CN103557781A - 双单极电容差分位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双单极电容差分位移传感，具有信号处理电子设备，依次包含上感应件、目标件和下感应件；上、下感应件与信号处理电子设备相连，目标件与信号处理电子设备的地线连接；上、下感应件均包含电容屏蔽体及电容感应体，电容感应体的感应面与目标件表面相对，且对应面形状相匹配，由电容变化测得位移量。本发明还提供一种由多个双单级电容差分位移传感器组合而成复合型双单极电容差分位移传感器。

Description

双单极电容差分位移传感器

技术领域

本发明涉及测量使用的位移传感器,特别涉及一种双单极电容差分位移传感器，还涉及一种复合型的双单极电容差分位移传感器。

背景技术

目前从市场上可购买到的高测量灵敏度的电容位移传感器有两类。一类是如德国 Physik Instrumente (PI) 生产的双极电容位移传感器。 另一类是如英国 Queensgate 和德国 Micro-Epsilon生产的单极电容位移传感器。“单极电容”的意思是电容的两电极之一与地线相连，无需特定导线。电容的测量来自于那一个非地线极。而“双极电容”，电容的测量来自于两个非地线极。这两个电极都需自己的特定导线。这两类位移传感器都需非常精确的定位安装来达到传感面与传感面（双极电容）之间的，或传感面与测量面（单极电容）之间的，很高的平行度才能得到所指定的测量功能。 尽管这些位移传感器本身通过使用昂贵的材料和加工能达到较小的受温度变化的影响，但精确的定位安装后，由于定位装置也受温度变化的影响，整体测量系统很难达到预期效果，除非投入巨大的费用在定位装置的材料和加工上。双极电容位移传感器比单极电容位移传感器测量灵敏度高。两者都需高精密加工制成。因此生产成本都较高。电容传感器除感应电极外， 还有附加电极起到屏蔽外来噪音和减小电容流失。 这些附加电极的副作用是增大了不变电容，因此增大了整体电容，导致信号转成时间增长，降低了信号采样率。此外，双极电容位移传感器的两个部分都连有导线和重量较大，造成了使用局限和动态性能差。单极电容位移传感器灵敏度较差。较高灵敏度的需较高的刺激电压和较长体形。  

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供了一种双单极电容差分位移传感器。通过对零部件（感应件和目标件）结构的特殊设计和对整体结构的特殊设计来减小不变电容达到提高采样率，抵消共同噪声达到增大测量灵敏度，生产制造简单化达到降低生产成本，减小运动件的重量达到增强传感装置的动态性能，和形成对称达到减小整体传感装置对温度变化的影响。本发明的双单极电容差分位移传感传器已经保证了传感器内的测量面与传感面之间的高度精密定位，造成使用方便和使用成本低。上述问题通过如下技术方案实现：

本发明首先提出一种双单极电容差分位移传感器，具有信号处理电子设备，其改进点在于，依次包含上感应件、目标件和下感应件；所述上感应件和下感应件与信号处理电子设备相连，所述目标件与信号处理电子设备的地线连接；所述上感应件和下感应件均包含电容屏蔽体及电容感应体，所述电容感应体的感应面与目标件表面相对，所述感应面形状与目标件表面形状相匹配。

采用本技术方案，上电容感应体和目标体之间的间隙为d1, 它们共同构成一个可变单级电容C1。下电容感应体和目标体之间的间隙为d2, 它们共同构成另一个可变单级电容C2。当目标件向感应体方向平行位移时，间隙d1和d2一增一减地变化。因而电容C1和C2也一增一减地变化。电容差（C1-C2）由电子设备测得，由此测得位移量，是一种新型的传感器。其中上、下感应件具有如下三种实现方式。

其一：所述电容感应体及电容屏蔽体均为表面绝缘化的金属导体部件；

所述电容屏蔽体内具有容置槽，所述电容感应体为薄型片体并通过一薄壁空心连接件设置在电容屏蔽体的容置槽内。其二：所述电容感应体为金属导体部件，所述电容屏蔽体为表面经过导体化的绝缘体部件；所述电容屏蔽体内具有容置槽，所述电容感应体为薄型片体并通过一薄壁空心连接件设置在电容屏蔽体的容置槽内。采用上述两种方式，相对于现有技术而言，电容感应体和电容屏蔽体之间通过极小接触面来实现粘接，可以有效降低感应件内的不变电容。提高了信号采样率和较大测量灵敏度。

其三：所述上感应件和下感应件包含绝缘主体，所述电容感应体是设置在绝缘主体上表面的第一金属导体层，该第一金属导体层外周具有由绝缘主体裸露而形成的绝缘圈，所述电容屏蔽体是包覆于主体上除第一金属导体层及绝缘圈之外部分的第二金属导体层。其中，所述感应件是在双层印刷电路板上使用光刻腐蚀方法形成绝缘圈，双层印刷电路板两侧面包覆有金属导体层。

此方式是本发明的另一重要改进，其可以使用制作印刷电路板的方式，使用双层板来制作上、下感应件。基于其表述的结构，仅需要使用光刻腐蚀的方式将上述绝缘圈制作出来，双层板的两侧使用同样的金属导体层包覆，便可以实现感应件的制作。当然基于上述结构的表述，其还可以使用陶瓷、玻璃等材料对其表面进行导体化来制作上、下感应件，表面导体化的处理方法又金属真空蒸发镀膜、表面金属层粘贴和塑性电子导体印刷等方式，使用制作印刷电路板的方式来制作电容感应件更加的容易。

