电极32和接收电极33的固定板31紧固到与电子显示器21整体成形的尺框70上，带有耦合电极42和接地电极43的可动板41装到尺身71上，布线应做到：在尺框70上，交流电压可加到各发送电极32上，而输出信号能从接收电极33上取出，而接地电极43用导线与尺身71连接，这样预定的操作就能实现。然而，在位移检测装置的壳体内，例如在电子指示表壳体内，由于可动板41在测杆的径向上伸出，接地电极43和测杆必须用环绕可动板的电缆连接。因此，为了确保足够的空间使得该电缆不妨碍其他的部件，位移检测装置作为一个整体应采用大尺寸。再有，又出现了这样一个问题：由于测杆的频繁垂直位移，该电缆的接线端部分要脱开。此外，不管上述的技术特征如何，由于前述各问题的存在，超小型位移检测装置由于受其结构的限制不能采用鉴相式静电电容探测器，于是阻碍高精度位移检测装置的广泛应用。

本发明的目的在于简化位移检测装置的结构;精确和快速地实现构成探测器的两个传感元件间的位置调整並以高精度进行位移检测。

基于这样的事实：在位移检测装置装拆时完成探测器的常规装调;和在传感元件上设置各发送电极的预定图形等等，本发明试图用上述 图形来调整两个传感元件之间的位置关系，从而消除现有技术中存在的上述那些问题。

为此，本发明设想在位移检测装置中包括一个可滑动地支承在壳体上的，装有测头的测杆;和一个用来探测该测杆在其轴向的位移的探测器，其中：

该探测器包括由壳体支承，其上形成预定图形的第一传感元件，和它同该第一传感元件相对安置並整体地紧固到该测杆上的第二传感元件;

在第二传感元件上设置位置检验器，可以从与第一传感元件相对的方向目视检查第一传感元件的图形，並确定第二传感元件与第一传感元件之间的位置关系;以及

在以紧固到测杆上的第二传感元件调整好第一传感元件的位置之后，第一传感元件由壳体支承。

从而，第二传感元件整体地固定到与壳体滑动安装的测杆上，並平行于测杆的轴线，第一传感元件和第二传感元件之间的位置关系用预先设置在第二传感元件上带有定位参考线的位置检验器以目测检查预定图形进行调整，然后把第一传感元件固定在壳体上，这样，两个传感元件之间的位置关系就能容易而快速地确定。

图1是局部省略的总体布置图，它示出按本发明的位移检测装置的一个实施例;

图2是定位机构等的主要部分的透视图;

图3是第一传感元件的局部放大视图;

图4是位移检测装置的总体外形图;

图5是局部平面图，它示出在传统实例中的第一和第二传感元件;

图6是图5沿Ⅵ-Ⅵ线取的剖面图;和

图7是现有技术中另一种位移检测装置的外形图。

本发明的一个实施例将参照各附图在下面进行描述。

本实施例的位移检测装置具有电子指示表外型，它采用如图1至图4所示的鉴相式静电电容探测器。顺便说一下，在该探测器的结构中使用的标号与在图5和图6所示的传统结构中使用的同一标号表示相同或相类的零件，这样可以简化和省略详细的描述。

现在来看一下外形如图4所示的位移检测装置，测杆11在壳体1的套筒6中轴向地滑动（图中为垂直方向），一个装有显示器21的外框架9，开关22等可转动地装在壳体1上，当测杆11在垂直方向移动时，用其前端安装的测头与被测件接触（图中未画出），测量值可以从显示器21上以数字量和/或模拟量读出。就此装置而言，在壳体1内装有第一传感元件、第二传感元件、定位机构50，平行调节机构60等等，它们组成探测器100。

在图1和图2中，第二传感元件40的可动板41固定到一个方形固定件12上，用易导电的粘接剂46将其固定到测杆11上，作为一个导电体。在本实施例中的可动件41由电绝缘体，例如玻璃制成。然而，可动板41通常用导电金属覆盖其表面，例如镀铬或类似金属的导电层45，用蚀刻法形成各电报。当各接地电极43与形成在相应的各电极周边表面上的导电层45连接时，地电流通过可动板背面的导电层45、固定件12传到测杆11，而后再传至壳体1上，这是因为可动板41通常被导电体覆盖所致。可动板41设有一个由长条形通孔形成的位置检验器51，该孔有一条如图中所示垂直延伸的参考线S。

