基于互電容測量原理的梳齒式柱面電容傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于互電容測量原理的梳齒式柱面電容傳感器。結(jié)構(gòu)組成由外到內(nèi)依次為傳感器外殼、絕緣基質(zhì)層和結(jié)構(gòu)相同的四組互電容測量單元。四組互電容測量單元沿絕緣基質(zhì)層內(nèi)圓周向等距分布，每組由第一、第二梳齒式電容極板構(gòu)成。傳感器用于高精密軸系轉(zhuǎn)子的徑向運(yùn)動誤差測量，作為定子同軸安裝于被測轉(zhuǎn)子外。測量時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的徑向跳動將引起對應(yīng)互電容測量單元總體電容值的改變，通過對電容值測量并進(jìn)行合理的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可得到被測轉(zhuǎn)子的徑向跳動位移值。本發(fā)明采用互電容測量原理，轉(zhuǎn)子只作為被測對象而不含在傳感器的結(jié)構(gòu)配置中，簡化了傳感器的配置形式，更加適合于轉(zhuǎn)子運(yùn)動誤差的動態(tài)實(shí)時(shí)測量，同時(shí)對被測轉(zhuǎn)子構(gòu)成材料無特殊要求。
【專利說明】基于互電容測量原理的梳齒式柱面電容傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高精密軸系轉(zhuǎn)子的測量裝置，尤其是涉及一種基于互電容測量原理的梳齒式柱面電容傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代機(jī)電裝備在不斷追求高效率、高精度、高品質(zhì)和極限功能的進(jìn)程中，催生了一系列結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況極端、信息融通、和精確穩(wěn)定的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。對機(jī)電系統(tǒng)的檢測與控制，傳感器將成為信息獲取的重要組成部分。
[0003]高精密軸系作為精密加工中心、高端數(shù)控機(jī)床、硬盤驅(qū)動器、微納機(jī)械陀螺、大型軸流壓縮機(jī)等超精密裝備或大型復(fù)雜機(jī)電裝備的關(guān)鍵部件，軸系轉(zhuǎn)子的運(yùn)動誤差對整機(jī)的工作精度、穩(wěn)定性有著直接的影響。針對精密軸系轉(zhuǎn)子運(yùn)動誤差的檢測與控制，對于提高整機(jī)的工作精度和保證其長期穩(wěn)定運(yùn)行，有著重要意義。
[0004]目前應(yīng)用于精密軸系轉(zhuǎn)子運(yùn)動誤差的檢測方法主要有基于激光干涉儀的光學(xué)檢測法，利用電容傳感器或電渦流傳感器進(jìn)行的非接觸式測量方法等。采用激光干涉的方法存在著要求足夠大的安裝空間、使用環(huán)境要求高、成本高等問題，且對被測表面粗糙度較為敏感；電渦流傳感器由于信噪比較低而難以獲得較高的分辨率；目前常用的電容傳感器雖然測量分辨率和精度都很高，但都屬于一維測量器件，只能用于單自由度位移檢測；有美國學(xué)者M(jìn).H.Cheng采用整體環(huán)式電容傳感器對旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的偏心運(yùn)動進(jìn)行測量；韓國學(xué)者Ahn Hyeong-Joon提出了可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子徑向兩自由度運(yùn)動誤差檢測的柱狀電容位移傳感器，并對其在測量過程中產(chǎn)生的非線性進(jìn)行分析。上述學(xué)者的測量方法中目標(biāo)轉(zhuǎn)子均作為電容傳感器的另一電極進(jìn)行配置，不利于傳感器的集成化和小型化。