上述方案中的任一种方案，所述电容感应体感应面及目标件表面的形状为圆形、正方形、长方形或椭圆形。而电容屏蔽体的形状并不限定，其同样可以是圆形、正方形、长方形或椭圆形。形状的改变，使得本发明传感器可以具有更强的适用性。

本发明还提出了一种带有通孔的双单极电容差分位移传感器，其该进点在于：所述上感应件和下感应件上设置有通孔；所述目标件通过弹性部件固定设置在上、下感应件之间；所述目标件的两侧设置有推动件，推动件贯穿上感应件和下感应件的通孔。

其中，所述弹性部件与目标件一体连接，其主体为平行于目标件外周边缘的弹簧片体。所述弹簧片体的个数至少为三个，均匀布置在目标件的外缘。所述目标件的一面或两面粘结有加强片，所述加强片与目标件形状相同。所述弹簧片体的另一端连接有弹性固定体。

还可以采用，包含至少两个所述目标件，各目标件连接所述弹性片体，所述弹性片体与弹性固定体连接，各目标件之间通过中间支撑体和周边支撑体分隔，所述中间支撑体和目标件的形状相同，所述周边支撑体与弹性固定体的形状相匹配。

 还可以采用，所述弹性部件为成对纵向平行设置悬臂梁弹簧。

上述所有技术方案中，所述目标件与上、下感应件连接设置或独立于上、下感应件而单独固定设置。

上述方案中，通孔一般设置在上下感应件的中心，以保证推动件可以设置在整个传感器的中心。本发明中的目标件采用至少三个以上平行于目标件边缘且与目标件位于同一水平面的弹簧片体的方式，可以有效的避免由于温度变化对目标件的影响，当温度变化时，弹簧片体可以沿目标件外周边缘发生微小水平方向的旋转，而不会造成纵向的异动。通过设置加强片的方式，可以进一步避免在目标件平移的过程中由于外力而发生的变形。此外，本发明还是用了双悬臂梁的设计，其可以在单个目标件上设置双悬臂梁的方式，也可以是两个目标件上下并列设置而自动形成的双悬臂梁的方式。双悬臂梁的方式可以有效的保障目标件在移动过程中始终与上下感应件平行。而，目标件可以通过定位片与上下感应件一体设置，也可以设置在独立于上下感应件的其他外围固定部件上。

本发明还提出了一种推动件单独设置的双单极电容差分位移传感器，其该进点在于：还包含有独立于上、下感应件及目标件设置的第二推动件；所述目标件通过弹性部件固定设置在上、下感应件之间，第二推动件施力于目标件使之朝向上感应件或下感应件方向水平移动。

其中，所述弹性部件与目标件一体连接，其为主体平行于目标件外周边缘的弹簧片体。所述弹簧片体的个数至少为三个，均匀布置在目标件的外缘。所述目标件的一面或两面粘结有加强片，所述加强片与目标件形状相同。所述弹簧片体的另一端连接有弹性固定体。

还可以采用，包含至少两个所述目标件，各目标件连接所述弹性片体，所述弹性片体与弹性固定体连接，各目标件之间通过中间支撑体和周边支撑体分隔，所述中间支撑体和目标件的形状相同，所述周边支撑体与弹性固定体的形状相匹配。

还可以采用，所述弹性部件为成对纵向平行设置悬臂梁弹簧。

上述任一方案中，所述目标件独立于上、下感应件而单独固定设置。

上述方案中公开了一种上下感应件不带通孔的方式，推动件独立设置在外侧的某个位置上，其可以设置在外周的某个固定装置上，并驱动目标件朝向上感应件或下感应件平行移动。本方案还具有上述第一种方案的优点，再次不再重复表述。

本发明还提出了一种感应件动而目标件不动的双单极电容差分位移传感器，其该进点在于：还包含有独立于上、下感应件及目标件设置的第三推动件；所述上、下感应件一侧分别通过上端弹性件和下端弹性件固定设置在目标件的两侧，所述上、下感应件另一侧通过连接杆相连接；第三推动件施力于上感应件或下感应件相对于目标件平行移动。

上述方案中公开了一种目标件固定，而上、下感应件通过弹性件设置的方式，推动件独立设置在外侧的某个位置，并驱动上、下感应件相对于目标件平行移动。

类似的，本发明还提出了一种双单极电容差分位移传感器，其该进点在于： 还包含有独立于上、下感应件及目标件设置的第四推动件；

所述上、下感应件两侧分别通过上弹性件和下弹性件固定设置在目标件的两侧，第四推动件施力于上感应件或下感应件相对于目标件平行移动。

这种传感器的特点是上、下感应件动而目标件不同的另一种方式。无论采用上述那种方式，均是为了获得目标件及感应件之间的位移变化，而获得电容的变化。

本发明还提出了一种复合型双单极电容差分位移传感器，包含至少两个所述双单极电容差分位移传感器；各双单极电容差分位移传感器之间隔开或通过中间屏蔽装置分隔；其中，各双单极电容差分位移传感器依次包含上感应件、目标件和下感应件；所述各上感应件并联，各下感应件并联，并最终与信号处理电子设备相连，所述各目标件并联，并最终与信号处理电子设备的地线连接；所述上感应件和下感应件均包含电容屏蔽体及电容感应体，所述电容感应体的感应面与目标件表面相对，所述感应面形状与目标件表面形状相匹配。

其中，所述上感应件和下感应件包含绝缘主体，所述电容感应体是设置在绝缘主体上表面的第一金属导体层，该第一金属导体层外周具有由绝缘主体裸露而形成的绝缘圈，所述电容屏蔽体是包覆于主体上除第一金属导体层及绝缘圈之外部分的第二金属导体层；所述中间屏蔽装置是包覆有金属导体层的绝缘体部件。

