專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于交變電場(chǎng)的時(shí)柵角位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密角位移測(cè)量傳感器。
背景技術(shù)：
精密角位移測(cè)量領(lǐng)域主要采用光柵、磁柵和容柵等柵式傳感器，其測(cè)量基準(zhǔn)采用的是按空間均分的周期性柵線，通過(guò)對(duì)柵線的計(jì)數(shù)而得到位移量。精密測(cè)量要求能夠測(cè)出 Γ'、0.1"的角位移，為了達(dá)到測(cè)量的精度和分辨力要求，單靠精密刻線本身無(wú)法實(shí)現(xiàn)，需要采用高精度電子細(xì)分技術(shù)，從而使這些柵式傳感器的制造工藝要求苛刻，成本高，抗干擾力差。近年來(lái)國(guó)內(nèi)研制出了一種以時(shí)鐘脈沖作為位移測(cè)量基準(zhǔn)的時(shí)柵傳感器。而現(xiàn)有的時(shí)柵角位移傳感器是基于電磁感應(yīng)原理進(jìn)行測(cè)量，定子線圈連接激勵(lì)電源，利用感應(yīng)線圈作為動(dòng)測(cè)頭獲取感應(yīng)信號(hào)；在動(dòng)測(cè)頭移動(dòng)過(guò)程中，因磁通量變化而使感應(yīng)信號(hào)相位相應(yīng)移動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，這種時(shí)柵角位移傳感器的定子線圈和感應(yīng)線圈基體要求采用導(dǎo)磁材料，造成傳感器質(zhì)量較重；制作工藝需要繞線，生產(chǎn)效率低；另外，需要對(duì)激勵(lì)電源進(jìn)行功率放大才能驅(qū)動(dòng)定子線圈，以獲取幅值足夠大的感應(yīng)信號(hào)，造成時(shí)柵角位移傳感器的功耗較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于交變電場(chǎng)的時(shí)柵角位移傳感器，它不用精密刻線，不用電阻細(xì)分箱，而采用差動(dòng)平板電容式結(jié)構(gòu)，利用電場(chǎng)耦合原理獲取信號(hào)，以時(shí)鐘脈沖作為位移計(jì)量基準(zhǔn)；因而功耗低，重量輕，分辨力高，成本低。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種基于交變電場(chǎng)的時(shí)柵角位移傳感器，包括測(cè)頭基體和定盤(pán)基體兩部分； 所述測(cè)頭基體下表面覆有內(nèi)、外兩圈均勻分布的電極；所述定盤(pán)基體上表面覆有內(nèi)、外兩圈均勻分布的電極，定盤(pán)內(nèi)圈電極的起始位置與定盤(pán)外圈電極的起始位置相差1/2電極圓心角，定盤(pán)內(nèi)圈電極的奇數(shù)號(hào)電極連成一組，偶數(shù)號(hào)電極連成一組，兩組電極組成一個(gè)A 激勵(lì)相，定盤(pán)外圈電極的奇數(shù)號(hào)電極連成一組，偶數(shù)號(hào)電極連成一組，兩組電極組成一個(gè)B 激勵(lì)相；測(cè)頭基體的下表面與定盤(pán)基體的上表面相對(duì)放置，測(cè)頭基體的測(cè)頭內(nèi)圈電極與定盤(pán)內(nèi)圈電極正對(duì)，測(cè)頭基體的測(cè)頭外圈電極與定盤(pán)外圈電極正對(duì)，并留有一定間隙δ，形成內(nèi)、外兩圈差動(dòng)電容；
測(cè)頭基體與定盤(pán)基體同軸安裝并可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；定盤(pán)內(nèi)圈的A激勵(lì)相與定盤(pán)外圈的B激勵(lì)相分別連接相位相差90°的等幅等頻正弦激勵(lì)電壓fe、脅，測(cè)頭內(nèi)圈電極與測(cè)頭外圈電極產(chǎn)生的兩路電場(chǎng)耦合信號(hào)Uoa、Uob經(jīng)加法電路合成為一路行波信號(hào)你，該行波信號(hào)與一路相位固定的同頻率參考信號(hào)Ur經(jīng)整形電路整形后，由比相電路進(jìn)行比相；兩路信號(hào)的相位差由插補(bǔ)的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)表示，再經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換得到測(cè)頭基體相對(duì)于定盤(pán)基體的角位移值。