上海交通大學(xué)張衛(wèi)平采用同心盤片式互電容傳感器實(shí)現(xiàn)對靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的轉(zhuǎn)子位姿的檢測，但僅限于微小角位移檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于互電容測量原理的梳齒式柱面電容傳感器，用于高精密軸系轉(zhuǎn)子運(yùn)動誤差的動態(tài)實(shí)時(shí)測量。構(gòu)成互電容測量單元的梳齒式電容極板均分布于傳感器(定子)絕緣基質(zhì)層上，有效簡化了傳感器的配置形式，同時(shí)測量不受轉(zhuǎn)子材料限制，為在線實(shí)時(shí)測量高精密軸系轉(zhuǎn)子的運(yùn)動誤差提供了一種簡單有效的方法。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]本發(fā)明由外到內(nèi)依次為傳感器外殼、絕緣基質(zhì)層和結(jié)構(gòu)相同的四組互電容測量單元，三者同軸布置且軸向長度相等；位于絕緣基質(zhì)層內(nèi)圓柱面的四組互電容測量單元，依次分布于四個(gè)象限內(nèi)且沿X、Y軸相互對稱，相鄰互電容測量單元的圓周間距均為互電容測量單元圓周張角的1/2 ;每組互電容測量單元均包括第一梳齒式電容極板和第二梳齒式電容極板；第一梳齒式電容極板的N個(gè)弧形長條齒形電極和第二梳齒式電容極板的N個(gè)弧形長條齒形電極相互交叉嵌入對方齒槽中，嵌入深度為1，齒形電極頂部距齒槽底部的距離為齒形電極的寬度W ;相互交叉嵌入對方齒槽中的齒形電極位于每個(gè)齒槽的軸向中心線上，沿圓弧方向的齒槽寬度為齒形電極寬度W的3倍。
[0008]所述的互電容測量單元中任意一對相鄰的長條齒形電極都構(gòu)成互電容測量的基本配置，長條齒形電極的寬度w大于長條齒形電極的厚度t。
[0009]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0010]I)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)高精密軸系轉(zhuǎn)子徑向X、Y兩自由度運(yùn)動誤差的同時(shí)在線測量；
[0011]2)采用互電容測量原理，構(gòu)成互電容測量單元的梳齒式電容極板均分布于傳感器(定子)絕緣基質(zhì)層上，轉(zhuǎn)子只作為被測對象而不含在傳感器的結(jié)構(gòu)配置中，簡化了傳感器的配置形式；
[0012]3)對被測轉(zhuǎn)子的構(gòu)成材料無特殊要求，導(dǎo)電材料或電介質(zhì)材料均可，應(yīng)用范圍廣?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0013]圖1是基于互電容測量原理的梳齒式柱面電容傳感器整體效果圖；
[0014]圖2是傳感器整體結(jié)構(gòu)徑向剖視圖；
[0015]圖3是圖2中C處局部放大圖；
[0016]圖4是互電容測量單元的展開視圖；
[0017]圖5是第一至第四組互電容測量單元總體電容值分布示意圖；
[0018]圖6是互電容測量基本配置示意圖；
[0019]圖7是轉(zhuǎn)子徑向跳動位移測量示意圖；
[0020]圖8是測量導(dǎo)電材料轉(zhuǎn)子的等效電路原理圖；
[0021]圖9是測量電介質(zhì)材料轉(zhuǎn)子的等效電路原理圖。
[0022]圖中:1、被測轉(zhuǎn)子，2、傳感器(定子)，3、傳感器外殼，4、絕緣基質(zhì)層，5、互電容測量單元，6、第一梳齒式電容極板Ea，7、第二梳齒式電容極板Eb，8、齒形電極Eal，9、齒形電極Ebl ;L為互電容測量單元的軸向長度，w為齒形電極圓弧方向?qū)挾龋琁為齒形電極的嵌入深度，t為齒形電極厚度。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0024]如圖1、圖2所示，測量時(shí)，傳感器2作為定子同軸安裝于被測轉(zhuǎn)子I外，其四組互電容測量單元內(nèi)圓面與被測轉(zhuǎn)子保持同等徑向間距；傳感器2的結(jié)構(gòu)組成由外到內(nèi)依次為傳感器外殼3、絕緣基質(zhì)層4和結(jié)構(gòu)相同的四組互電容測量單元5，三者同軸布置且軸向長度相等，互電容測量單元的軸向長度為L ;位于絕緣基質(zhì)層4內(nèi)圓柱面的四組互電容測量單元5，依次分布于四個(gè)象限內(nèi)且沿X、Y軸相互對稱，相鄰互電容測量單元的圓周間距均為互電容測量單元圓周張角的1/2。
