CN103743330A - 基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器。结构组成由外到内依次为传感器外壳、绝缘基质层和结构相同的四组互电容测量单元。四组互电容测量单元沿绝缘基质层内圆周向等距分布，每组由第一、第二梳齿式电容极板构成。传感器用于高精密轴系转子的径向运动误差测量，作为定子同轴安装于被测转子外。测量时，转子产生的径向跳动将引起对应互电容测量单元总体电容值的改变，通过对电容值测量并进行合理的数学运算，可得到被测转子的径向跳动位移值。本发明采用互电容测量原理，转子只作为被测对象而不含在传感器的结构配置中，简化了传感器的配置形式，更加适合于转子运动误差的动态实时测量，同时对被测转子构成材料无特殊要求。

Description

基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器

技术领域

本发明涉及一种高精密轴系转子的测量装置，尤其是涉及一种基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器。

背景技术

现代机电装备在不断追求高效率、高精度、高品质和极限功能的进程中，催生了一系列结构复杂、工况极端、信息融通、和精确稳定的复杂机电系统。对机电系统的检测与控制，传感器将成为信息获取的重要组成部分。

高精密轴系作为精密加工中心、高端数控机床、硬盘驱动器、微纳机械陀螺、大型轴流压缩机等超精密装备或大型复杂机电装备的关键部件，轴系转子的运动误差对整机的工作精度、稳定性有着直接的影响。针对精密轴系转子运动误差的检测与控制，对于提高整机的工作精度和保证其长期稳定运行，有着重要意义。

目前应用于精密轴系转子运动误差的检测方法主要有基于激光干涉仪的光学检测法，利用电容传感器或电涡流传感器进行的非接触式测量方法等。采用激光干涉的方法存在着要求足够大的安装空间、使用环境要求高、成本高等问题，且对被测表面粗糙度较为敏感；电涡流传感器由于信噪比较低而难以获得较高的分辨率；目前常用的电容传感器虽然测量分辨率和精度都很高，但都属于一维测量器件，只能用于单自由度位移检测；有美国学者M.H.Cheng采用整体环式电容传感器对旋转机械转子的偏心运动进行测量；韩国学者Ahn Hyeong-Joon提出了可实现转子径向两自由度运动误差检测的柱状电容位移传感器，并对其在测量过程中产生的非线性进行分析。上述学者的测量方法中目标转子均作为电容传感器的另一电极进行配置，不利于传感器的集成化和小型化。上海交通大学张卫平采用同心盘片式互电容传感器实现对静电悬浮转子微陀螺的转子位姿的检测，但仅限于微小角位移检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器，用于高精密轴系转子运动误差的动态实时测量。构成互电容测量单元的梳齿式电容极板均分布于传感器（定子）绝缘基质层上，有效简化了传感器的配置形式，同时测量不受转子材料限制，为在线实时测量高精密轴系转子的运动误差提供了一种简单有效的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明由外到内依次为传感器外壳、绝缘基质层和结构相同的四组互电容测量单元，三者同轴布置且轴向长度相等；位于绝缘基质层内圆柱面的四组互电容测量单元，依次分布于四个象限内且沿X、Y轴相互对称，相邻互电容测量单元的圆周间距均为互电容测量单元圆周张角的1/2；每组互电容测量单元均包括第一梳齿式电容极板和第二梳齿式电容极板；第一梳齿式电容极板的N个弧形长条齿形电极和第二梳齿式电容极板的N个弧形长条齿形电极相互交叉嵌入对方齿槽中，嵌入深度为l，齿形电极顶部距齿槽底部的距离为齿形电极的宽度w；相互交叉嵌入对方齿槽中的齿形电极位于每个齿槽的轴向中心线上，沿圆弧方向的齿槽宽度为齿形电极宽度w的3倍。

所述的互电容测量单元中任意一对相邻的长条齿形电极都构成互电容测量的基本配置，长条齿形电极的宽度w大于长条齿形电极的厚度t。

本发明具有的有益效果是：

1）本发明可以实现高精密轴系转子径向X、Y两自由度运动误差的同时在线测量；

2）采用互电容测量原理，构成互电容测量单元的梳齿式电容极板均分布于传感器（定子）绝缘基质层上，转子只作为被测对象而不含在传感器的结构配置中，简化了传感器的配置形式；

