CN103822571B - 基于单排多层结构的电场式时栅直线位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单排多层结构的电场式时栅直线位移传感器，包括测头基体和定尺基体两部分；测头基体上有一排等间距的双正弦形电极；定尺基体上有一排矩形电极，电极底部有定尺引线，电极与引线之间有绝缘层，形成一种多层结构；测头基体与定尺基体上下相对平行放置，并留有一定间隙δ；测头基体与定尺基体相对移动；定尺一个周期内的4个电极分别连接相位为0°，90°，180°，270°的等幅等频正弦激励电压，测头电极上产生的行波信号Uo与一路相位固定的同频参考信号Ur进行比相；两路信号的相位差由插补的时钟脉冲表示，再通过变换得到直线位移值。它功耗低，精度高，结构简单，对机械安装精度要求低，可实现大量程范围内的纳米精度测量。

Description

基于单排多层结构的电场式时栅直线位移传感器

技术领域

本发明属于精密直线位移测量传感器。

技术背景

在精密直线位移测量领域，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，并在此基础上研制出了一种基于交变电场的时栅直线位移传感器。此传感器专利于2011年12月21日公开，专利名称：一种基于交变电场的时栅直线位移传感器，专利号：201110145967.5。

这种基于交变电场的时栅直线位移传感器采用了差动电容结构，要求通过两排电极来形成两路驻波信号，再由加法电路合成一路行波信号。两排电极信号之间会相互干扰，致使测量误差增大，阻碍了精度的进一步提高。在加工制造上难以保证两排电极的一致性，在安装上也难以保证两排电极的电场耦合强度一致，造成两路驻波信号振幅不一致，带来测量误差，对工业现场的适应性下降。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于单排多层结构的电场式时栅直线位移传感器，它采用基于单排多层结构的电极，解决两排电极之间的信号相互干扰问题，避免加工及安装导致的两排电极不一致的问题；利用电场耦合原理直接获取行波信号，无需加法电路；因而可以减小测量误差，降低对安装精度的要求，简化系统结构。

本发明的技术方案如下：

基于单排多层结构的电场式时栅直线位移传感器，包括测头基体和定尺基体两部分。

所述测头基体上设置有一排测头电极；所述定尺基体上设置有一排定尺电极，定尺电极的第4n+1号电极连成一组，n＝0,1,2,3,…，组成A激励相，定尺电极的第4n+2号电极连成一组，组成B激励相，定尺电极的第4n+3号电极连成一组，组成C激励相，定尺电极的第4n+4号电极连成一组，组成D激励相；测头基体与定尺基体上下相对平行布置，测头基体的测头电极与定尺的定尺电极正对，并留有一定间隙δ，形成耦合电容。

测头基体与定尺基体相对移动；测头电极与A、B、C、D四个激励相的相对覆盖面积将由无到小、由小变大、由大变小、由小到无呈周期性变化，电容值也随之相应地呈周期性变化；定尺的A、B、C、D四个激励相分别连接相位依次相差90°的等幅等频正弦激励电压Ua、Ub、Uc、Ud，在测头电极上产生一路行波信号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尺基体的直线位移值。

所述定尺上依次覆有4层介质膜，第一层为金属膜，喷涂成4条激励信号引线，分别将A、B、C、D各个激励相的对应电极连成一组；第二层为绝缘膜；第三层为金属膜，喷涂成一排定尺电极；第四层为绝缘保护膜。

进一步，所述定尺电极形状为矩形且大小相同，相邻两电极之间保持一定的绝缘间距。

所述测头电极的形状为两个正弦上下对称形成的双正弦形，相邻测头电极之间通过矩形引线连接，测头电极长度略小于定尺电极长度，宽度为一个定尺电极宽度与一个绝缘间隔之和，相邻两测头电极之间间隔3个测头电极宽度。

具体地，所述测头电极（1-1）的形状是由[0,π]区间上的正弦曲线与x轴围成的区域和[π,2π]区间上的正弦曲线与x轴围成区域共同构成，由此获得正对面积按正弦规律变化的耦合电容，进一步获取位移调制信号。

所述定尺的A激励相电极与测头电极形成耦合电容C₁，B激励相号电极与测头电极形成耦合电容C₂，C激励相电极与测头电极形成耦合电容C₃，D激励相电极与测头电极形成耦合电容C₄；所述耦合电容C₁、C₂、C₃、C₄两两交替工作，其中两个电容工作时，另外两个容值为零，测头电极上输出行波信号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采用基于单排多层结构的电场耦合直接形成电行波的新方法，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：采用单排平行电容极板构建的交变电场进行测量，利用交流耦合电容结构的传感器测头，直接感应电行波，以高频时钟脉冲作为位移计量基准；因此，本传感器功耗低，精度高，可实现纳米精度的位移测量，结构简单，对机械安装精度要求低，对工业现场环境适应性强。

附图说明

图1（a）是定尺基体和测头基体上的电极示意图。

图1（b）是定尺基体上的电极与测头基体上的电极的位置关系图。

图2是定尺电极的信号连接关系图。

图3是测头电极与定尺电极形成的耦合电容示意图。

图4是本发明的电路模型原理图。

图5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所示，本发明所述的传感器包括测头基体1和定尺基体2两部分。采用陶瓷作为基体材料，通过在陶瓷表面喷镀一层铁镍合金作为电极。

在测头基体1上有12个测头电极，即测头电极1-1，每个电极大小为18mm*1.1mm，形状为[0,π]区间上的正弦曲线与x轴围成的区域和[π,2π]区间上的正弦曲线与x轴围成区域共同构成，宽度为1.8mm的矩形引线将各个测头电极相连。