[0025]如圖3、圖4所示，以一組互電容測量單元為例，包括第一梳齒式電容極板6和第二梳齒式電容極板7 ;第一梳齒式電容極板6的N個(gè)弧形長條齒形電極8和第二梳齒式電容極板7的N個(gè)弧形長條齒形電極9相互交叉嵌入對方齒槽中，嵌入深度為I，嵌入深度I要小于互電容測量單元的軸向長度L，齒形電極頂部距齒槽底部的距離為齒形電極的寬度w ;相互交叉嵌入對方齒槽中的齒形電極位于每個(gè)齒槽的軸向中心線上，沿圓弧方向的齒槽寬度為齒形電極寬度W的3倍。互電容測量單元中任意一對相鄰的長條齒形電極都構(gòu)成互電容測量的基本配置，長條齒形電極的寬度w大于長條齒形電極的厚度t。
[0026]本發(fā)明所述梳齒式柱面電容傳感器，應(yīng)用時(shí)被測轉(zhuǎn)子(即為被測轉(zhuǎn)軸)不含在傳感器的結(jié)構(gòu)配置中，被測轉(zhuǎn)子可以處于電氣懸浮狀態(tài)而無需引入接地或其它導(dǎo)線，使傳感器具有更廣的適用范圍，尤其適用于高精密軸系中懸浮支撐轉(zhuǎn)子的測量。以下結(jié)合互電容測量基本理論，對處于電氣懸浮狀態(tài)的轉(zhuǎn)子，介紹其測量原理及實(shí)施過程。
[0027]基于四組互電容測量單元構(gòu)成的梳齒式柱面電容傳感器，如圖2、圖5所示，測量高精密軸系轉(zhuǎn)子(跳動量通常小于5 μ m)徑向X、Y兩自由度運(yùn)動誤差時(shí)，被測轉(zhuǎn)子徑向跳動位移的理論計(jì)算式如下:
[0028]5x = fx (Cm, tl+Cm, t4_Cm, t2_Cm, t3)(I)
[0029]δ Y = fY (Cffl, tl+Cm, t2_Cm, t3_Cm, t4)(2)
[0030]式中，δχ、δy為被測轉(zhuǎn)子徑向跳動的位移值，fx、fY分別為轉(zhuǎn)子在X軸、Y軸方向的跳動位移值與各組互電容測量單元總體電容值的轉(zhuǎn)換函數(shù)；Cm, t^Cm, t2、Cm, t3、Cm, t4分別為第一至第四組互電容測量單元輸出的總體電容值。
[0031]互電容測量的基本配置如圖6所示，存在于相鄰長條齒形電極間的電勢差A(yù)V使兩者之間形成一邊緣電場，該邊緣電場使兩齒形電極間感應(yīng)生成互電容Cm，互電容Cm標(biāo)稱值(即被測轉(zhuǎn)子沒有進(jìn)入電場(虛線區(qū)域)時(shí))的計(jì)算式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于互電容測量原理的梳齒式柱面電容傳感器，其特征在于:結(jié)構(gòu)組成由外到內(nèi)依次為傳感器外殼(3)、絕緣基質(zhì)層(4)和結(jié)構(gòu)相同的四組互電容測量單元(5)，三者同軸布置且軸向長度相等；位于絕緣基質(zhì)層(4)內(nèi)圓柱面的四組互電容測量單元(5)，依次分布于四個(gè)象限內(nèi)且沿X、Y軸相互對稱，相鄰互電容測量單元的圓周間距均為互電容測量單元圓周張角的1/2 ;每組互電容測量單元(5)均包括第一梳齒式電容極板(6)和第二梳齒式電容極板(7);第一梳齒式電容極板(6)的N個(gè)弧形長條齒形電極(8)和第二梳齒式電容極板(7)的N個(gè)弧形長條齒形電極(9)相互交叉嵌入對方齒槽中，嵌入深度為7，齒形電極頂部距齒槽底部的距離為齒形電極的寬度相互交叉嵌入對方齒槽中的齒形電極位于每個(gè)齒槽的軸向中心線上，沿圓弧方向的齒槽寬度為齒形電極寬度#的3倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于互電容測量原理的梳齒式柱面電容傳感器，其特征在于:所述的互電容測量單元中任意一對相鄰的長條齒形電極都構(gòu)成互電容測量的基本配置，長條齒形電極的寬度#大于長條齒形電極的厚度?。
【文檔編號】G01B7/00GK103743330SQ201310750794
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】相奎, 王文, 盧科青, 張敏, 陳子辰 申請人:浙江大學(xué), 杭州電子科技大學(xué)