其中，所述各上感应件、各下感应件及中间屏蔽装置均设置有通孔；所述各个目标件串联为一体，两端的目标件分别与推动件相连；所述各目标件通过弹性部件固定设置在各上、下感应件之间。

其中，所述弹性部件与目标件一体连接，其为平行于目标件边缘且与目标件位于同一水平面的弹簧片体。所述弹簧片体的个数至少为三个，均匀的布置在目标件的外缘上。所述目标件的一面或两面粘结有加强片，所述加强片与目标件形状相同。所述弹簧片体的另一端设置有固定目标件的弹性固定体，所述弹性固定体的上下均设置有定位片。

还可以采用，包含至少两个所述目标件，各目标件连接所述弹性片体，所述弹性片体与弹性固定体连接，各目标件之间通过中间支撑体和周边支撑体分隔，所述中间支撑体和目标件的形状相同，所述周边支撑体与弹性固定体的形状相匹配。

还可以采用，所述弹性部件为成对纵向平行设置悬臂梁弹簧。

还可以采用，所述目标件与上、下感应件一体连接设置或独立于上、下感应件而单独设置。

上述技术方案中，所述中间屏蔽装置及与之相连接的下感应件和上感应件是通过对四层印刷电路板经过光刻腐蚀方法形成绝缘圈的，该四层印刷电路板两侧面包覆有金属导体层；其余上、下感应件是在双层印刷电路板上使用光刻腐蚀方法形成绝缘圈，双层印刷电路板两侧面包覆有金属导体层。

上述复合型双单极电容差分位移传感器由多个双单级电容差分位移传感器组合而成，最易实现的是采用印刷电路板的方式，双面板可以制作上下感应件，四面板可以制作中间屏蔽体及与之相连的上、下感应件的组合体。此复合结构可以实现在纵向的延伸设计，即：降低目标件及感应件的在水平方向上的大小，而通过增加复合的数量来增加整个传感器的测量范围。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点，通过对感应件的结构设计来减小整体位移传感装置的不变电容，以致提高采样率和增大测量灵敏度。通过对感应件的结构设计来达到制造简便和生产成本低。通过对目标件的结构设计来增强整体位移传感装置的动态性能，来减小整体位移传感装置对温度变化的影响，和来达到制造简便和生产成本低。通过对感应件，目标件和周边其它部件的整体组合的结构设计来进一步减小整体位移传感装置对温度变化的影响和来达到制造简便。由于本发明已将两个感应件和一个目标件连成一体，无需任何附加的非常精确的定位安装来达到传感面与测量面之间的很高的平行度，这样就提高了制造者的制造重复性和产品质量，同时减少了使用者的使用费用。此外，本发明采用两个感应件和一个目标件来达到差分效果, 从而使共同噪声相抵消达到测量灵敏度的提高。例如：在采样率为每秒一万次时，分辨率高达十万分之一。

本发明可以作为用于测量位移的传感器，也可以应用在测量重量、压力等与电容有关的物理量的测量用途上。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1 为本发明双单极电容差分位移传感器整体结构示意图。；

图2A为表面绝缘化导体部件形成的感应件的结构示意图，其上设置有通孔。

图2B是图2A沿C-C的剖面示意图。

图3A为表面绝缘化导体部件形成的感应件的结构示意图，其上未设置有通孔。

图3B是图3A沿C-C的剖面示意图。

图4为一种现有的双极电容位移传感器的感应件结构示意图。

图5A为电容感应体为金属导体而电容屏蔽体为表面导体化的绝缘体形成的感应件的结构示意图，其上设置有通孔，电容屏蔽体为圆形。

图5B为图5A沿C-C的剖面示意图。

图6A为电容感应体为金属导体而电容屏蔽体为表面导体化的绝缘体形成的感应件的结构示意图，其上未设置有通孔，电容屏蔽体为方形。

图6B为图6A沿C-C的剖面示意图。

图7A为使用印刷电路制作方法制成的主体为绝缘体，上表面具有第一金属导体层，周边具有绝缘圈，其余部分均为第二金属导体层而形成的感应件，其上设置有通孔,电容感应体为圆形，主体为圆形。

图7B为图7A沿C-C的剖面示意图。

图8A为使用印刷电路制作方法制成的主体为绝缘体，上表面具有第一金属导体层，周边具有绝缘圈，其余部分均为第二金属导体层而形成的感应件，其上设置有通孔，电容感应体为椭圆形，主体为长方形。

图8B为图8A沿C-C的剖面示意图。

图9A为使用印刷电路制作方法制成的主体为绝缘体，上表面具有第一金属导体层，周边具有绝缘圈，其余部分均为第二金属导体层而形成的感应件，其上设置有通孔，电容感应体为正方形，主体为正方形。

图9B为图9A沿C-C的剖面示意图。

图10A为使用印刷电路制作方法制成的主体为绝缘体，上表面具有第一金属导体层，周边具有绝缘圈，其余部分均为第二金属导体层而形成的感应件，其上设置有通孔，电容感应体为长方形，主体为长方形。

