CN103968750B - 一种电场式时栅角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电场式时栅角位移传感器，包括转子和定子，转子基体表面覆有一圈等间距的双正弦形电极；定子基体表面均匀地覆有一圈扇环形或曲面矩形电极，电极底部有定子引线，电极与引线之间有绝缘层，电极表面覆有绝缘保护层，形成一种多层结构；转子基体与定子基体同轴安装，并留有一定间隙δ；转子基体绕轴心相对转动；定子一个周期内的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，转子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，再通过变换得到角位移值。它结构简单，功耗低，对机械安装精度要求低，可实现任意360°范围内的高精度角位移测量。

Description

一种电场式时栅角位移传感器

技术领域

本发明属于精密角位移测量传感器。

背景技术

在精密角位移测量领域，近年来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角位移传感器。此传感器专利于2012年4月25日公开，专利名称：一种基于交变电场的时栅角位移传感器，专利文献号：CN102425987A。

这种基于交变电场的时栅角位移传感器采用了单层结构的差动电容作为信号耦合通道，要求通过两圈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。由于在圆柱端面加工的两圈电极的长宽比不一致，相应地两路驻波信号的变化规律有差异，并且两圈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圈电极的一致性，在安装上也难以保证两圈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，提出一种基于单圈多层结构的电场式时栅角位移传感器，它采用基于单圈多层结构的电极，解决两圈之间的信号相互干扰及电极长宽比不一致问题，避免加工及安装导致的两圈电场耦合强度不一致的问题；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：

基于单圈多层结构的电场式时栅角位移传感器，包括转子和定子两部分，转子基体和定子基体可以采用圆柱体或圆柱环两种实现方式。

所述传感器的第一种实现方式是利用圆柱体或圆柱环的上下端面来布置电极：转子基体和定子基体均采用圆柱体或圆柱环，转子基体下表面(即圆柱端面)覆有两个正弦上下对称形成的双正弦形(其为沿圆周方向展开后的形状)的转子电极，转子电极数量为m，均布为一圈，转子电极之间由引线连接。在定子基体上表面(即圆柱端面)依次覆有4层介质膜，第一层为金属膜，加工4条激励信号引线；第二层为绝缘膜；第三层为金属膜，加工定子电极，其形状为扇环形(即沿圆周方向展开后为矩形)，且大小相同，相邻两电极之间保持一定的绝缘间距，定子电极的数量为4m，它们均匀分布一圈；第四层为绝缘保护膜。转子基体与定子基体同轴安装，转子基体的下表面与定子基体的上表面相对平行放置，使得转子电极与定子电极正对，并留有一定间隙δ，形成耦合电容。

所述传感器的第二种实现方式是圆柱体或圆柱环的内外柱面来布置电极：转子基体采用圆柱体，在转子基体外圆柱面覆有两个正弦上下对称形成的双正弦形(其为沿圆周方向展开后的形状)的转子电极，转子电极数量为m，均布为一圈，转子电极之间由引线连接。定子基体采用圆柱环，在其内圆柱面依次覆有4层介质膜，第一层为金属膜，加工4条激励信号引线；第二层为绝缘膜；第三层为金属膜，加工定子电极，其形状为曲面矩形(即沿圆周方向展开后为矩形)且大小相同，相邻两电极之间保持一定的绝缘间距，定子电极的数量为4m，它们均匀分布一圈；第四层为绝缘保护膜。转子基体与定子基体同轴安装，转子电极与定子电极正对，并留有一定间隙δ，形成耦合电容。

上述两种结构中，转子电极有m个，长度略小于定子电极长度，宽度为定子一个电极宽度与一个绝缘间隔之和，相邻两电极之间间隔3个转子电极宽度。具体地，所述转子电极的形状是由[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，进一步获取角位移调制信号。

