CN104215165A - 一种一维位移精密测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测量方法类，具体是一种一维位移精密测量方法，其特征在于：将发射电极绝缘基板安装在固定参照物上，将接收电极绝缘基板安装在移动物体上，保持发射电极与接收电极平行，发射电极与接收电极之间有一微小空气间隙，用一频率、幅值稳定的高频正弦电压源激励发射电极的奇数电极互联母线，用同样频率和幅值、相位相反的高频正弦电压源激励发射电极的偶数电极互联母线，将接收电极的两个互联母线分别连接至信号检测电路，通过判断接收电极两路输出高频电压信号的幅值以及相位的相对关系计算得出被测量物体相对固定参照物的位移、运动速度以及运动方向。本发明方案灵活，测量精度高，传感原件安装精度要求低，易于在低成本自动化装置中推广应用。
Description
技术领域
本发明属于测量方法类，具体是一种一维位移精密测量方法。
背景技术
在生产、生活以及科学研究领域，经常需要对各种装置的直线位移、角度位移、以及空间位移等进行精确测量。无论是空间位移、角度位移、直线位移的测量均可通过单个或多个一维位移测量装置的合理组合予以实现。传统的一维位移测量方法包括线性可变差分变压器检测、线性电阻检测、光栅检测、磁栅检测、电容栅检测等，对应到一维直线位移检测应用中即为长度计或基准尺，对应到一维旋转位移应用中即为旋转编码器或角度基准尺。
目前的精密位移测量领域，微小位移测量应用中，通过极板间距变化导致静电电容量变化的电容效应位移传感器和通过磁芯位置变化导致电感变化的电感效应位移传感器占据了主导地位，其具有结构简单、成本低、分辨率高的显著优势，但也存在易受电磁环境干扰影响而产生测量误差和漂移的局限。在大尺度位移测量应用中，基于光栅测量方法的光栅尺和旋转编码器占据了主导地位，其具有抗电磁干扰能力强，测量精度高以及稳定性好等优点，但也存在成本高、对环境污染敏感的局限，例如油污染、水污染、粉尘污染等。上述因素使得目前的位移精密测量装置主要应用在科学研究领域以及少数高端制造装备中，在总量庞大的一般性生产装备和各种日用装置中，位移精密测量装置还鲜有应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种方案灵活、测量精度高、应用简便的一维位移精密测量方法。
本发明的技术方案如下：
一种一维位移精密测量方法，其特征在于：在一绝缘基板上制备发射电极，发射电极为一组宽度一致的矩形电极，相邻电极间距与矩形电极宽度一致，奇数电极与偶数电极分别通过两条独立的互联母线连接；在另一绝缘基板上制备接收电极，单个接收电极与单个发射电极宽度一致，接收电极由多对并联而成，每一对接收电极由两个紧密相邻的接收电极构成，它们之间保持电气绝缘，接收电极对与对之间的间距为两倍电极宽度，对与对之间通过两条独立的互联母线连接为一组；进行位移精密测量时，将发射电极绝缘基板安装在固定参照物上，将接收电极绝缘基板安装在移动物体上，保持接收电极绝缘基板与发射电极绝缘基板平行、发射电极与接收电极平行，发射电极与接收电极之间有一空气间隙，用一频率、幅值稳定的高频正弦电压源激励发射电极的奇数电极互联母线，用同样频率和幅值、相位相反的高频正弦电压源激励发射电极的偶数电极互联母线，将接收电极的两个互联母线分别连接至电压信号检测电路，通过判断接收电极两路输出信号中与激励信号同频率信号的幅值与相位计算得出被测量物体相对固定参照物的位移、运动速度以及运动方向。
本发明的任意相邻发射电极连接的高频正弦交流电压源均为频率一致、幅值一致而相位相反的信号；任意接收电极在发射电极上方横向移动时，接收电极耦合的高频正弦交流电压信号，其幅值连续变化，相位在0度与180度之间交替变换。
本发明的任意接收电极连续横向移动四倍发射电极宽度时，其输出高频正弦交流电压信号的幅值与相位完成一个变化周期。每个接收电极对中相邻两个接收电极输出的两路高频电压信号，其幅值和相位变化相差四分之一个变化周期。
本发明的接收电极整体由多个电极对并联而成，以增加输出信号强度；发射电极与接收电极之间为空气间隙，位移测量过程是非接触工作方式，测量过程不发生机械摩擦和损耗。
本发明的接收绝缘基板与发射绝缘基板之间气隙大小、介电常数变化导致的接收电极与发射电极耦合电容发生变化时，两组接收电极输出高频电压信号的幅值同步变化，通过判断两组电压信号幅值的相对关系即可精确计算接收电极相对发射电极的位移、运动速度和运动方向。
本发明的位移测量过程不依赖接收电极单路输出信号的瞬时幅值；本发明方案灵活，测量精度高，传感原件安装精度要求低，易于在低成本自动化装置中推广应用。
附图说明
图1为本发明示意图。
图2为用于制备发射电极的绝缘基板的下表面示意图。
图3为用于制备发射电极的绝缘基板的上表面示意图。
图4为用于制备接收电极的绝缘基板的上表面示意图。
图5为用于制备接收电极的绝缘基板的下表面示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种一维位移精密测量方法，其特征在于：
A、在发射电极绝缘基板1的上表面制备发射电极2，发射电极2的宽度与间距相同，发射电极2与间距的总累计宽度大于待测量一维位移行程，发射电极绝缘基板1下表面覆盖有屏蔽电极3（如图2、3所示）；