图10B为图10A沿C-C的剖面示意图。

图11A为使用印刷电路制作方法制成复合型。

图11B为图11A沿C-C的剖面示意图。

图12为本发明中一种复合型双单极电容差分位移传感器整体结构示意图。

图13为本发明中一个双单极电容差分位移传感整体组合的示意图。

图14为本发明中目标件的结构示意图。

图15为本发明中一个组合目标件的结构示意图。

图16为本发明中上、下感应件与目标件结合的另一结构示意图。

图17为本发明中上、下感应件与目标件结合的再一结构示意图。

图18为本发明中双臂梁的原理图。

具体实施方式

本发明公开了一种双单极电容差分位移传感装置的结构设计。其包括了上感应件、目标件和下感应件的结构设计，并且公开了上、下感应件及目标件的多种具体实现形式。这些结构与其它信号处理电子设备相结合，最终形成一个双单极电容差分位移传感装置。

图1是本发明的双单极电容差分位移传感器的原理示意图，一个双单极电容差分位移传感器依次包含上感应件、目标件、下感应件，以及其它辅件三明治结构组成。本发明的重点改进在于，上感应件具有电容屏蔽体5和电容感应体3，下感应件具有电容屏蔽体8和电容感应体2，上感应件的电容感应体和下感应件的电容感应体之间设置有位移传感的目标件1A。上电容感应体和目标件表面之间的间隙为d1, 它们共同构成一个可变单级电容C1。下电容感应体和目标体表面之间的间隙为d2, 它们共同构成另一个可变单级电容C2。当目标件向感应体方向平行位移时，间隙d1和d2一增一减地变化。因而电容C1和C2也一增一减地变化。电容差分（C1-C2）由电子设备测得，由此测得位移量。上、下感应件的电容感应体3、2分别用外绝缘屏蔽导线与信号处理电子设备连接。上、下感应件的电容屏蔽体5、8用外绝缘屏蔽导线与信号处理电子设备的地线连接。目标件用导线或其它导体零部件，与信号处理电子设备的地线连接。

图13展示了本发明的双单极电容差分位移传感器的一个具体实施方案，各零部件在垂直方向展开以便展示。如图所示，此三明治传感结构包含上感应件的电容屏蔽体5、下感应件的电容屏蔽体8。上感应件的电容屏蔽体5内有上感应件的电容感应体3，下感应件的电容屏蔽体8内有下感应件的电容感应体2。上感应件的电容感应体3和下感应件的电容感应体2之间有位移传感的目标件1A。该目标件1A通过弹性部件设置在上、下感应件之间。该弹性部件是自目标件外缘延伸出来的弹簧片体1B，弹簧片体1B水平平行（弹簧片体与目标体位于同一水平面）于目标件的边缘，该弹簧片体1B的另一端设置有弹簧固定体1C。所述目标件1A，弹簧片体1B及弹簧固定体1C可以是一体成型的金属片体。本实施例中，目标件具有沿其圆周边缘均匀设置的4个弹簧片体。

为了实现感应件和目标件的连接，上、下感应件的电容屏蔽体边缘各设置四个安装孔，弹簧固定体1C上开设有安装孔，此外，为了使得目标件和上下感应件具有距离，在上感应件的电容屏蔽体边缘和目标件的弹簧固定体之间设置有具有安装孔的四个定位片9、46、10、44。下感应件的电容屏蔽体边缘和目标件的弹簧固定体之间设置有具有安装孔的四个定位片13、47、14、45。另外通过螺钉、螺母，完成一个上感应件、一个下感应件、一个目标件、和八个定位片的连接，从而形成一个传感结构体。此结构是目标件与上、下感应件连接在一体的结构设计。还可以将目标件单独固定在其他的定位机构上，同样可以形成目标件在上、下感应件中间的结构，如下述图16及图17所示。

本实施例中，上感应件的电容屏蔽体5、下感应件的电容屏蔽体8、上感应件的电容感应体3和下感应件的电容感应体2的中间分别有通孔，这四个通孔在同一轴线上。目标件1A上下两面各有目标件推动件7、6，上下两个推动件分别穿过上感应件的电容屏蔽体、下感应件的电容屏蔽体、上感应件的电容感应体和下感应件的电容感应体的中间的通孔。外部通过推动件使感应体产生平移和电容变化，以致测得位移。

下面将分别对感应件和目标件的多种设计和组合进行进一步说明。首先是目标件，其中目标件的功能是与感应件的感应体形成电容，而且是这个电容的一个电极。所有这些都要求目标件的表面与所形成电容的感应件感应体的表面一直保持一定的平行，即使目标件与感应件在发生相对运动，它们之间相对距离发生变化。保持目标件表面与感应件感应体表面平行的这一特性是靠目标件的几何形状和周边其它部件的设计来达到的。

那么，针对目标件的一个重要改进在于，在目标件外缘均匀设置有至少三个所述的弹簧片体。此设计的优点在于，能保证目标体表面与感应件感应体表面的相互平行。目标件的另一改进特征在于弹簧片体的走向，弹簧片体从目标体向圆周方向或近圆周方向展开，如图13所示，当目标件为圆形时，弹簧片体1B沿圆周方向展开，是平行于该圆周的圆弧臂。当目标件为方形时，其需要与方形边缘平行设置，这一形状结构使整个位移传感装置有体积小和受温度变化影响小等多个优点。当目标件由于温度变化热涨或者冷缩时，其变化的方向是沿圆周的方向变化，而不会造成目标件表面的不平，使得目标件始终与感应件的感应表面保持平行。通过对目标件的结构设计来增强整体位移传感装置的动态性能，来减小整体位移传感装置对温度变化的影响，和来达到简便制造和降低生产成本。

