一種基于互電容測(cè)量原理的梳齒式柱面電容傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于互電容測(cè)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(cè)量單元。四組互電容測(cè)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(dòng)誤差測(cè)量，作為定子同軸安裝于被測(cè)轉(zhuǎn)子外。測(cè)量時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的徑向跳動(dòng)將引起對(duì)應(yīng)互電容測(cè)量單元總體電容值的改變，通過(guò)對(duì)電容值測(cè)量并進(jìn)行合理的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可得到被測(cè)轉(zhuǎn)子的徑向跳動(dòng)位移值。本實(shí)用新型采用互電容測(cè)量原理，轉(zhuǎn)子只作為被測(cè)對(duì)象而不含在傳感器的結(jié)構(gòu)配置中，簡(jiǎn)化了傳感器的配置形式，更加適合于轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)誤差的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量，同時(shí)對(duì)被測(cè)轉(zhuǎn)子構(gòu)成材料無(wú)特殊要求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于互電容測(cè)量原理的梳齒式柱面電容傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種高精密軸系轉(zhuǎn)子的測(cè)量裝置，尤其是涉及一種基于互電容測(cè)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(duì)機(jī)電系統(tǒng)的檢測(cè)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(pán)驅(qū)動(dòng)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(dòng)誤差對(duì)整機(jī)的工作精度、穩(wěn)定性有著直接的影響。針對(duì)精密軸系轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)誤差的檢測(cè)與控制，對(duì)于提高整機(jī)的工作精度和保證其長(zhǎng)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(dòng)誤差的檢測(cè)方法主要有基于激光干涉儀的光學(xué)檢測(cè)法，利用電容傳感器或電渦流傳感器進(jìn)行的非接觸式測(cè)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(wèn)題，且對(duì)被測(cè)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(cè)量分辨率和精度都很高，但都屬于一維測(cè)量器件，只能用于單自由度位移檢測(cè)；有美國(guó)學(xué)者M(jìn).H.Cheng采用整體環(huán)式電容傳感器對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的偏心運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量；韓國(guó)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(dòng)誤差檢測(cè)的柱狀電容位移傳感器，并對(duì)其在測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的非線性進(jìn)行分析。上述學(xué)者的測(cè)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(pán)片式互電容傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的轉(zhuǎn)子位姿的檢測(cè)，但僅限于微小角位移檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于互電容測(cè)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(dòng)誤差的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。構(gòu)成互電容測(cè)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(jiǎn)化了傳感器的配置形式，同時(shí)測(cè)量不受轉(zhuǎn)子材料限制，為在線實(shí)時(shí)測(cè)量高精密軸系轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)誤差提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法。
[0006]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]本實(shí)用新型由外到內(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(cè)量單元，三者同軸布置且軸向長(zhǎng)度相等；位于絕緣基質(zhì)層內(nèi)圓柱面的四組互電容測(cè)量單元，依次分布于四個(gè)象限內(nèi)且沿X、Y軸相互對(duì)稱(chēng)，相鄰互電容測(cè)量單元的圓周間距均為互電容測(cè)量單元圓周張角的1/2 ;每組互電容測(cè)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(zhǎng)條齒形電極和第二梳齒式電容極板的N個(gè)弧形長(zhǎng)條齒形電極相互交叉嵌入對(duì)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(duì)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(cè)量單元中任意一對(duì)相鄰的長(zhǎng)條齒形電極都構(gòu)成互電容測(cè)量的基本配置，長(zhǎng)條齒形電極的寬度w大于長(zhǎng)條齒形電極的厚度t。
[0009]本實(shí)用新型具有的有益效果是:
[0010]I)本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)高精密軸系轉(zhuǎn)子徑向X、Y兩自由度運(yùn)動(dòng)誤差的同時(shí)在線測(cè)量；
[0011]2)采用互電容測(cè)量原理，構(gòu)成互電容測(cè)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(cè)對(duì)象而不含在傳感器的結(jié)構(gòu)配置中，簡(jiǎn)化了傳感器的配置形式；