另一方面，形成第一传感元件30的固定板31通过调节板54和固定框架3固定到壳体1上。具体地说，固定框架3通常是园盘形，它被放到壳体1的内周缘2里，用锁紧螺丝将其固定到壳体1上（图中未画出）。调节板54通过四个偏心销56上的螺孔紧固到它的固定框架3上。固定板31靠两个凸起的销子57水平放置並且粘结地固定在调节板54上。因此，将偏心销56的偏心部分的一端插入孔55，另一端插入安装孔7中，调节偏心销使得从图1的纸面一侧经过作为位置检验器51的长条形通孔，将参考线S与位于引线端34上的接线图形37的一端边缘线相重合，如在图3中所示的那样，上述引线端34是为相应的各发送电极32供给不同相位电压信号而设的，调好之后，将各紧固螺钉59旋入各偏心销中心部位上的螺孔内拧紧，这样调节板54就被固定在固定框架3上，从而参考线S与一端边缘线完全重合，于是实现了第二传感元件40与第一传感元件30之间的定位。在此，定位机构50由四个偏心销56和位置检验器51组成，其中四个偏心销插入由孔55和安装孔7构成的四对孔中，可以改变调节板54与固定框架3的相对位置;而位置检验器由可动板41上形成的长条形通孔构成，可进行目测定位。顺便提一下，第一传感元件的各发送电极32和接收电极33与固定框架3用柔软的导线35和38电气连接，以便使调节板54相对于固定框架3可以转动。在固支框架3上的标号19是连接电子线路（未画出）的接线端。当园拱形软导线5的一端与可相对壳体1转动的外框架9的显示器21等连接时，该导线可以容许外框架9转动。

另一方面，平行调节机构60由导向件61和啮合件66构成，其中导向件61通过调节螺丝63可以使其相对于壳体1倾斜;啮合 件66在测杆11的径向上伸出，其近端固定在固定件12上，其前端与导向件61的导向槽62相啮合，这样测杆11能在其轴向滑动而不会相对于壳体1转动。因此，平行调节机构60具有阻止测杆11转动和进行平行调节两个功能。更具体地说，在由定位机构50完成定位以前和之后精细地调节调节螺丝63时，第一传感元件30的各相应电极32和33与第二传感元件40的各耦合电极42和接地电极43被调准在预定的平行度值上。

顺便提一下，图中的标号8是测杆11的减震器，标号13是弹簧挂耳（图中未画出弹簧），弹簧使测杆11在图中朝下偏移。

本实施例的操作将在下面进行描述。

首先描述组装步骤。将测杆11滑动地装到壳体1上。预先把第二传感元件40的可动板41通过导电粘结剂沿平行于测杆11的轴线方向固定到固定件12上。线性地移动平行调节机构60的调节螺丝63，借此调节导向件61的状态。该状态调节这样完成，即通过啮合件66与导向件61的导向槽62啮合使测杆11能垂直地直线移动而不转动。顺便说一句，在用定位机构50定位之后可以进行重新调节，有关重新调节的问题将在后面描述。

其后，柔软的导线35被弯成这样一种状态：使固定框架3和调节板54按图2中所示的状态重迭起来，由此使元件3和54两者都连接到壳体1上。在这种情况下，当可动板41与固定板31彼此间以一个预定厚度的间距轻轻地压接触时，各相应电极间的间距可以保持更精确。然后将固定框架3固定到壳体1上，再用定位机构50将固定板31相对于可动板41定位。在这样完成定位之后，即使测杆11运动产生位移，而发送电极32、接收电极33和耦合电极42 之间的极面积比却是一个预定的常数，转动调节相应的偏心销56，使作为位置检验器51的长条形通孔可以从可动板41的后面一侧（从图1中纸表面这一侧）目视检查，让通孔的一条边当作参考线S，与在图3中所示的接线图形37重合。定好位置之后，将已调好位置的调节板54用紧固螺钉59将其固定在固定框架3上，如果需要的话还可用粘结剂进一步固定。在此之后，将柔软导线5的一端18接到显示器21等部件上，再将外框架9装到壳体1上，至此全部组装完毕。

