CN106197240B - 基于交变电场的绝对式直线时栅位移传感器 - Google Patents

基于交变电场的绝对式直线时栅位移传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于交变电场的绝对式直线时栅位移传感器，包括测头基体和定尺基体。测头基体下表面从左至右依次设有粗测电极Ⅰ、精测电极和粗测电极Ⅱ，定尺基体上表面设有A,B,C,D四组激励电极，A,B,C,D激励电极的高度顶点连线形成的包络线为相位依次相差90°周期不大于2π的正弦曲线。本发明采用定尺基体的矩形电极左右两侧部分与测头基体方形粗测电极之间形成的耦合电场感应电行波信号，进行对极定位，实现粗测功能；采用定尺基体的矩形电极中间部分与测头基体双正弦形精测电极之间形成的耦合电场感应电行波信号，进行精密测量，实现精测功能；采用对称的差动结构提高测量的稳定性，抑制共模干扰，增强信号幅值。本发明功耗低，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高精度绝对位移测量。

Description

基于交变电场的绝对式直线时栅位移传感器
技术领域
本发明属于精密直线位移传感器，具体是一种基于交变电场的绝对式直线时栅位移传感 器。
技术背景
传统的精密直线位移测量主要是栅式传感器，典型的以光栅、磁栅、容栅等栅式传感器 为代表，其共同的特点都是以空间均分的栅线作为测量基准。为了提高测量精度和分辨率， 这些栅式传感器采用精密刻线且需要依靠高精度电子细分技术，复杂严苛的刻线工艺和电子 细分电路造成传感器的成本高，抗干扰能力差。近年来国内研制出一种以时钟脉冲作为位移 测量基准的时栅传感器，并在此基础上研制了一种基于交变电场的时栅位移传感器，专利号： 201110145967.5。在后续研究中又申请了基于单排多层结构的电场式时栅直线位移传感器， 专利申请号：CN201410102437.6，公开号：CN103822571A。这种传感器以高频时钟脉冲作 为测量基准，采用平行电容板构建的交变电场进行精密位移测量。虽然这两种电场式时栅位 移传感器能实现精密测量，但采用的是增量计数方式，存在累计误差且只能识别一个周期内 的位移量。
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绝对式直线时栅 位移传感器，它采用粗测和精测相结合的方式实现绝对位移测量，其能在系统上电时立刻获 得当前位置信息而无需归零操作，断电后数据不丢失，简化了控制系统设计，其结构简单， 功耗低，对机械安装精度要求低，可实现大量程范围内的高精度绝对位移测量。
本发明技术方案如下：
一种基于交变电场的绝对式直线时栅位移传感器，包括测头基体和定尺基体两部分。 定尺基体上设有一排等宽等间距的矩形激励电极，其中第4n+1号电极连成一组，组成A激 励电极组，第4n+2号电极连成一组，组成B激励电极组，第4n+3号电极连成一组，组成 C激励电极组，第4n+4号电极连成一组，组成D激励电极组，每组激励电极的所有矩形激 励电极高度的顶点连线形成的包络线为周期不大于2π的正弦曲线，A,B,C,D激励电极组的正 弦曲线相位依次相差90°。
具体地，在定尺基体表面依次覆有4层介质膜，第一层为金属膜，喷涂4条激励信号引线； 第二层为绝缘膜；第三层为金属膜，喷涂定尺电极即A,B,C,D激励电极组；第四层为绝缘保 护膜。第三层中A,B,C,D激励电极组的各组矩形激励电极高度的顶点连线所形成的包络线分 别为相位依次相差90°周期不大于2π的正弦曲线，A,B,C,D激励电极组各个矩形激励电极的 高度在一个基础高度h的基础上向矩形激励电极顶点两端进行延伸，所述基础高度h为所有矩 形激励电极的共有高度，其延伸的高度为：