進(jìn)一步，所述定盤(pán)內(nèi)圈電極和定盤(pán)外圈電極為徑向高度相同圓心角大小相等的扇環(huán)形；所述測(cè)頭內(nèi)圈電極和測(cè)頭外圈電極沿圓弧方向展開(kāi)后的形狀為一條
區(qū)間的正弦曲線圍成的區(qū)域形狀，以獲得幅值按正弦規(guī)律調(diào)制的電場(chǎng)耦合信號(hào)；測(cè)頭內(nèi)圈電極與定盤(pán)內(nèi)圈電極的寬度相同圓心角大小相等且徑向高度也相同，測(cè)頭外圈電極與定盤(pán)外圈電極的寬度相同圓心角大小相等且徑向高度也相同。進(jìn)一步，所述定盤(pán)內(nèi)圈電極的奇數(shù)號(hào)電極與測(cè)頭內(nèi)圈電極形成差動(dòng)電容C1,偶數(shù)號(hào)電極與測(cè)頭內(nèi)圈電極形成差動(dòng)電容C2 ；所述定盤(pán)外圈電極的奇數(shù)號(hào)電極與測(cè)頭外圈電極形成差動(dòng)電容C3,偶數(shù)號(hào)電極與測(cè)頭外圈電極形成差動(dòng)電容C4 ；所述差動(dòng)電容C1和差動(dòng)電容C2構(gòu)成一組交流電橋，輸出測(cè)量信號(hào)uai、Ua2 ；所述差動(dòng)電容C3和差動(dòng)電容C4構(gòu)成另一組交流電橋，輸出測(cè)量信號(hào)他、Ub20測(cè)量信號(hào)Uai、Uei2通過(guò)第一儀表放大器Ul輸出電場(chǎng)耦合信號(hào)Uoa ；測(cè)量信號(hào)Ub” Ub2通過(guò)第二儀表放大器U2輸出電場(chǎng)耦合信號(hào)Uob ；輸出的兩路電場(chǎng)耦合信號(hào)Uoa、Uob通過(guò)加法器U3合成輸出一路行波信號(hào)Uo0行波信號(hào)Uo與同頻率參考信號(hào)Ur經(jīng)整形電路整形成方波后，再進(jìn)行比相。本發(fā)明的技術(shù)方案是“時(shí)柵傳感器的測(cè)量思想+磁柵和感應(yīng)同步器的激勵(lì)方式+ 容柵和旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)形式”，采用基于交變電場(chǎng)的駐波合成電行波的新方法，融合了現(xiàn)有的多種柵式位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的有益效果是采用差動(dòng)平行電容極板構(gòu)建的交變電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，利用交流電橋結(jié)構(gòu)的傳感器測(cè)頭，通過(guò)同頻率正交的兩路駐波(電場(chǎng)耦合)信號(hào)疊加而成一個(gè)電行波信號(hào)，以高頻時(shí)鐘脈沖作為位移計(jì)量基準(zhǔn)；因此，本傳感器功耗低，重量輕，分辨力高，成本低。


圖1 (a)是定盤(pán)基體和測(cè)頭基體上的電極示意圖。圖1 (b)是定盤(pán)基體上的電極與測(cè)頭基體上的電極位置關(guān)系剖視圖。圖2是定盤(pán)內(nèi)圈電極、定盤(pán)外圈電極的連接關(guān)系圖。圖3是定盤(pán)內(nèi)圈電極與定盤(pán)外圈電極的尺寸圖。圖4是測(cè)頭外圈電極與定盤(pán)外圈電極形成的差動(dòng)電容示意圖。圖5 (a)是定盤(pán)外圈電極構(gòu)成的交流電橋式結(jié)構(gòu)電路圖。圖5 (b)是定盤(pán)內(nèi)圈電極構(gòu)成的交流電橋式結(jié)構(gòu)電路圖。圖6是行波信號(hào)Uo的合成電路原理圖。圖7是本發(fā)明信號(hào)處理原理框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1 (a)、圖1 (b)、圖2、圖3、圖4、圖5 (a)、圖5 (b)所示，本發(fā)明所述的基于交變電場(chǎng)的時(shí)柵角位移傳感器包括測(cè)頭基體1和定盤(pán)基體2兩部分；采用石英作為基體材料，通過(guò)在石英表面噴鍍一層鐵鎳合金作為電極。在定盤(pán)基體2的上表面均勻地覆有內(nèi)、外兩圈徑向高度相同圓心角大小相等的扇