在这样装调好的位移检测装置中，如果测杆11运动产生位移，同时测头与被测工件接触（未画出），那末就可以从显示器21上读出测量值。

因此，在本实施例中，呈直线排列在第一传感元件30上的接线图形37和第二传感元件40的可动板41上的位置检验器51通过目视确定，借此用定位机构50实现这两个元件的重合。因此，与传统的定位方法不同，传统的方法是将第一传感元件30的固定板31和第二传感元件40的可动板41分别地预先固定，然后由实际操作中得到的各种电压波形对两个元件进行检查、拆卸和重新调整;而根据本发明的方法，能快速地实现高精度定位，以便迅速地提高探测器100的分辨率和精度。分辨率可以达到小于1微米。此外，测量的稳定性和可靠性得到保证，而且有效地减小了位移检测装置的整体尺寸。再有，由于定位装置50使用了在固定板31上高精度排列的接线图形37，不仅不需要用于定位的特别精细加工，而且简化了结构，实现经济和直接的定位。

在平行调节机构60里，导向槽62设置在可倾斜的导向件61 中，这样不仅可以阻止测杆11转动，而且能使测杆11作直线运动，还能使第二传感元件40相对于第一传感元件30的平行度达到要求。此外，同壳体1与导向槽整体设置的传统结构相比，本发明的结构具有容易操作和经济的优点。

另外，由于鉴相式静电电容探测器100可以装到测杆移动的位移检测装置中，例如装到不带相当于尺身71部分的电子指示表中，这样可以获得具有高精度和小型化的位移检测装置，其优点显露无遗。

顺便提及，在上述实施例中，在可动板41上形成的作为位置检验器51的长条形通孔的端边的直线段是用来当作参考线S，然而，简单地说，只要从可动板41这一侧可目测检查固定板31一侧上的预定图形就可以了。因此，相当于预定图形的一条曲线、按一定间隔排列的虚线、方形标记等均可采用。然而，如果使用参考线S，那么就能提供这样的优点，即在测杆11移动时，定位工作在很宽的范围上能有效地完成。在这种情况下，当可动板41用透光材料制成时，位置检验器51可以用彩色刻痕或类似标记来代替通孔。对于预定的图形来说，可以使用为相应的各发送电极32充电的导线或接线端当作接线图形37，然而也可直接使用相应的各发送电极32。总之，应当采用构成探测器100必不可少的图形。因此，当探测器100为光电式时，应该采用探测绝对原点的光栅或类似件作为该图形。根据探测原理和探测器类型，采用的图形会各不相同。

如上所述，本发明具有结构简单、能快速完成两个传感元件之间的定位及高精度检测位移的突出优点。

Claims (9)

1、一种位移检测装置，包括：

由壳体可移动地支承的，装有测头的测杆，

用来探测该测杆沿其轴向位移的探测器，该探测器包括由该壳体支承，其上形成预定图形的第一传感元件，以及同该第一传感元件相对安置并整体地紧固到该测杆上的第二传感元件，

包括一个导向件和一个装在所述测杆上的啮合件的平行调节机构，

其特征在于：

所述第二传感元件(40)设置具有参考线的位置检验器(51)，该参考线由平行于所述测杆(11)的轴线而延伸的通孔构成，并且第二传感元件使得可以从与第一传感元件相对的方向目视检查所述第一传感元件(30)的图形，确定所述第二传感元件和所述第一传感元件之间的位置关系，以便在以紧固到所述测杆上的所述第二传感元件(40)调整好所述第一传感元件(30)的位置之后，所述第一传感元件可以由所述壳体支承。

2、按权利要求1所述的位置检测装置，其中所述位置检验器设置在与所述测杆整体形成的可动板上。

3、按权利要求3所述的位移检测装置，其中所述可动板由透光材料制成。

4、按权利要求1所述的位移检测装置，其中所述第一传感元件固定在由所述壳体支承的调节板上，而所述调节板能使第一传感元件相对于所述第二传感元件定位。

5、按权利要求4所述的位移检测装置，其中所述调节板通过多个偏心元件调节其位置。

6、按权利要求1所述的位移检测装置，其中所述导向件做成是可以倾斜的，以便能够调节所述第一传感元件（30）和所述第二传感元件（40）之间的平行。

7、按权利要求1所述的位移检测装置，其中：

所述第一传感元件包括一个由所述壳体支承的固定板;和设置在所述固定板上的各发送电极和一个接收电极;

所述第二传感元件包括一个与所述测杆整体形成的可动板;和设置在所述可动板上的各耦合电极和各接地电极;以及

所述可动板在其周缘表面上形成导电层，而所述各接地电极和所述测杆经所述导电层彼此电气连接。

8、按权利要求7所述的位移检测装置，其中所述可动板和所述测杆由导电粘结剂彼此连接。

9、按权利要求1所述的位移检测装置，包括一个电子指示表。

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