CN102425987A - 一种基于交变电场的时栅角位移传感器 - Google Patents

一种基于交变电场的时栅角位移传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于交变电场的时栅角位移传感器，包括测头基体和定盘基体两部分；测头基体下表面覆有内、外两圈均匀分布的电极；定盘基体上表面覆有内、外两圈均匀分布的电极，定盘内、外两圈电极的起始位置相差1/2电极圆心角；测头基体的下表面与定盘基体的上表面相对放置，并留有一定间隙δ，形成内、外两圈差动电容；测头基体与定盘基体同轴安装并可相对转动；定盘内、外两圈电极分别连接相位相差90°的正弦激励电压，测头内、外两圈电极分别产生的两路电场耦合信号合成为一路行波信号Uo，与相位固定的同频参考信号Ur整形后，进行比相；两路信号的相位差由插补的时钟脉冲表示，再通过变换得到角位移值。它功耗低，重量轻，分辨力高，成本低。

Description

一种基于交变电场的时栅角位移传感器
技术领域
本发明属于精密角位移测量传感器。
背景技术
精密角位移测量领域主要采用光栅、磁栅和容栅等栅式传感器，其测量基准采用的是按空间均分的周期性栅线，通过对栅线的计数而得到位移量。精密测量要求能够测出                                                
Figure 2011102574914100002DEST_PATH_IMAGE001
的角位移，为了达到测量的精度和分辨力要求，单靠精密刻线本身无法实现，需要采用高精度电子细分技术，从而使这些栅式传感器的制造工艺要求苛刻，成本高，抗干扰力差。
近年来国内研制出了一种以时钟脉冲作为位移测量基准的时栅传感器。而现有的时栅角位移传感器是基于电磁感应原理进行测量，定子线圈连接激励电源，利用感应线圈作为动测头获取感应信号；在动测头移动过程中，因磁通量变化而使感应信号相位相应移动。为了实现高精度测量，这种时栅角位移传感器的定子线圈和感应线圈基体要求采用导磁材料，造成传感器质量较重；制作工艺需要绕线，生产效率低；另外，需要对激励电源进行功率放大才能驱动定子线圈，以获取幅值足够大的感应信号，造成时栅角位移传感器的功耗较大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于交变电场的时栅角位移传感器，它不用精密刻线，不用电阻细分箱，而采用差动平板电容式结构，利用电场耦合原理获取信号，以时钟脉冲作为位移计量基准；因而功耗低，重量轻，分辨力高，成本低。
本发明的技术方案如下：
一种基于交变电场的时栅角位移传感器，包括测头基体和定盘基体两部分； 
所述测头基体下表面覆有内、外两圈均匀分布的电极；所述定盘基体上表面覆有内、外两圈均匀分布的电极，定盘内圈电极的起始位置与定盘外圈电极的起始位置相差1/2电极圆心角，定盘内圈电极的奇数号电极连成一组，偶数号电极连成一组，两组电极组成一个A激励相，定盘外圈电极的奇数号电极连成一组，偶数号电极连成一组，两组电极组成一个B激励相；测头基体的下表面与定盘基体的上表面相对放置，测头基体的测头内圈电极与定盘内圈电极正对，测头基体的测头外圈电极与定盘外圈电极正对，并留有一定间隙δ，形成内、外两圈差动电容；
测头基体与定盘基体同轴安装并可相对转动；定盘内圈的A激励相与定盘外圈的B激励相分别连接相位相差90°的等幅等频正弦激励电压Ua、Ub，测头内圈电极与测头外圈电极产生的两路电场耦合信号Uoa、Uob经加法电路合成为一路行波信号Uo，该行波信号与一路相位固定的同频率参考信号Ur经整形电路整形后，由比相电路进行比相；两路信号的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经过标度变换得到测头基体相对于定盘基体的角位移值。
进一步，所述定盘内圈电极和定盘外圈电极为径向高度相同圆心角大小相等的扇环形；所述测头内圈电极和测头外圈电极沿圆弧方向展开后的形状为一条[0,π]区间的正弦曲线围成的区域形状，以获得幅值按正弦规律调制的电场耦合信号；测头内圈电极与定盘内圈电极的宽度相同圆心角大小相等且径向高度也相同，测头外圈电极与定盘外圈电极的宽度相同圆心角大小相等且径向高度也相同。
进一步，所述定盘内圈电极的奇数号电极与测头内圈电极形成差动电容C 1 ，偶数号电极与测头内圈电极形成差动电容C 2 ；所述定盘外圈电极的奇数号电极与测头外圈电极形成差动电容C 3 ，偶数号电极与测头外圈电极形成差动电容C 4 ；所述差动电容C 1 和差动电容C 2 构成一组交流电桥，输出测量信号Ua 1 、Ua 2 ；所述差动电容C 3 和差动电容C 4 构成另一组交流电桥，输出测量信号Ub 1 、Ub 2 。
测量信号Ua 1 、Ua 2 通过第一仪表放大器U1 输出电场耦合信号Uoa；测量信号Ub 1 、Ub 2 通过第二仪表放大器U2输出电场耦合信号Uob；输出的两路电场耦合信号Uoa、Uob通过加法器U3合成输出一路行波信号Uo。
行波信号Uo与同频率参考信号Ur经整形电路整形成方波后，再进行比相。
本发明的技术方案是“时栅传感器的测量思想+磁栅和感应同步器的激励方式+容栅和旋转变压器的结构形式”，采用基于交变电场的驻波合成电行波的新方法，融合了现有的多种栅式位移传感器的优点。
本发明的有益效果是：采用差动平行电容极板构建的交变电场进行测量，利用交流电桥结构的传感器测头，通过同频率正交的两路驻波（电场耦合）信号叠加而成一个电行波信号，以高频时钟脉冲作为位移计量基准；因此，本传感器功耗低，重量轻，分辨力高，成本低。