4環(huán)形電極，即定盤(pán)內(nèi)圈電極2-1和定盤(pán)外圈電極2-2。定盤(pán)內(nèi)圈電極尺寸相同，定盤(pán)內(nèi)圈電極2-1的外環(huán)半徑為38mm，徑向高度為10mm，圓心角為10°，內(nèi)圈相鄰電極之間的間距為 0. 1mm。定盤(pán)外圈電極尺寸相同，定盤(pán)外圈電極2-2的外環(huán)半徑為53mm，徑向高度為10mm， 圓心角為10°，外圈相鄰電極之間的間距為0. 1mm。定盤(pán)內(nèi)圈電極2_1與定盤(pán)外圈電極2_2 的個(gè)數(shù)相等，起始位置相差5°。在測(cè)頭基體1下表面均勻地覆有個(gè)數(shù)相等的內(nèi)、外兩圈電極，即測(cè)頭內(nèi)圈電極1-1和測(cè)頭外圈電極1-2 ；測(cè)頭內(nèi)圈電極尺寸相同，測(cè)頭內(nèi)圈電極1-1 與定盤(pán)內(nèi)圈電極2-1的寬度相同圓心角大小相等且徑向高度也相同，測(cè)頭內(nèi)圈電極1-1的外環(huán)半徑為38mm，徑向高度為10mm，圓心角為10° ；測(cè)頭外圈電極尺寸相同，測(cè)頭外圈電極 1-2與定盤(pán)內(nèi)圈電極2-2的寬度相同圓心角大小相等且徑向高度也相同，測(cè)頭外圈電極1-2 的內(nèi)環(huán)半徑為43mm，徑向高度為10mm，圓心角為10° ；測(cè)頭內(nèi)、外兩圈電極沿圓弧方向展開(kāi)后為一條
區(qū)間的正弦曲線圍成的區(qū)域形狀。定盤(pán)內(nèi)圈電極2-1的奇數(shù)號(hào)(即第1，3，5，…，33，35號(hào))電極連成一組，偶數(shù)號(hào)(即第2，4，6，…，34，36號(hào))電極連成一組，兩組電極組成A激勵(lì)相，在A激勵(lì)相加上 Ua = Umsm 激勵(lì)信號(hào)。定盤(pán)外圈電極2-2的奇數(shù)號(hào)(即第I, 3，5，-,33, 35號(hào))電極連成一組，偶數(shù)號(hào)(即第2，4，6，…，34，36號(hào))電極連成一組，兩組電極組成B激勵(lì)相，在 β激勵(lì)相加上1: = Um cos·激勵(lì)信號(hào)。測(cè)頭基體1與定盤(pán)基體2同軸安裝并可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)頭基體1的下表面與定盤(pán)基體2的上表面相對(duì)平行放置，并留有間隙i/=0. 2mm，測(cè)頭基體1的測(cè)頭內(nèi)圈電極1_1與定盤(pán)內(nèi)圈電極2-1正對(duì)，測(cè)頭基體1的測(cè)頭外圈電極1-2與定盤(pán)外圈電極2-2正對(duì)，測(cè)頭內(nèi)圈電極1-1與定盤(pán)基體2的A激勵(lì)相的相鄰兩個(gè)電極形成差動(dòng)電容C1和C2,其中C1為測(cè)頭內(nèi)圈電極1-1與A激勵(lì)相奇數(shù)號(hào)電極之間形成的電容，C2為測(cè)頭內(nèi)圈電極1-1與A激勵(lì)相偶數(shù)號(hào)電極之間形成的電容。測(cè)頭外圈電極1-2與定盤(pán)基體2的B激勵(lì)相的相鄰兩個(gè)電極形成差動(dòng)電容C3和G，其中C )為測(cè)頭外圈電極1-2與B激勵(lì)相奇數(shù)號(hào)電極之間形成的電容， ^4為測(cè)頭外圈電極1-2與B激勵(lì)相偶數(shù)號(hào)電極之間形成的電容。如圖4、圖5 (a)、圖5 (b)、圖6所示，當(dāng)測(cè)頭基體1逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，C1電容的相對(duì)覆蓋面積由小變大、再由大變小呈周期性變化，C2電容的相對(duì)覆蓋面積由大變小、再由小變大呈周期性變化，C1和C2的電容值也隨之相應(yīng)地呈周期性變化。