当目标件进行平移来增大或减小感应体和目标件之间的距离时，目标件的感应表面 1A会产生某些不愿得到变形，因为它是力的传送体。尽管能通过对目标件厚度的选择，对弹簧片体1B长度和宽度的选择来减少目标件感应表面1A的变形。本发明提出了另一种有效的减小目标件感应表面变形的实施方案是，如图14所示，在目标体的一面或两面粘加加强片40、41。通常情况下，采用单片目标件，单片目标件的厚度在0.025mm 至10mm 之间。

请参阅图15所示，有的时候，外来驱动力不作用在目标体的运动轴线方向上，甚至还带有扭矩。这种情况下，为了防止目标体的侧向移动和摆动，则需要组合式目标件。本发明提出一种组合式目标件，其改进点在于，包含至少两个上述的单片目标件1-1、1-2，它们之间有一个中间支撑体29，和多个周边支撑体22、23、33、35。其中，中间支撑体29的形状和大小与目标件相同，并采用轻质材质构成，可以是金属（轻质铝）也可以是非金属，还可以采用镂空支架结构。其中，周边支撑体为单独部件，其数量、形状和大小与弹簧固定体相同，且厚度与中间支撑体的厚度相同。各目标件通过中间支撑体和周边支撑体相互粘接形成一个具有多对双梁悬臂梁的结构体，使得各个目标件具有一定的间距，通过支撑体的支撑作用，能够使相互连接的目标件保持平整，有利于本发明效果的实现。此外，多个目标件连接在一体，上下目标件的弹簧片体可以形成双臂梁的效果，当目标件朝向感应件动作时，可以保证目标件相对于感应件始终保持平行，如图18所示。

下面针对感应件的各种结构予以介绍。

请参阅图4A及图4B，其为市场上现有的双极电容位移传感器的感应件结构。整个感应件由三部件组成，一电容感应体22，一电容屏蔽体28，和一中间隔离体23。三个部件都由金属导体材料制成，并经表面绝缘处理。从电容感应体和屏蔽体引出相应的导线。感应体和屏蔽体形成的不变电容由感应体与中间隔离体形成的电容和中间隔离体与屏蔽体形成的电容串联组成。由于感应体与中间隔离体的接触面积和中间隔离体与屏蔽体的面积都较大，它们之间又是零距离接触，所以它们之间形成的不变电容比要测的可变电容大很多。这就造成了可变电容与不变电容（可变信号与不变信号）的比值很小，因而分辨率较低。同时，大的总体电容需要信号处理时间较长，造成信号输出慢、采样率低。

本发明通过对感应件的结构设计来减小整体位移传感装置的不变电容，以致提高采样率和增大测量灵敏度，同时得到制造简便和降低生产成本等优势。

感应件的主体材料可以是导体，也可以是绝缘体（不导体）。如果感应件的材料是金属导体，如铜或铝，感应件的电容屏蔽体和电容感应体表面需要进行绝缘化处理，以防止电容感应体和电容屏蔽体直接接触。而表面绝缘化处理的方法包括阳极氧化和表面涂料镀膜。如果感应件的主体材料是绝缘体，如陶瓷、玻璃和应刷电路板（PCB）材料，主体局部表面需要进行导体化处理，来形成导体屏蔽体和导体感应体。表面导体化处理的方法包括金属真空蒸发镀膜、表面金属层粘贴和塑性电子导体印刷。

图3A及图3B所示为本发明的感应件的第一个具体结构设计实施方案。整个感应件由两部件组成，一是电容感应体12，另一是电容屏蔽体18。电容感应体12的形状由一个高度很低的圆柱形（片体或其他形状的薄型片体）和一个薄壁连接件120（可以为薄壁空心圆柱形，也可以为薄金属连接片）组成。高度很低的圆柱形的上表面是感应面。电容屏蔽体18的外部形状为正方形，其上部中心挖出一容置槽180，为配合圆柱形的电容感应体，该容置槽为圆柱槽，体积远远大于电容感应体的体积。电容感应体和电容屏蔽体都由金属导体材料制成，并经表面绝缘处理和引出相应的导线。两部件靠粘接胶连接成一体。显而易见，图3A及图3B的感应件要比图4A及图4B的感应件制造简便和生产成本低。更重要的是图3A及图3B感应件的结构致使其不变电容比图4A及图4B感应件的不变电容小很多。因此，图3A及图3B感应件能有高很多的信号采样率和较大了测量灵敏度。这是本发明主要效果之一。

图2A及2B所示为本发明的感应件的第二个具体结构设计实施方案。整个感应件由两部件组成，一是电容感应体2，另一是电容屏蔽体8。电容感应体2的形状由一个高度很低的中心有孔的圆柱形和一个薄壁空心圆柱形201组成。高度很低的圆柱形的上表面是感应面。电容屏蔽体8的上部中心挖有一圆柱槽80，底部中心有同样设置通孔。两部件都由金属导体材料制成，并经表面绝缘处理和引出相应的导线。两部件靠粘接胶连接成一体。构成图13的差分位移传感装置的上下两个感应件来自于此感应件实施方案。而来自于第一个实施方案的感应件应用于图16和图17的整体结构设计。