[0012]3)對(duì)被測(cè)轉(zhuǎn)子的構(gòu)成材料無(wú)特殊要求，導(dǎo)電材料或電介質(zhì)材料均可，應(yīng)用范圍廣。【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是基于互電容測(cè)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(cè)量單元的展開(kāi)視圖；
[0017]圖5是第一至第四組互電容測(cè)量單元總體電容值分布示意圖；
[0018]圖6是互電容測(cè)量基本配置示意圖；
[0019]圖7是轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)位移測(cè)量示意圖；
[0020]圖8是測(cè)量導(dǎo)電材料轉(zhuǎn)子的等效電路原理圖；
[0021]圖9是測(cè)量電介質(zhì)材料轉(zhuǎn)子的等效電路原理圖。
[0022]圖中:1、被測(cè)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(cè)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(cè)量單元的軸向長(zhǎng)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(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0024]如圖1、圖2所示，測(cè)量時(shí)，傳感器2作為定子同軸安裝于被測(cè)轉(zhuǎn)子I外，其四組互電容測(cè)量單元內(nèi)圓面與被測(cè)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(cè)量單元5，三者同軸布置且軸向長(zhǎng)度相等，互電容測(cè)量單元的軸向長(zhǎng)度為L(zhǎng) ;位于絕緣基質(zhì)層4內(nèi)圓柱面的四組互電容測(cè)量單元5，依次分布于四個(gè)象限內(nèi)且沿X、Y軸相互對(duì)稱(chēng)，相鄰互電容測(cè)量單元的圓周間距均為互電容測(cè)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(cè)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(zhǎng)條齒形電極8和第二梳齒式電容極板7的N個(gè)弧形長(zhǎng)條齒形電極9相互交叉嵌入對(duì)方齒槽中，嵌入深度為I，嵌入深度I要小于互電容測(cè)量單元的軸向長(zhǎng)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(duì)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?；ル娙轀y(cè)量單元中任意一對(duì)相鄰的長(zhǎng)條齒形電極都構(gòu)成互電容測(cè)量的基本配置，長(zhǎng)條齒形電極的寬度w大于長(zhǎng)條齒形電極的厚度t。
[0026]本實(shí)用新型所述梳齒式柱面電容傳感器，應(yīng)用時(shí)被測(cè)轉(zhuǎn)子(即為被測(cè)轉(zhuǎn)軸)不含在傳感器的結(jié)構(gòu)配置中，被測(cè)轉(zhuǎn)子可以處于電氣懸浮狀態(tài)而無(wú)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(cè)量。以下結(jié)合互電容測(cè)量基本理論，對(duì)處于電氣懸浮狀態(tài)的轉(zhuǎn)子，介紹其測(cè)量原理及實(shí)施過(guò)程。
[0027]基于四組互電容測(cè)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(cè)量高精密軸系轉(zhuǎn)子(跳動(dòng)量通常小于5 μ m)徑向X、Y兩自由度運(yùn)動(dòng)誤差時(shí)，被測(cè)轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)位移的理論計(jì)算式如下:
[0028]5x=fx(Cffl,tl+Cffl,t4-Cffl,t2-Cffl,t3) (I)
[0029]δ Y=fY (Cffl, tl+Cm, t2_Cm, t3_Cm, t4) (2)
[0030]式中，δχ、δ 為被測(cè)轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)的位移值，fx、fY分別為轉(zhuǎn)子在X軸、Y軸方向的跳動(dòng)位移值與各組互電容測(cè)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(cè)量單元輸出的總體電容值。
[0031]互電容測(cè)量的基本配置如圖6所示，存在于相鄰長(zhǎng)條齒形電極間的電勢(shì)差A(yù)V使兩者之間形成一邊緣電場(chǎng)，該邊緣電場(chǎng)使兩齒形電極間感應(yīng)生成互電容Cm，互電容Cm標(biāo)稱(chēng)值(即被測(cè)轉(zhuǎn)子沒(méi)有進(jìn)入電場(chǎng)(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(cè)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(cè)量單元(5)，三者同軸布置且軸向長(zhǎng)度相等；位于絕緣基質(zhì)層(4)內(nèi)圓柱面的四組互電容測(cè)量單元(5)，依次分布于四個(gè)象限內(nèi)且沿X、Y軸相互對(duì)稱(chēng)，相鄰互電容測(cè)量單元的圓周間距均為互電容測(cè)量單元圓周張角的1/2 ;每組互電容測(cè)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(zhǎng)條齒形電極(8)和第二梳齒式電容極板(7)的N個(gè)弧形長(zhǎng)條齒形電極(9)相互交叉嵌入對(duì)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(duì)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(cè)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(cè)量單元中任意一對(duì)相鄰的長(zhǎng)條齒形電極都構(gòu)成互電容測(cè)量的基本配置，長(zhǎng)條齒形電 極的寬度#大于長(zhǎng)條齒形電極的厚度?。
【文檔編號(hào)】G01B7/00GK203758448SQ201320889756
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)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(qǐng)人:浙江大學(xué), 杭州電子科技大學(xué)