采用交流電橋式結(jié)構(gòu)電路獲取測(cè)量信號(hào)，差動(dòng)電容G和差動(dòng)電容C2構(gòu)成一組交流電橋，輸出測(cè)量信號(hào)Uai、Ua2 ； Va1接電橋的一端，作為參考點(diǎn)信號(hào)，你2接測(cè)頭內(nèi)圈電極1-1。^^和^馬分別與第一儀表放大器Ul (INA141UA)的第2和3腳相連，第一儀表放大器Ul的第6腳輸出的信號(hào)Uoa可表示為
Uoa = KeUm sin ω cos(ι)
式中-.Ke為電場(chǎng)耦合系數(shù)，ζ為測(cè)頭和定盤(pán)之間的相對(duì)角位移，/f為一個(gè)電極對(duì)應(yīng)的圓心角，這里取值為5°。 同樣地，差動(dòng)電容C3和差動(dòng)電容C4構(gòu)成另一組交流電橋，輸出測(cè)量信號(hào)Ub” Ub2 ； 測(cè)頭外圈電極1-2與B激勵(lì)相產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)處理后，從第二儀表放大器U2的第6腳輸出， 信號(hào)Uob可表示為⑶
如圖7所示，合成后的正弦行波信號(hào)你與一路相位固定的同頻參考正弦信號(hào)&接入整形電路處理，轉(zhuǎn)換為同頻的兩路方波信號(hào)后，送入比相電路進(jìn)行處理，利用高頻時(shí)鐘插補(bǔ)技術(shù)得到兩路信號(hào)的相位差，經(jīng)微處理器計(jì)算處理后即可得到傳感器測(cè)頭基體與定盤(pán)基體之間的角位移值。
采用加法器U3 (0PA277UA)構(gòu)成的加法電路對(duì)兩路駐波(電場(chǎng)耦合)信號(hào)Uoa和Uob進(jìn)行處理，合成后的信號(hào)從加法器U3的第6腳輸出，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種基于交變電場(chǎng)的時(shí)柵角位移傳感器，包括測(cè)頭基體(1)和定盤(pán)基體(2)兩部分， 其特征是所述測(cè)頭基體下表面覆有內(nèi)、外兩圈均勻分布的電極；所述定盤(pán)基體上表面覆有內(nèi)、外兩圈均勻分布的電極，定盤(pán)內(nèi)圈電極(2-1)的起始位置與定盤(pán)外圈電極(2-2)的起始位置相差1/2電極圓心角，定盤(pán)內(nèi)圈電極的奇數(shù)號(hào)電極連成一組，偶數(shù)號(hào)電極連成一組，兩組電極組成一個(gè)A激勵(lì)相，定盤(pán)外圈電極的奇數(shù)號(hào)電極連成一組，偶數(shù)號(hào)電極連成一組，兩組電極組成一個(gè)B激勵(lì)相；測(cè)頭基體的下表面與定盤(pán)基體的上表面相對(duì)放置，測(cè)頭基體的測(cè)頭內(nèi)圈電極(1-1)與定盤(pán)內(nèi)圈電極正對(duì)，測(cè)頭基體的測(cè)頭外圈電極(1-2)與定盤(pán)外圈電極正對(duì)，并留有一定間隙I形成內(nèi)、外兩圈差動(dòng)電容；測(cè)頭基體與定盤(pán)基體同軸安裝并可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；定盤(pán)內(nèi)圈的A激勵(lì)相與定盤(pán)外圈的B激勵(lì)相分別連接相位相差90°的等幅等頻正弦激勵(lì)電壓Ua、脅，測(cè)頭內(nèi)圈電極與測(cè)頭外圈電極產(chǎn)生的兩路電場(chǎng)耦合信號(hào)Uoa、Uob經(jīng)加法電路合成為一路行波信號(hào)你，該行波信號(hào)與一路相位固定的同頻率參考信號(hào)Ur經(jīng)整形電路整形后，由比相電路進(jìn)行比相；兩路信號(hào)的相位差由插補(bǔ)的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)表示，再經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換得到測(cè)頭基體相對(