图7A及图7B所示为本发明的电容感应件的第三个具体结构设计实施方案。整个感应件由一个实体结构件34（绝缘主体），该实体结构件上设置有一个电容感应面32，该电容感应面32外围设置有绝缘圈340，绝缘圈340的外围包覆有相连的电容屏蔽面27、38、39组成。实体结构件34由非导电材料制成。非导电材料包括陶瓷，玻璃，和印刷电路（PCB）板材。电容感应面和电容屏蔽面通过金属蒸发镀膜方法或印刷电路制作方法制成。也就是说，本实施方式公开的感应件是在绝缘体的上表面设置有第一金属导体层，而该第一金属导体层的外围通过印刷电路板的制作方法，剔除掉金属材料而裸露出绝缘主体，而形成环绕在第一金属导体层外围的绝缘圈，而剩余的第二金属导体层形成了电容屏蔽体。此类方法与机械加工制作方法相比，大批量生产成本低和容易制作出较复杂的传感表面形状。此实施例一个用最简单的双层印刷电路板制成的圆形电容感应体。而，图8A和图8B是一个椭圆形电容感应体。 

感应件的电容感应体和位移传感目标体的形状根据具体应用情况而定。如果感应件的材料是金属导体，最容易实现的感应体形状是圆形和圆环形（图2A、3A、7A、13）。感应件的电容屏蔽体的形状要包绕在电容感应体周围。如果感应件的主体材料是绝缘体，由于使用了金属蒸发或印刷电路的加工方法，多种较复杂平面几何形状都不难实现。可能用到的感应体形状除常用的圆形和圆环形外还有正方形，长方形，和椭圆形（图8A、9A、10A）。

图5A、图5B及图6A、6B所示为本发明的感应件的第四个具体结构设计实施方案。感应件由一个金属导体制成的电容感应体4（图5B）或25（图6B）和另一个绝缘体材料制成的电容屏蔽体21（图5B）或26图6B组成。感应体的形状由一个高度很低的圆柱形和一个薄壁空心圆柱形组成。屏蔽体主体材料是绝缘体，表面进行了导体化处理来形成屏蔽层。表面导体化处理的方法包括金属真空蒸发镀膜、表面金属层粘贴和塑性电子导体印刷。屏蔽体上部中心挖有一圆柱槽。金属感应体卧于屏蔽体的圆柱槽内，屏蔽体包绕在感应体周围。感应体和屏蔽体两部件靠粘接胶连接成一体。根据使用情况，感应体中心和屏蔽体底部中心可以有孔（图5B），也可以无孔（图6B）。

图11A及图11B公开了一种复合部件，该复合附件依次包含一体设置的一个下感应件、一个中间屏蔽体和一个上感应件。下感应件包含绝缘主体54，其上表面设置的电容感应体52及绝缘圈540，绝缘圈540外围具有电容屏蔽面58。上感应件包含绝缘主体55，其下表面设置的电容感应体53及绝缘圈550，绝缘圈550外围具有电容屏蔽面56。该复合件的中间屏蔽体包含绝缘主体59。下感应件及绝缘主体59之间具有金属屏蔽面57，绝缘主体59与上感应件之间具有金属屏蔽面50，下感应件、中间屏蔽体及上感应件两侧具有电容屏蔽体60。所述电容屏蔽面58、57、50、56、60一体连接。这个感应件可用常见的四层印刷电路板制成，其只需要将四层印刷电路板的上、下表面剔除掉一部分金属而形成绝缘圈，就可以完成整个复合件的制作。用印刷电路制作方法来制作复杂电容感应件的优越性显而易见。复合电容感应件的应用将在下面具体给出。 

用印刷电路制作方法来制作电容感传感器的概念在早期的文献中曾被提出过。但不曾有过如本发明的具体的（图7A、7B，图8A、8B，图9A、9B，图10A、10B，图11A、11B）实施案例。用印刷电路制作方法构成的电容感传感器的传感表面形状结构方案也本发明的一个方面。本发明还揭示了一种复合型双单极电容差分位移传感器，其包含至少两个所述双单极电容差分位移传感器；各双单极电容差分位移传感器之间隔开或通过中间屏蔽装置分隔。其中，各双单极电容差分位移传感器依次包含上感应件、目标件和下感应件，各上感应件并联连接，各下感应件并联连接，各上下感应件最终与信号处理电子设备相连，各目标件并联，并最终与信号处理电子设备的地线连接。其中所述上感应件和下感应件均包含电容屏蔽体及电容感应体，所述电容感应体的感应面与目标件表面相对，所述感应面形状与目标件表面形状相匹配。其中的上下感应件可以使用上述任一一种感应件，目标件亦然。

请参阅图12所示，其为使用印刷电路制作方法形成的复合型双单极电容差分位移传感器。其包含上双单极电容差分位移传感器6S和下双单极电容差分位移传感器7S，两者之间设置有中间屏蔽体8S。本实施例是使用印刷电路板的方式形成的，其包含两个由双面板形成的上感应件62和下感应件72，及由一个四层板形成的复合部件70，还有两个目标件61、71。两件感应件用双层印刷电路板制成（图7A及图7B）。复合电容感应件用四层印刷电路板制成（图11A及图11B）。这两件目标件的形状和图13中所示的目标件一样，包括一个感应体1A, 四个弹簧片体1B，和四个弹簧固定体1C。两个目标件由一个连接件68连在一起，上下再连有推动件各一个67、69。此外，这个整体组合还包括十六个定位片如63-66、73-76。定位片形状和图13中所示的定位片一样。它们将两个感应件，复合电容感应件，和两个目标件连接在一起。除了以上的部件外，这个整体组合还包括一个侧向屏蔽体60。它将所有其它屏蔽体连接在一起，并与信号处理电子设备的地线相接。整个位移传感装置形成四个单极电容。两个目标件上方的感应体连接在一起，两个目标件下方的感应体连接在一起。本发明此结构的目的是增加信号的强度，提高分辨率。此组合方法可进一步扩展到使用多个复合电容感应件。如用两个复合电容感应件和三个目标件形成六个单极电容，用三个复合电容感应件和四个目标件形成八个单极电容等等。