3）对被测转子的构成材料无特殊要求，导电材料或电介质材料均可，应用范围广。

附图说明

图1是基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器整体效果图；

图2是传感器整体结构径向剖视图；

图3是图2中C处局部放大图；

图4是互电容测量单元的展开视图；

图5是第一至第四组互电容测量单元总体电容值分布示意图；

图6是互电容测量基本配置示意图；

图7是转子径向跳动位移测量示意图；

图8是测量导电材料转子的等效电路原理图；

图9是测量电介质材料转子的等效电路原理图。

图中：1、被测转子，2、传感器（定子），3、传感器外壳，4、绝缘基质层，5、互电容测量单元，6、第一梳齿式电容极板E_a，7、第二梳齿式电容极板E_b，8、齿形电极E_a1，9、齿形电极E_b1；L为互电容测量单元的轴向长度，w为齿形电极圆弧方向宽度，l为齿形电极的嵌入深度，t为齿形电极厚度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，测量时，传感器2作为定子同轴安装于被测转子1外，其四组互电容测量单元内圆面与被测转子保持同等径向间距；传感器2的结构组成由外到内依次为传感器外壳3、绝缘基质层4和结构相同的四组互电容测量单元5，三者同轴布置且轴向长度相等，互电容测量单元的轴向长度为L；位于绝缘基质层4内圆柱面的四组互电容测量单元5，依次分布于四个象限内且沿X、Y轴相互对称，相邻互电容测量单元的圆周间距均为互电容测量单元圆周张角的1/2。

如图3、图4所示，以一组互电容测量单元为例，包括第一梳齿式电容极板6和第二梳齿式电容极板7；第一梳齿式电容极板6的N个弧形长条齿形电极8和第二梳齿式电容极板7的N个弧形长条齿形电极9相互交叉嵌入对方齿槽中，嵌入深度为l，嵌入深度l要小于互电容测量单元的轴向长度L，齿形电极顶部距齿槽底部的距离为齿形电极的宽度w；相互交叉嵌入对方齿槽中的齿形电极位于每个齿槽的轴向中心线上，沿圆弧方向的齿槽宽度为齿形电极宽度w的3倍。互电容测量单元中任意一对相邻的长条齿形电极都构成互电容测量的基本配置，长条齿形电极的宽度w大于长条齿形电极的厚度t。

本发明所述梳齿式柱面电容传感器，应用时被测转子（即为被测转轴）不含在传感器的结构配置中，被测转子可以处于电气悬浮状态而无需引入接地或其它导线，使传感器具有更广的适用范围，尤其适用于高精密轴系中悬浮支撑转子的测量。以下结合互电容测量基本理论，对处于电气悬浮状态的转子，介绍其测量原理及实施过程。

基于四组互电容测量单元构成的梳齿式柱面电容传感器，如图2、图5所示，测量高精密轴系转子（跳动量通常小于5μm）径向X、Y两自由度运动误差时，被测转子径向跳动位移的理论计算式如下：

δ_X＝f_X(C_m,t1+C_m,t4-C_m,t2-C_m,t3)            （1）

δ_Y＝f_Y(C_m,t1+C_m,t2-C_m,t3-C_m,t4)             （2）

式中，δ_X、δ_Y为被测转子径向跳动的位移值，f_X、f_Y分别为转子在X轴、Y轴方向的跳动位移值与各组互电容测量单元总体电容值的转换函数；Cm,t₁、Cm,t₂、Cm,t₃、Cm,t₄分别为第一至第四组互电容测量单元输出的总体电容值。

互电容测量的基本配置如图6所示，存在于相邻长条齿形电极间的电势差ΔV使两者之间形成一边缘电场，该边缘电场使两齿形电极间感应生成互电容C_m，互电容C_m标称值（即被测转子没有进入电场（虚线区域）时）的计算式如下：

$C_{m,\mathrm{nom}}\≅\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r\left(\mathrm{eff}\right)}\·l}{\ln (\frac{\mathrm{\πw}}{w+t}+1)}---\left(3\right)$