B、在接收电极绝缘基板4的下表面制备多组接收电极一5和接收电极二6，接收电极一5和接收电极二6的宽度与发射电极2一致，接收电极一5和接收电极二6紧密相邻并保持相互绝缘，组与组的间距为二倍发射电极间距，接收电极绝缘基板4的上表面覆盖有屏蔽电极7（如图4、5所示）；
C、将发射电极绝缘基板1固定安装在位移测量参照物8上，保持发射电极2的排列方向与待测量一维位移方向平行，将接收电极绝缘基板4安装在移动物体9上，保持发射电极2与接收电极一5、接收电极二6平行相对安装关系，发射电极2与接收电极一5、接收电极二6之间有一空气间隙10，移动物体9移动过程中，接收电极一5、接收电极二6始终处于发射电极2覆盖区域（如图1所示）；
D、采用互联母线一11将发射电极绝缘基板1上的奇数排序发射电极2并联，采用互联母线二12将绝缘基板1上的偶数排序发射电极2并联，采用互联母线三13将接收电极绝缘基板4上的接收电极一5并联，采用互联母线四14将接收电极绝缘基板4上的接收电极二6并联（如图3、5所示）；
E、用一幅值、频率恒定的基准高频正弦电压信号源15通过放大倍数相同的同相放大器16和反相放大器17分别连接至互联母线一11和互联母线二12，将互联母线三13和互联母线四14连接至信号处理模块18，信号处理模块18输出的位移信号连接至数显单元19和数字控制系统20（如图3、5所示）；
F、开始位移测量前，先通过零点开关21对信号处理模块18的初始位移值回零（如图1、5所示）；
G、移动物体9移动时，接收电极一5和接收电极二6在发射电极2形成的高频交变电场上方横向移动，互联母线三13和互联母线四14将接收电极一5和接收电极二6感应的高频交流电压信号传输至信号处理模块18，信号处理模块18提取两路高频交流电压信号中的低频交流分量，并根据低频交流分量瞬时值的相对关系计算出移动物体9的瞬时位移值（如图1、3、5所示）。
本发明的接收电极一5和接收电极二6在发射电极2上方连续移动四倍发射电极2宽度的位移后，其通过互联母线三13和互联母线四14输出的两路高频电压信号，其幅值和相位变化分别完成一个完整变化周期；
本发明的互联母线三13和互联母线四14输出的两路高频电压信号，其其幅值和相位变化相差四分之一个变化周期，两路信号幅值与相位变化规律的超前、滞后关系由移动物体9移动方向决定；
本发明的空气间隙10受到干扰而变化时，或发射电极2与接收电极一5、接收电极二6平行关系受到干扰变化时，互联母线三13和互联母线四14输出高频电压信号的幅值与相位同步变化，信号处理模块18仍可根据两路高频电压信号的瞬时值以及相位的相对关系精确计算移动物体9的位移值。
本发明的发射电极绝缘基板1上发射电极2、接收电极绝缘基板4上接收电极一5和接收电极二6其排列方向按半径相同的圆周排列，可用于旋转角度位移检测，检测时发射电极2排列圆心与接收电极一5、接收电极二6排列圆心重合，发射电极2与接收电极一5、接收电极二6平行相对安装，发射电极2与接收电极一5、接收电极二6之间有一空气间隙10，其它原理与前述直线位移检测方法一致。
Claims (6)
1.一种一维位移精密测量方法，其特征在于：在一绝缘基板上制备发射电极，发射电极为一组宽度一致的矩形电极，相邻电极间距与矩形电极宽度一致，奇数电极与偶数电极分别通过两组相互独立的互联母线连接；在另一绝缘基板上制备接收电极，单个接收电极与单个发射电极宽度一致，接收电极由多对并联而成，每一对接收电极由两个紧密相邻的接收电极构成，它们之间保持电气绝缘，接收电极对与对之间的间距为两倍电极宽度，对与对之间通过两组相互独立的互联母线连接；进行位移测量时，将发射电极绝缘基板安装在固定参照物上，将接收电极绝缘基板安装在移动物体上，保持发射电极与接收电极平行，发射电极与接收电极之间有一微小空气间隙，用一频率、幅值稳定的高频正弦电压源激励发射电极的奇数电极互联母线，用同样频率和幅值、相位相反的高频正弦电压源激励发射电极的偶数电极互联母线，将接收电极的两个互联母线分别连接至信号检测电路，通过判断接收电极两路输出高频电压信号的幅值以及相位的相对关系计算得出被测量物体相对固定参照物的位移、运动速度以及运动方向。
2.根据权利要求1所述的一维位移精密测量方法，其特征在于：任意接收电极在发射电极上方横向移动时，接收电极耦合的高频正弦交流电压信号，其幅值连续变化，相位在0度与180度之间交替变换。
3.根据权利要求1或2所述的一维位移精密测量方法，其特征在于：任意接收电极连续横向移动四倍发射电极宽度时，其输出高频正弦交流电压信号的幅值与相位完成一个变化周期。
4.根据权利要求1或2所述的一维位移精密测量方法，其特征在于：每个接收电极对中相邻两个接收电极输出的两路高频电压信号，其幅值和相位变化相差四分之一个变化周期。
5.根据权利要求1所述的一维位移精密测量方法，其特征在于：在绝缘基板另一表面制备屏蔽层，屏蔽层完整覆盖上表面的全部电极。
6.根据权利要求1或2所述的一维位移精密测量方法，其特征在于：保持发射电极排列方向与待测量一维位移方向平行，发射电极及其间距的累计总宽度超过待测量位移最大行程。
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