本发明的目的在于通过对感应件，目标件和周边其它部件的整体组合的结构设计来进一步1）保证目标体与感应体之间的平行移动，2）减小非线性，3）提高测量精度，4）减小温度变化的影响，5）制造简便。图13展示了本发明的双单极电容差分位移传感器的一个具体整体实施方案。与图13相对应的原理图是图1。推动件作用在目标件上来产生与感应体之间的相对平行位移，进而它们之间的间隙（ d1, d2 ）产生变化。上感应件的电容感应体与目标体的上表面形成一个可变电容C1。下感应件的电容感应体与目标体的下表面形成另一个可变电容C2。由于这两个单极电容分别位于目标件的上侧和下侧，当目标件与感应件相对向任何一个方向平行移动时，单极电容一增大则另一减小，电容之差（C1-C2）形成差分效果，相同的噪音被相互消去，而不同的变量被叠加测得位移量。

图16展示了感应件与目标件的另一种作业方式，即：目标件独立于上、下感应件而单独固定设置。该目标件使用了外围双悬臂梁结构的固定方式。具体来讲，目标件11的边界连接一对长短和形状一样的双梁悬臂梁式弹簧16、17，双梁悬臂梁式弹簧直接固定到外围支撑体20上，目标件的上方和下方各有一个电容感应件。感应件的细节结构参见图3A及3B。上感应件的电容感应体15与目标件11的上表面形成一个可变电容C1。下感应件的电容感应体12与目标体的下表面形成另一个可变电容C2。由于这两个单极电容分别位于目标件的上侧和下侧，还包含一个独立设置的第二推动件（图中未标示），当目标件被其推动而相对感应件向任何一个方向平行移动时，两个单极电容一增大则另一减小，电容之差（C1-C2）形成差分效果测得位移量。此技术方案不同于图13揭示的方案，此方案中目标件未被设置在上下感应件上，独立固定设置在外围支撑体上。此目标件同样通过弹性部件实现固定设置，但此弹性部件并非是具有多个弹簧片体，而是一对纵向平行设置的悬臂梁弹簧，形成如图18所示的双臂梁结构，能够保证目标件相对于感应件的平行移动。这种结构的特点在于悬臂梁弹簧不通过感应件的屏蔽体直接与外围部件固定在一起。

图17展示了一个目标件固定而感应件移动的结构设计。目标件31固定在外围支撑体20上不动，两个感应件的一端由一个连接杆30连在一起，另一端与可形成双梁悬臂梁的一对相互平行的悬臂梁弹簧36、37连接在一起，双梁悬臂梁式弹簧直接固定到外围支撑体20上，还包含有第三推动件（图中未标示），通过其作用在这一对长短和形状一样的平行悬臂梁弹簧36、37或上下感应件，两个电容感应件相对于固定的目标件进行平动。感应件的细节如结构图3A及3B所示。上感应件的电容感应体15与目标件31的上表面形成一个可变电容C1。下感应件的电容感应体12与目标体的下表面形成另一个可变电容C2。两个单极电容分别位于目标件的上侧和下侧，当感应件连体被外界推动而相对感应件向任何一个方向平行移动时，两个单极电容一增大则另一减小，电容之差（C1-C2）形成差分效果测得位移量。这种结构的特点在于感应件是可动部件。

当然，还可以采用上、下感应件两侧分别使用一对悬臂弹簧固定在外围支撑体上来构成一个目标件固定（图中未标示），而感应件可同的类似结构，其通过一第四推动件（图中未标示）来实现上下感应件相对于目标件的平行移动。

Claims (35)

1.一种双单极电容差分位移传感器，具有信号处理电子设备，其特征在于：依次包含上感应件、目标件和下感应件；所述上感应件和下感应件与信号处理电子设备相连，所述目标件与信号处理电子设备的地线连接；所述上感应件和下感应件均包含电容屏蔽体及电容感应体，所述电容感应体的感应面与目标件表面相对，所述感应面形状与目标件表面形状相匹配。

2.如权利要求1所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述电容感应体及电容屏蔽体均为表面绝缘化的金属导体部件；所述电容屏蔽体内具有容置槽，所述电容感应体为薄型片体并通过一薄壁空心连接件设置在电容屏蔽体的容置槽内。

3.如权利要求1所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述电容感应体为金属导体部件，所述电容屏蔽体为表面经过导体化的绝缘体部件；所述电容屏蔽体内具有容置槽，所述电容感应体为薄型片体并通过一薄壁空心连接件设置在电容屏蔽体的容置槽内。

4.如权利要求1所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述上感应件和下感应件包含绝缘主体，所述电容感应体是设置在绝缘主体上表面的第一金属导体层，该第一金属导体层外周具有由绝缘主体裸露而形成的绝缘圈，所述电容屏蔽体是包覆于主体上除第一金属导体层及绝缘圈之外部分的第二金属导体层。

5.如权利要求4所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述感应件是在双层印刷电路板上使用光刻腐蚀方法形成绝缘圈，双层印刷电路板两侧面包覆有金属导体层。

6.如权利要求1至5中任一所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述电容感应体感应面及目标件表面的形状为圆形、正方形、长方形或椭圆形。

7.如权利要求1至5中任一所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述上感应件和下感应件上设置有通孔；所述目标件通过弹性部件固定设置在上、下感应件之间；所述目标件的两侧设置有推动件，推动件贯穿上感应件和下感应件的通孔。