duì)于定盤(pán)基體的角位移值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交變電場(chǎng)的時(shí)柵角位移傳感器，其特征是所述定盤(pán)內(nèi)圈電極(2-1)和定盤(pán)外圈電極(2-2)為徑向高度相同圓心角大小相等的扇環(huán)形；所述測(cè)頭內(nèi)圈電極(1-1)和測(cè)頭外圈電極(1-2)沿圓弧方向展開(kāi)后的形狀為半正弦形，測(cè)頭內(nèi)圈電極與定盤(pán)內(nèi)圈電極的寬度相同圓心角大小相等且徑向高度也相同，測(cè)頭外圈電極與定盤(pán)外圈電極的寬度相同圓心角大小相等且徑向高度也相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交變電場(chǎng)的時(shí)柵角位移傳感器，其特征是所述定盤(pán)內(nèi)圈電極(2-1)的奇數(shù)號(hào)電極與測(cè)頭內(nèi)圈電極(1-1)形成差動(dòng)電容C1,偶數(shù)號(hào)電極與測(cè)頭內(nèi)圈電極(1-1)形成差動(dòng)電容C2 ；所述定盤(pán)外圈電極(2-2 )的奇數(shù)號(hào)電極與測(cè)頭外圈電極(1-2 ) 形成差動(dòng)電容C3,偶數(shù)號(hào)電極與測(cè)頭外圈電極(1-2)形成差動(dòng)電容C4 ；所述差動(dòng)電容C1和差動(dòng)電容C2構(gòu)成一組交流電橋，輸出測(cè)量信號(hào)Uai、Ua2 ；所述差動(dòng)電容C3和差動(dòng)電容C4構(gòu)成另一組交流電橋，輸出測(cè)量信號(hào)脅7、V~。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于交變電場(chǎng)的時(shí)柵角位移傳感器，其特征是所述測(cè)量信號(hào)Uai、Ua2通過(guò)第一儀表放大器Ul輸出電場(chǎng)耦合信號(hào)Uoa ；所述測(cè)量信號(hào)Ubn Ub2通過(guò)第二儀表放大器U2輸出電場(chǎng)耦合信號(hào)你力；輸出的兩路電場(chǎng)耦合信號(hào)Uoa M通過(guò)加法器U3 合成輸出一路行波信號(hào)你。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于交變電場(chǎng)的時(shí)柵角位移傳感器，其特征是所述行波信號(hào)Uo與同頻率參考信號(hào)Ur經(jīng)整形電路整形成方波后，再進(jìn)行比相。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于交變電場(chǎng)的時(shí)柵角位移傳感器，包括測(cè)頭基體和定盤(pán)基體兩部分；測(cè)頭基體下表面覆有內(nèi)、外兩圈均勻分布的電極；定盤(pán)基體上表面覆有內(nèi)、外兩圈均勻分布的電極，定盤(pán)內(nèi)、外兩圈電極的起始位置相差1/2電極圓心角；測(cè)頭基體的下表面與定盤(pán)基體的上表面相對(duì)放置，并留有一定間隙δ，形成內(nèi)、外兩圈差動(dòng)電容；測(cè)頭基體與定盤(pán)基體同軸安裝并可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；定盤(pán)內(nèi)、外兩圈電極分別連接相位相差90°的正弦激勵(lì)電壓，測(cè)頭內(nèi)、外兩圈電極分別產(chǎn)生的兩路電場(chǎng)耦合信號(hào)合成為一路行波信號(hào)Uo，與相位固定的同頻參考信號(hào)Ur整形后，進(jìn)行比相；兩路信號(hào)的相位差由插補(bǔ)的時(shí)鐘脈沖表示，再通過(guò)變換得到角位移值。它功耗低，重量輕，分辨力高，成本低。
文檔編號(hào)G01B7/30GK102425987SQ20111025749
公開(kāi)日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者劉小康, 周啟武, 彭東林, 彭凱, 楊繼森 申請(qǐng)人:重慶理工大學(xué)