A激励电极组延伸的高度：
B激励电极组延伸的高度：
C激励电极组延伸的高度：
D激励电极组延伸的高度：
其中i∈N*，φ∈(0,2π]
上述所有公式，其中，i为对极数序号，hi取值的正负表示方向，延伸高度为其绝对值； A为延伸部分正弦曲线的幅值高度，W为激励电极的极距，b为单个极片宽度，L为定尺所有 电极排列长度之和，φ∈(0,2π]为定尺长度L所对应的相角，为初始相位角。
测头基体下表面中间设有一排大小相同等间距的双正弦形精测电极，精测电极的左右两 侧分别是大小相同的矩形粗测电极Ⅰ和矩形粗测电极Ⅱ。
具体地，所述测头基体表面有4层介质膜，第一层为金属膜，喷涂一条精测电极引线； 第二层为绝缘膜；第三层为金属膜，喷涂测头电极即双正弦形精测电极、矩形粗测电极Ⅰ和 矩形粗测电极Ⅱ；第四层为绝缘保护膜。第三层中测头中间是沿测头基体直线位移方向的一 排大小相同等间距的双正弦形精测电极，电极宽度为W，测头精测电极由底部引线把各个精 测电极连接起来；精测电极两侧是大小相同的矩形粗测电极Ⅰ和矩形粗测电极Ⅱ，粗测电极 沿测头基体直线位移方向的长度为L/2，宽度为A。
具体地，所述测头基体的精测电极的形状为两个正弦上下对称形成的双正弦形，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。其正弦极片的宽度为W， 高度略小于h，相邻极片之间的绝缘距离相等为3W。粗测电极Ⅰ和粗测电极Ⅱ为大小相同的 矩形，长度为L/2，宽度为A，精测电极底部有一条精测电极引线，分别把各个精测电极连接 起来。
测头基体的下表面与定尺基体的上表面相对平行放置，测头基体的下表面精测电极与定 尺基体的上表面激励电极正对，并留有一定间隙δ，形成耦合电容。
测量时，测头基体与定尺基体相平行对移动，定尺的A,B,C,D四个激励电极分别连接相 位依次相差90°的同频等幅正弦激励电压Ua,Ub,Uc,Ud，在测头的精测电极产生一路正弦 行波信号Uo1，Uo1与同频参考信号Ur经整形电路整形成方波后由比相电路比相，比相后得到的相位差由高频插补脉冲时钟脉冲表示，再通过标度变换得到测头基体相对于定尺基体 的精测直线位移值，即对极内位移值；在粗测电极Ⅰ和粗测电极Ⅱ上产生符号相反的两路同 频等幅正弦行波信号和两路正弦行波信号经差动电路形成一路正弦行波信号 Uo2，Uo2与同频参考信号Ur经整形电路整形成方波后由比相电路比相，比相后得到的相位差由高频插补脉冲时钟脉冲表示，再通过标度变换得到测头基体相对于定尺基体的粗测直 线位移值，即对极定位；将粗测和精测相结合的测量方式实现大量程范围内的绝对位移测量。
具体地，精测部分是由定尺A,B,C,D激励电极的共有高度极片部分与测头双正弦精测电 极形成的耦合电场进行测量，测头双正弦精测电极相对于定尺A,B,C,D激励电极的运动，等 同于定尺A,B,C,D激励电极的共有高度极片部分在测头双正弦精测电极的运动；粗测部分是 由定尺A,B,C,D激励电极延长部分电极与测头矩形粗测电极形成的耦合电场进行测量， A,B,C,D激励电极组的矩形激励电极高度的顶点连线形成4条正弦曲线，4条正弦曲线的频率f 和幅值A均相等；A,B,C,D激励电极组顶点连线形成的包络线为相位依次相差90°周期不大 于2π的正弦曲线，测头基体矩形粗测电极相对于定尺A,B,C,D激励电极延长部分电极的运动 等同于测头矩形粗测电极在离散的正弦曲线上的运动。