8.如权利要求7所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述弹性部件与目标件一体连接，其为主体平行于目标件外周边缘的弹簧片体。

9.如权利要求8所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述弹簧片体的个数至少为三个，均匀布置在目标件的外缘。

10.如权利要求9所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述目标件的一面或两面粘结有加强片，所述加强片与目标件形状相同。

11.如权利要求10所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述弹簧片体的另一端连接有弹性固定体。

12.如权利要求11所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：包含至少两个所述目标件，各目标件连接所述弹性片体，所述弹性片体与弹性固定体连接，各目标件之间通过中间支撑体和周边支撑体分隔，所述中间支撑体和目标件的形状相同，所述周边支撑体与弹性固定体的形状相匹配。

13.如权利要求7所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述弹性部件为成对纵向平行设置的悬臂梁弹簧。

14.如权利要求8至13中任一所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述目标件与上、下感应件连接设置或独立于上、下感应件而单独固定设置。

15.如权利要求1至5中任一所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于： 还包含有独立于上、下感应件及目标件设置的第二推动件；所述目标件通过弹性部件固定设置在上、下感应件之间，第二推动件施力于目标件使之朝向上感应件或下感应件方向水平移动。

16.如权利要求15所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述弹性部件与目标件一体连接，其为主体平行于目标件外周边缘的弹簧片体。

17.如权利要求16所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述弹簧片体的个数至少为三个，均匀布置在目标件的外缘。

18.如权利要求17所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述目标件的一面或两面粘结有加强片，所述加强片与目标件形状相同。

19.如权利要求18所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述弹簧片体的另一端连接有弹性固定体。

20.如权利要求19所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：包含至少两个所述目标件，各目标件连接所述弹性片体，所述弹性片体与弹性固定体连接，各目标件之间通过中间支撑体和周边支撑体分隔，所述中间支撑体和目标件的形状相同，所述周边支撑体与弹性固定体的形状相匹配。

21.如权利要求14所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述弹性部件为成对纵向平行设置悬臂梁弹簧。

22.如权利要求14至21中任一所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述目标件独立于上、下感应件而单独固定设置。

23.如权利要求1至5中任一所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于： 还包含有独立于上、下感应件及目标件设置的第三推动件；所述上、下感应件一侧分别通过上端弹性件和下端弹性件固定设置在目标件的两侧，所述上、下感应件另一侧通过连接杆相连接；第三推动件施力于上感应件或下感应件，使上感应件和下感应件相对于目标件平行移动。

24. 如权利要求1至5中任一所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于： 还包含有独立于上、下感应件及目标件设置的第四推动件；所述上、下感应件两侧分别通过上弹性件和下弹性件固定设置在目标件的两侧，第四推动件施力于上感应件或下感应件，使上感应件和下感应件相对于目标件平行移动。

25.一种复合型双单极电容差分位移传感器，其特征在于：包含至少两个所述双单极电容差分位移传感器；各双单极电容差分位移传感器之间隔开或通过中间屏蔽装置分隔；其中，各双单极电容差分位移传感器依次包含上感应件、目标件和下感应件；所述各上感应件并联，各下感应件并联，并最终与信号处理电子设备相连，所述各目标件并联，并最终与信号处理电子设备的地线连接；所述上感应件和下感应件均包含电容屏蔽体及电容感应体，所述电容感应体的感应面与目标件表面相对，所述感应面形状与目标件表面形状相匹配。

26.如权利要求25复合型双单极电容差分位移传感器，其特征在于：其中所述上感应件和下感应件包含绝缘主体，所述电容感应体是设置在绝缘主体上表面的第一金属导体层，该第一金属导体层外周具有由绝缘主体裸露而形成的绝缘圈，所述电容屏蔽体是包覆于主体上除第一金属导体层及绝缘圈之外部分的第二金属导体层；所述中间屏蔽装置是包覆有金属导体层的绝缘体部件。

27.如权利要求26复合型双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述各上感应件、各下感应件及中间屏蔽装置均设置有通孔；所述各个目标件串联为一体，两端的目标件分别与推动件相连；所述各目标件通过弹性部件固定设置在各上、下感应件之间。

28.如权利要求27复合型双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述弹性部件与目标件一体连接，其主体为平行于目标件外周边缘的弹簧片体。

29.如权利要求28所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述弹簧片体的个数至少为三个，均匀的布置在目标件的外缘上。

30.如权利要求29所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述目标件的一面或两面粘结有加强片，所述加强片与目标件形状相同。

31.如权利要求30所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述弹簧片体的另一端设置有固定目标件的弹性固定体，所述弹性固定体的上下均设置有定位片。

32.如权利要求31所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：包含至少两个所述目标件，各目标件连接所述弹性片体，所述弹性片体与弹性固定体连接，各目标件之间通过中间支撑体和周边支撑体分隔，所述中间支撑体和目标件的形状相同，所述周边支撑体与弹性固定体的形状相匹配。

33.如权利要求27所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述弹性部件为成对纵向平行设置悬臂梁弹簧。

34.如权利要求32所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述目标件与上、下感应件一体连接设置或独立于上、下感应件而单独固定设置。

35.如权利要求26至34所述的双单极电容差分位移传感器，其特征在于：所述中间屏蔽装置及与之相连接的下感应件和上感应件是通过对四层印刷电路板经过光刻腐蚀方法形成绝缘圈的，该四层印刷电路板两侧面包覆有金属导体层；其余上、下感应件是在双层印刷电路板上使用光刻腐蚀方法形成绝缘圈，双层印刷电路板两侧面包覆有金属导体层。

Images