所述定子电极有4m个，其中第4n+1(n＝0,2,3,...,m-1)号电极连成一组，组成A激励相，第4n+2号电极连成一组，组成B激励相，第4n+3号电极连成一组，组成C激励相，第4n+4号电极连成一组，组成D激励相；定子的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，转子电极产生一路行波信号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转子基体相对于定子基体的角位移值。以上四路激励电压和一路同频率的参考信号Ur是采用数字波形合成技术产生。

当转子基体与定子基体相对转动，转子电极与定子A、B、C、D四个激励相的正对面积将由无到小、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。所述定子的A激励相电极与转子电极形成耦合电容C₁，B激励相号电极与转子电极形成耦合电容C₂，C激励相电极与转子电极形成耦合电容C₃，D激励相电极与转子电极形成耦合电容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，转子电极上输出行波信号Uo。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，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转子基体相对于定子基体的角位移值。

本发明的技术方案是采用基于单圈多层结构的电场耦合直接形成电行波的方法，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：采用多层结构的定子构建单圈耦合电场进行测量，利用单圈双正弦形的传感器转子电极，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，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)和图1(b)是本传感器的第一种结构形式的示意图，其电极布置在定子基体和转子基体的圆柱体端面上。

图2(a)和图2(b)是本传感器的第二种结构形式的示意图，其电极布置在定子基体和转子基体的圆柱体柱面上。

图3是定子基体上的电极与转子基体上的电极的位置关系图。

图4是定子电极的信号连接关系图。

图5是转子电极与定子电极形成的耦合电容示意图。

图6是本发明的电路模型原理图。

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(a)、图2(b)和图3所示，本发明所述的传感器包括转子基体1和定子基体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，有两种实施方式。

结构形式1，图1(a)和图1(b)：在转子基体1的圆柱体下端面沿圆周方向等间距地覆有一圈大小和形状相同的转子电极1-1，共36个，转子电极沿圆周方向展开后的形状为两个正弦上下对称形成的双正弦形，宽度为1.8mm的引线将各个转子电极相连，双正弦形电极的两个顶点和顶点分别位于半径为37.2mm和49mm的两个圆周上，每个电极最大宽度处对应的圆心角为2.5°。在定子基体圆柱体上端面依次覆有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条扁平环状导线，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，第三层金属膜为一圈径向高度相同圆心角大小相等的扇环形电极，即定子电极2-1，共144个，每个电极的内环半径为36.2mm，外环半径为50mm，圆心角为2.4°，相邻电极之间的绝缘间距为0.1°。转子基体与定子基体同轴安装，转子基体1的下端面与定子基体2的上端面相对平行，转子电极1-1与定子电极2-1正对，并留有间隙δ＝0.5mm。沿圆周方向展开后的形状为矩形，

结构形式2，图2(a)、图2(b)：在转子基体1的圆柱体外圆柱面沿圆周方向等间距地覆有一圈大小和形状相同的转子电极1-1，共36个，转子基体外圆半径为44.5mm，电极在圆柱轴向上的高度为11.8mm，每个电极在圆柱径向上的圆心度为2.5°，转子电极沿圆周方向展开后的形状为两个正弦上下对称形成的双正弦形，宽度为1.8mm的引线将各个转子电极相连。在定子基体的圆柱环内圆柱面依次覆有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条环状导线，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，第三层金属膜为一圈高度相同宽度相等的曲面矩形电极，即定子电极2-1，共144个，定子基体内圆半径为45mm，电极在圆柱轴向上的高度为13.8mm，每个电极在圆柱径向上的圆心度为2.4°，相邻电极之间的绝缘间距为0.1°。转子基体与定子基体同轴安装，转子电极1-1与定子电极2-1正对，并留有间隙δ＝0.5mm。