附图说明
图1（a）是定盘基体和测头基体上的电极示意图。
图1（b）是定盘基体上的电极与测头基体上的电极位置关系剖视图。
图2是定盘内圈电极、定盘外圈电极的连接关系图。
图3是定盘内圈电极与定盘外圈电极的尺寸图。
图4是测头外圈电极与定盘外圈电极形成的差动电容示意图。
图5（a）是定盘外圈电极构成的交流电桥式结构电路图。
图5（b）是定盘内圈电极构成的交流电桥式结构电路图。
图6是行波信号Uo的合成电路原理图。
图7是本发明信号处理原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1（a）、图1（b）、图2、图3、图4、图5（a）、图5（b）所示，本发明所述的基于交变电场的时栅角位移传感器包括测头基体1和定盘基体2两部分；采用石英作为基体材料，通过在石英表面喷镀一层铁镍合金作为电极。
在定盘基体2的上表面均匀地覆有内、外两圈径向高度相同圆心角大小相等的扇环形电极，即定盘内圈电极2-1和定盘外圈电极2-2。定盘内圈电极尺寸相同，定盘内圈电极2-1的外环半径为38mm，径向高度为10mm，圆心角为10°，内圈相邻电极之间的间距为0.1mm。定盘外圈电极尺寸相同，定盘外圈电极2-2的外环半径为53mm，径向高度为10mm，圆心角为10°，外圈相邻电极之间的间距为0.1mm。定盘内圈电极2-1与定盘外圈电极2-2的个数相等，起始位置相差5°。在测头基体1下表面均匀地覆有个数相等的内、外两圈电极，即测头内圈电极1-1和测头外圈电极1-2；测头内圈电极尺寸相同，测头内圈电极1-1与定盘内圈电极2-1的宽度相同圆心角大小相等且径向高度也相同，测头内圈电极1-1的外环半径为38mm，径向高度为10mm，圆心角为10°；测头外圈电极尺寸相同，测头外圈电极1-2与定盘内圈电极2-2的宽度相同圆心角大小相等且径向高度也相同，测头外圈电极1-2的内环半径为43mm，径向高度为10mm，圆心角为10°；测头内、外两圈电极沿圆弧方向展开后为一条[0,π]区间的正弦曲线围成的区域形状。
定盘内圈电极2-1的奇数号(即第1,3,5,…,33,35号)电极连成一组，偶数号(即第2,4,6,…,34,36号)电极连成一组，两组电极组成A激励相，在A激励相加上
Figure 422253DEST_PATH_IMAGE003
激励信号。定盘外圈电极2-2的奇数号(即第1,3,5,…,33,35号)电极连成一组，偶数号(即第2,4,6,…,34,36号)电极连成一组，两组电极组成B激励相，在B激励相加上
Figure 298942DEST_PATH_IMAGE005
激励信号。
测头基体1与定盘基体2同轴安装并可相对转动，测头基体1的下表面与定盘基体2的上表面相对平行放置，并留有间隙d=0.2mm，测头基体1的测头内圈电极1-1与定盘内圈电极2-1正对，测头基体1的测头外圈电极1-2与定盘外圈电极2-2正对， 测头内圈电极1-1与定盘基体2的A激励相的相邻两个电极形成差动电容C 1和C 2，其中C 1为测头内圈电极1-1与A激励相奇数号电极之间形成的电容，C 2为测头内圈电极1-1与A激励相偶数号电极之间形成的电容。测头外圈电极1-2与定盘基体2的B激励相的相邻两个电极形成差动电容C 3和C 4，其中C 3为测头外圈电极1-2与B激励相奇数号电极之间形成的电容，C 4为测头外圈电极1-2与B激励相偶数号电极之间形成的电容。
如图4、图5（a）、图5（b）、图6所示，当测头基体1逆时针方向转动时，C 1电容的相对覆盖面积由小变大、再由大变小呈周期性变化，C 2电容的相对覆盖面积由大变小、再由小变大呈周期性变化，C 1和C 2的电容值也随之相应地呈周期性变化。采用交流电桥式结构电路获取测量信号，差动电容C 1和差动电容C 2构成一组交流电桥，输出测量信号Ua 1 、Ua 2 ；Ua 1接电桥的一端，作为参考点信号，Ua 2接测头内圈电极1-1。Ua 1和Ua 2分别与第一仪表放大器U1（INA141UA）的第2和3脚相连，第一仪表放大器U1的第6脚输出的信号Uoa可表示为：
                                   (1)
式中：Ke为电场耦合系数，x为测头和定盘之间的相对角位移，W为一个电极对应的圆心角，这里取值为5°。
同样地，差动电容C 3和差动电容C 4构成另一组交流电桥，输出测量信号Ub 1 、Ub 2 ；测头外圈电极1-2与B激励相产生的信号经处理后，从第二仪表放大器U2的第6脚输出，信号Uob可表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
                                   (2)
采用加法器U3（OPA277UA）构成的加法电路对两路驻波（电场耦合）信号Uoa和Uob进行处理，合成后的信号从加法器U3的第6脚输出，其数学表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
        (3)
如图7所示，合成后的正弦行波信号Uo与一路相位固定的同频参考正弦信号Ur接入整形电路处理，转换为同频的两路方波信号后，送入比相电路进行处理，利用高频时钟插补技术得到两路信号的相位差，经微处理器计算处理后即可得到传感器测头基体与定盘基体之间的角位移值。