在定尺基体上依次覆有4层介质膜，第一层为金属膜，第二层为绝缘膜，第三层为金属膜，第四层为绝缘保护膜；第一层金属膜为4条扁平带状导线，即激励信号引线2-2，分别将A、B、C、D各个激励相的对应电极连成一组，第三层金属膜为一排尺寸相同的矩形电极，即定尺电极2-1，每个电极大小为20mm*1mm，相邻电极之间的绝缘间距为0.1mm。

定尺电极的第1,5,9,…,41,…号电极连成一组，组成A激励相，在A激励相加上Ua＝Umsinωt激励信号；定尺电极的第2,6,10,…,42,…号电极连成一组，组成B激励相，在B激励相加上Ub＝Umcosωt激励信号；定尺电极的第3,7,11,…,43,…号电极连成一组，组成C激励相，在C激励相加上Uc＝-Umsinωt激励信号；定尺电极的第4,8,12,…,44,…号电极连成一组，组成D激励相，在D激励相加上Ud＝-Umcosωt激励信号。其中激励信号峰值Um＝5V，频率f＝40KHz，角频率ω＝2πf＝8×10⁴π。

测头基体1与定尺基体2上下相对平行布置，测头电极1-1与定尺电极2-1正对，并留有间隙δ＝0.5mm。测头电极1-1与定尺基体的A激励相的电极形成耦合电容C₁。测头电极1-1与定尺基体的B激励相的电极形成耦合电容C₂。测头电极1-1与定尺基体的C激励相的电极形成耦合电容C₃。测头电极1-1与定尺基体的D激励相的电极形成耦合电容C₄。

如图3和图4所示，当测头基体1向右移动时，C₁电容的相对覆盖面积由大变小，C₂电容的相对覆盖面积由小变大；移动一个电极宽度后，C₁电容的相对覆盖面积变为零，C₂电容的相对覆盖面积开始由大变小，C₃电容的相对覆盖面积由小变大；再移动一个电极宽度后，C₂电容的相对覆盖面积变为零，C₃电容的相对覆盖面积开始由大变小，C₄电容的相对覆盖面积由小变大；又移动一个电极宽度后，C₃电容的相对覆盖面积变为零，C₄电容的相对覆盖面积开始由大变小，C₁电容的相对覆盖面积由小变大；如此完成一个机械周期的移动，C₁、C₂、C₃、C₄的电容值也随之相应地呈周期性变化。测头电极输出行波信号Uo，基波表达式为：

$\mathrm{Uo}=\mathrm{KeUm}\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\πx}}{W})---\left(1\right)$

式中：Ke为电场耦合系数，x为测头和定尺之间的相对位移，W为4倍测头电极宽度

如图5所示，感应到的正弦行波信号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，经计算处理后即可得到传感器测头基体与定尺基体之间的直线位移值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于单排多层结构的电场式时栅直线位移传感器，包括测头基体（1）和定尺基体（2）两部分，其特征是：

所述测头基体上设置有一排测头电极（1-1）；

所述定尺基体上设置有一排定尺电极（2-1），定尺电极的第4n+1号电极连成一组，组成A激励相，定尺电极的第4n+2号电极连成一组，组成B激励相，定尺电极的第4n+3号电极连成一组，组成C激励相，定尺电极的第4n+4号电极连成一组，组成D激励相，其中，n=0，1，2，3，...；测头基体与定尺基体上下相对平行布置，测头基体的测头电极与定尺基体的定尺电极正对，并留有一定间隙δ，形成耦合电容；

所述定尺基体上依次覆有4层介质膜，第一层为金属膜，喷涂成4条激励信号引线（2-2），分别将A、B、C、D各个激励相的对应电极连成一组；第二层为绝缘膜；第三层为金属膜，喷涂成一排定尺电极（2-1）；第四层为绝缘保护膜；所述定尺电极（2-1）形状为矩形且大小相同，相邻两电极之间保持一定的绝缘间距；所述的4条激励信号引线（2-2）并排位于定尺电极（2-1）下方中部；

所述测头电极（1-1）的形状为两个正弦上下对称形成的双正弦形，相邻测头电极（1-1）之间通过矩形引线连接，测头电极长度略小于定尺电极长度，宽度为一个定尺电极宽度与一个所述绝缘间距之和，相邻两测头电极之间间隔三个测头电极宽度；

测头基体与定尺基体相对移动；定尺基体的A、B、C、D四个激励相分别连接相位依次相差90°的等幅等频正弦激励电压Ua、Ub、Uc、Ud，在测头电极上产生一路行波信号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尺基体的直线位移值。

2.根据权利要求1所述的基于单排多层结构的电场式时栅直线位移传感器，其特征是：所述测头电极（1-1）的形状是由[0，π]区间上的正弦曲线与x轴围成的区域和[π，2π]区间上的正弦曲线与x轴围成区域共同构成。

3.根据权利要求1所述的基于单排多层结构的电场式时栅直线位移传感器，其特征是：所述定尺电极（2-1）的A激励相电极与测头电极（1-1）形成耦合电容C ₁ ，B激励相电极与测头电极（1-1）形成耦合电容C ₂ ，C激励相电极与测头电极（1-1）形成耦合电容C ₃ ，D激励相电极与测头电极（1-1）形成耦合电容C ₄ ；循环交替变化的所述电容C ₁ ，C ₂ ，C ₃ ，C ₄ 两两交替工作，构成交变电场的耦合通道，测头电极输出行波信号U _O 。

4.根据权利要求1所述的基于单排多层结构的电场式时栅直线位移传感器，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。