上述两种实施方式中，转子电极长度略小于定子电极长度，宽度为一个定子电极宽度与一个绝缘间隔之和，相邻两转子电极之间间隔3个转子电极宽度。定子电极的第1,5,9,……,141号电极通过一条激励信号引线2-2连成一组，组成A激励相，在A激励相加上Ua＝Umsinωt激励信号；定子电极的第2,6,10,……,142号电极通过一条激励信号引线2-2连成一组，组成B激励相，在B激励相加上Ub＝Umcosωt激励信号；定子电极的第3,7,11,……,143号电极通过一条激励信号引线2-2连成一组，组成C激励相，在C激励相加上Uc＝-Umsinωt激励信号；定子电极的第4,8,12,……,144号电极通过一条激励信号引线2-2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。

如图5和图6所示，转子电极1-1与定子基体的A激励相的电极形成耦合电容C₁。转子电极与定子基体的B激励相的电极形成耦合电容C₂。转子电极与定子基体的C激励相的电极形成耦合电容C₃。转子电极与定子基体的D激励相的电极形成耦合电容C₄。当转子基体1顺时针转动时，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；转动一个转子电极对应的角度后，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；再转动一个转子电极对应的角度后，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；又转动一个转子电极对应的角度后，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转动，C₁、C₂、C₃、C₄的电容值也随之相应地呈周期性变化。转子电极输出行波信号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为转子和定子之间的相对角位移，W为转子电极对应的角度值的4倍。

如图7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转子基体与定子基体之间的角位移值。

Claims (4)

1.一种电场式时栅角位移传感器，包括转子和定子两部分，其特征是：

所述转子的转子电极(1-1)数量为m，它们在转子基体(1)表面等间距地覆有一圈；所述定子的定子电极(2-1)数量为4m，它们在定子基体(2)表面均匀地覆有一圈，其中定子电极的第4n+1号电极连成一组，组成A激励相，定子电极的第4n+2号电极连成一组，组成B激励相，定子电极的第4n+3号电极连成一组，组成C激励相，定子电极的第4n+4号电极连成一组，组成D激励相，其中n＝0,2,3,···,m-1；定子基体的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；转子基体与定子基体同轴安装，转子电极(1-1)与定子电极(2-1)正对，并留有一定间隙δ，形成耦合电容；

所述定子基体表面依次覆有4层介质膜，第一层为金属膜，加工有4条激励信号引线(2-2)，分别将A、B、C、D各个激励相的对应定子电极连成一组；第二层为绝缘膜；第三层为金属膜，加工成所述定子电极(2-1)；第四层为绝缘保护膜；所述定子电极(2-1)为扇环形或曲面矩形，它们大小相同，相邻两电极之间保持一定的绝缘间距；4条激励信号引线(2-2)为4条扁平环状导线且沿圆柱径向并排位于定子电极(2-1)下方中部或者4条激励信号引线(2-2)为4条环状导线且沿圆柱轴向并排位于定子电极(2-1)外侧中部；

所述转子电极(1-1)沿圆周方向展开后的形状为两个正弦向下相对形成的双正弦形，相邻转子电极(1-1)之间通过引线连接，转子电极长度略小于定子电极长度，宽度为一个定子电极宽度与一个所述绝缘间距之和，相邻两转子电极之间间隔3个转子电极宽度；

当转子基体与定子基体相对转动，在转子电极上产生一路行波信号Uo，该行波信号和一路同频率的参考信号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转子基体相对于定子基体的角位移值。

2.根据权利要求1所述的电场式时栅角位移传感器，其特征是：所述转子电极(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所述的电场式时栅角位移传感器，其特征是：所述转子基体(1)和定子基体(2)采用圆柱体或圆柱环，利用其圆柱上下端面或圆柱环的内外柱面来布置电极。

4.根据权利要求1所述的电场式时栅角位移传感器，其特征是：所述定子电极(2-1)的A激励相与转子电极(1-1)形成耦合电容C₁，B激励相与转子电极形成耦合电容C₂，C激励相与转子电极形成耦合电容C₃，D激励相与转子电极形成耦合电容C₄；循环交替变化的所述耦合电容C₁、C₂、C₃、C₄两两交替工作，构成交变电场的耦合通道，使得转子电极输出行波信号Uo。