Claims (5)

1.一种基于交变电场的时栅角位移传感器，包括测头基体（1）和定盘基体（2）两部分，其特征是：
所述测头基体下表面覆有内、外两圈均匀分布的电极；所述定盘基体上表面覆有内、外两圈均匀分布的电极，定盘内圈电极（2-1）的起始位置与定盘外圈电极（2-2）的起始位置相差1/2电极圆心角，定盘内圈电极的奇数号电极连成一组，偶数号电极连成一组，两组电极组成一个A激励相，定盘外圈电极的奇数号电极连成一组，偶数号电极连成一组，两组电极组成一个B激励相；测头基体的下表面与定盘基体的上表面相对放置，测头基体的测头内圈电极（1-1）与定盘内圈电极正对，测头基体的测头外圈电极（1-2）与定盘外圈电极正对，并留有一定间隙δ，形成内、外两圈差动电容；
测头基体与定盘基体同轴安装并可相对转动；定盘内圈的A激励相与定盘外圈的B激励相分别连接相位相差90°的等幅等频正弦激励电压Ua、Ub，测头内圈电极与测头外圈电极产生的两路电场耦合信号Uoa、Uob经加法电路合成为一路行波信号Uo，该行波信号与一路相位固定的同频率参考信号Ur经整形电路整形后，由比相电路进行比相；两路信号的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经过标度变换得到测头基体相对于定盘基体的角位移值。
2.根据权利要求1所述的基于交变电场的时栅角位移传感器，其特征是：所述定盘内圈电极（2-1）和定盘外圈电极（2-2）为径向高度相同圆心角大小相等的扇环形；所述测头内圈电极（1-1）和测头外圈电极（1-2）沿圆弧方向展开后的形状为半正弦形，测头内圈电极与定盘内圈电极的宽度相同圆心角大小相等且径向高度也相同，测头外圈电极与定盘外圈电极的宽度相同圆心角大小相等且径向高度也相同。
3.根据权利要求1所述的基于交变电场的时栅角位移传感器，其特征是：所述定盘内圈电极（2-1）的奇数号电极与测头内圈电极（1-1）形成差动电容C 1 ，偶数号电极与测头内圈电极（1-1）形成差动电容C 2 ；所述定盘外圈电极（2-2）的奇数号电极与测头外圈电极（1-2）形成差动电容C 3 ，偶数号电极与测头外圈电极（1-2）形成差动电容C 4 ；所述差动电容C 1 和差动电容C 2 构成一组交流电桥，输出测量信号Ua 1 、Ua 2 ；所述差动电容C 3 和差动电容C 4 构成另一组交流电桥，输出测量信号Ub 1 、Ub 2 。
4.根据权利要求3所述的基于交变电场的时栅角位移传感器，其特征是：所述测量信号Ua 1 、Ua 2 通过第一仪表放大器U1 输出电场耦合信号Uoa；所述测量信号Ub 1 、Ub 2 通过第二仪表放大器U2输出电场耦合信号Uob；输出的两路电场耦合信号Uoa、Uob通过加法器U3合成输出一路行波信号Uo。
5.根据权利要求1或4所述的基于交变电场的时栅角位移传感器，其特征是：所述行波信号Uo与同频率参考信号Ur经整形电路整形成方波后，再进行比相。
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