本发明的技术方案是采用电场耦合直接形成电行波然后整形比相处理得到精测直线位 移值，即对极内测量；同时通过定尺延长部分高度的顶点连线形成的正弦形包络线与测头基 体矩形粗测电极之间形成的耦合电场耦合到电行波，电行波经整形比相处理得粗测直线位移 值，即对极定位。采用“粗测+精测”相结合的方式实现绝对位移测量，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：采用激励电极延长部分离散型矩形极片高度的顶点连线形成的正 弦形包络线与测头基体矩形粗测电极之间的耦合电场直接感应电行波，进行对极定位；利用 双正弦形的精测电极与定尺矩形极片之间的耦合电场直接感应电行波进行精度测量；采用对 称的差动结构提高测量的稳定性，抑制共模干扰，增强信号幅值；而且，本传感器结构简单， 功耗低，可实现大量程范围的绝对位移测量，对机械安装精度要求低，工业适应性更强。
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是本发明信号处理原理框图。
具体实施方式
以下结合附图进一步详细说明本发明的结构和工作原理。
如图1(a)、图1(b)、图2、图3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，定尺基体上表面依次覆有四层介质膜，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 条扁平带状导线位于电极下面，即4条激励信号引线(2-2)，分别用于将A,B,C,D各个激 励电极的对应电极条连成一组，第三层金属膜覆有A,B,C,D四组激励电极，每个电极条宽度 b＝2mm，极距W＝2.2mm，共有高度h＝20mm，A,B,C,D四组激励电极的高度在一个基础高 度h的基础上向矩形激励电极顶点两端进行延伸，所述基础高度h为所有矩形激励电极的共 有高度，其延伸的高度为：
A激励电极组延伸的高度：
B激励电极组延伸的高度：
C激励电极组延伸的高度：
D激励电极组延伸的高度：
其中i∈N*，φ∈(0,2π]
上述所有公式，其中，i为对极数序号，hi取值的正负表示方向，延伸高度为其绝对值； A为延伸部分正弦曲线的幅值高度，W为激励电极的极距，b为单个极片宽度，L为定尺所有 电极排列长度之和，φ∈(0,2π]为定尺长度L所对应的相角，为初始相位角。
在测头基体(1)下表面依次覆有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；第一层金属膜为一条扁平带状导线位于电极下面，即精 测电极引线(1-4)，第三层金属膜覆有三排电极，中间覆有一排双正弦形精测电极，其宽度 为2.0mm，高度为20mm，其形状为两个正弦上下对称形成的双正弦形；测头粗测电极Ⅰ和 粗测电极Ⅱ的大小125mm*20.5mm。
定尺基体激励电极的第4n+1号电极连成一组，组成A激励电极，第4n+2号电极连成一组， 组成B激励电极，第4n+3号电极连成一组，组成C激励电极，第4n+4号电极连成一组，组成 D激励电极。在A激励电极施加激励电压Ua＝+Umsinωt，在B激励电极施加激励电压 Ub＝+Um cosωt，在C激励电极施加激励电压Uc＝-Um sinωt，在D激励电极施加激 励电压Ud＝-Um cosωt；激励信号经测头双正弦形精测电极与定尺激励电极形成的耦合电 场，在精测电极输出一路正弦行波信号Uo1，其行波表达式为：
激励信号经粗测电极Ⅰ和粗测电极Ⅱ与定尺激励电极延长部分形成的耦合电场，在粗测 电极Ⅰ和粗测电极Ⅱ输出两路符号相反的同频等幅正弦行波信号和其行波表达式 为：
其中激励信号的幅值Um＝5V，频率f＝40KHz，角频率ω＝2πf＝8×104π，Ke为电场耦合系数，x为测头和定尺之间的相对位移，W为极距，L为定尺所有排列电极长度之和。