式中，ε₀为真空介电常数，ε_r(eff)为有效相对介电常数；w、t、l分别为齿形电极的宽度、厚度和嵌入深度。

当被测转子发生径向跳动进入电场区域时，如图7所示，通过对边缘电场施加不同的影响，使相邻长条齿形电极间测得的互电容值发生变化。

以第一组互电容测量单元为例：

对于导电材料构成的转子（电气悬浮），进入电场区域时，在转子与长条齿形电极间将形成平行板电容C_a1,r、C_b1,r，等效电路如图8所示。电气悬浮转子对电场的影响可以视为接地导体产生的屏蔽效应与此时平行板电容效应的耦合。由等效电路图可知，两相邻齿形电极间测得的互电容C_m(c),1值可表达为转子接地时两相邻齿形电极间感应的互电容C_a1,b1值与此时平行板电容C_a1,r、C_b1,r值的和，即：

$C_{m\left(c\right),1}\≅C_{a1,b1}+\frac{1}{\frac{1}{C_{a1,r}}+\frac{1}{C_{b1,r}}}=a\ln \left(g\right)+b+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r\·\mathrm{rwl}}{2g}---\left(4\right)$

式中，a、b为常数，与传感器的几何结构参数有关；ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数；r、w、l分别为齿形电极内圆半径、齿形电极宽度和嵌入深度；g为齿形电极内圆面与转子的径向间距。

对于电介质材料构成的转子（电气悬浮），进入电场区域时，其对电场的影响相当于改变相邻齿形电极间的有效相对介电常数，等效电路如图9所示。当转子与齿形电极内圆面的径向间距g减小时，相当于增大两齿形电极间的有效相对介电常数ε_r(eff)，由式（3）可知，此时两相邻齿形电极间测得的互电容C_m(d),1值将随之增大；反之当g增大时，互电容C_m(d),1值将随之减小。

类似的也可以建立其它三组互电容测量单元中转子径向跳动对互电容测量值影响的数学模型。

如图5所示，第一至第四组互电容测量单元输出的总体电容值分别为Cm,t₁、Cm,t₂、Cm,t₃、Cm,t₄。各组互电容测量单元均由N对长条齿形电极构成（图4），Cm,t_i(i=1,2,3,4)为上述相邻齿形电极间测得的互电容C_m(c),i或C_m(d),i值的函数，即：

被测转子发生径向跳动引起互电容值C_m(d),i或C_m(d),i产生变化时，各组互电容测量单元输出的总体电容值Cm,t_i(i=1,2,3,4)也随之产生相应变化。将Cm,t_i(i=1,2,3,4)测量值代入式（1）和（2）中，可得到被测转子径向跳动的位移值δ_X、δ_Y，用于其运动误差的评定。实际测量过程中，各组互电容测量单元输出的总体电容经由配套的专用信号采集处理电路，输入至计算机软件系统，经Matlab软件运算分析后得到转子径向跳动位移的实时动态数据。

Claims (2)

1.一种基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器，其特征在于：结构组成由外到内依次为传感器外壳（3）、绝缘基质层（4）和结构相同的四组互电容测量单元（5），三者同轴布置且轴向长度相等；位于绝缘基质层（4）内圆柱面的四组互电容测量单元（5），依次分布于四个象限内且沿X、Y轴相互对称，相邻互电容测量单元的圆周间距均为互电容测量单元圆周张角的1/2；每组互电容测量单元（5）均包括第一梳齿式电容极板（6）和第二梳齿式电容极板（7）；第一梳齿式电容极板（6）的N个弧形长条齿形电极（8）和第二梳齿式电容极板（7）的N个弧形长条齿形电极（9）相互交叉嵌入对方齿槽中，嵌入深度为l，齿形电极顶部距齿槽底部的距离为齿形电极的宽度w；相互交叉嵌入对方齿槽中的齿形电极位于每个齿槽的轴向中心线上，沿圆弧方向的齿槽宽度为齿形电极宽度w的3倍。

2.根据权利要求1所述的基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器，其特征在于：所述的互电容测量单元中任意一对相邻的长条齿形电极都构成互电容测量的基本配置，长条齿形电极的宽度w大于长条齿形电极的厚度t。

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