如图4所示，将测头基体上双正弦形精测电极感应到的正弦行波信号Uo1与一 路相位固定的同频参考正弦信号Ur接入整形电路整形后得到方波信号，将两路 同频方波信号送入比相电路处理，得到的相位差由高频脉冲插补计数经计算处理 后得测头基体相对于定尺基体的精测直线位移值x，即对极内测量；同理，将测 头基体上方形粗测电极Ⅰ和粗测电极Ⅱ感应到的行波信号和进行差分 处理形成行波信号Uo2，然后将Uo2与一路相位固定的同频参考正弦信号Ur接入 整形电路整形后得到方波信号，将两路同频方波信号送入比相电路处理，得到的 相位差由高频脉冲插补计数经计算处理后得测头基体相对于定尺基体的粗测直 线位移值，即进行对极定位。采用先定位测头基体移动到定尺的对极数N，然后 与对极内测量的位移值x相结合的测量方式得动尺基体相对于定尺基体移动的 绝对位移值S＝4NW+x。

Claims (4)

1.一种基于交变电场的绝对式直线时栅位移传感器，包括测头基体(1)和定尺基体(2)两部分，其特征是：
所述定尺基体上表面设有一排等宽等间距的矩形激励电极(2-1)，其中第4n+1号电极连成一组，组成A激励电极组，第4n+2号电极连成一组，组成B激励电极组，第4n+3号电极连成一组，组成C激励电极组，第4n+4号电极连成一组，组成D激励电极组，每组电极的所有矩形激励电极的高度即顶点连线形成的包络线为周期不大于2π的正弦曲线，A,B,C,D激励电极组的正弦曲线相位依次相差90°；
所述测头基体下表面中间设有一排大小相同等间距的双正弦形精测电极(1-1)，双正弦形精测电极的左右两侧分别是大小相同的矩形粗测电极Ⅰ(1-2)和矩形粗测电极Ⅱ(1-3)，测头基体的下表面与定尺基体的上表面相对平行放置，测头基体的下表面的双正弦形精测电极(1-1)与定尺的上表面的矩形激励电极(2-1)正对，并留有一定间隙δ，形成耦合电容；
测量时，测头基体与定尺基体相对平行移动，对定尺基体的A,B,C,D激励电极组分别施加相位相差90°的同频等幅正弦激励信号Ua，Ub，Uc，Ud，在测头基体的双正弦形精测电极(1-1)上产生一路行波信号Uo1与同频参考信号Ur比相，比相后两路信号的相位差由插补时钟脉冲表示，再通过标度变换得到测头基体相对于定尺基体的精测直线位移值，即对极内位移值；在矩形粗测电极Ⅰ和矩形粗测电极Ⅱ上产生符号相反的同频等幅正弦行波信号和两路正弦行波信号经差动电路形成正弦行波信号Uo2与同频参考信号Ur比相，比相后两路信号的相位差由插补时钟脉冲表示，再通过标度变换得到测头基体相对于定尺基体的粗测直线位移值，即对极定位；将粗测直线位移值和精测直线位移值相结合得到绝对位移值，实现大量程范围内的绝对位移测量。
2.根据权利要求1所述的基于交变电场的绝对式直线时栅位移传感器，其特征是：所述定尺基体上的矩形激励电极(2-1)宽度为b，极距为W，A,B,C,D激励电极组的矩形激励电极的高度是在一个基础高度h的基础上向电极顶点两端进行延伸，所述基础高度h为所有矩形激励电极的共有高度，同一激励电极组的矩形激励电极高度的顶点连线形成1条正弦曲线，4条正弦曲线的频率f和幅值A均相等；激励电极组底部有4条激励电极引线(2-2)，分别把A,B,C,D各个激励电极组各自的矩形激励电极连成一组。
3.根据权利要求1所述的基于交变电场的绝对式直线时栅位移传感器，其特征是：所述测头基体上的双正弦形精测电极(1-1)形状为两个正弦上下对称形成的双正弦形，其正弦极片的宽度为W，高度略小于h，相邻极片之间的绝缘距离相等为3W；矩形粗测电极Ⅰ(1-2)和矩形粗测电极Ⅱ(1-3)为大小相同的矩形，长度为L/2，宽度为A，双正弦形精测电极底部有一条精测电极引线(1-4)，分别把各个双正弦形精测电极连接起来。
4.根据权利要求1所述的基于交变电场的绝对式直线时栅位移传感器，其特征是：测头基体上的双正弦形精测电极相对于定尺基体上离散的矩形激励电极移动的面积分，等同于离散的矩形激励电极在双正弦形精测电极上移动的面积分，测头基体上矩形粗测电极在矩形激励电极形成正弦型包络线上的移动，等同于矩形粗测电极在正弦型激励电极上的移动，其可等效为矩形粗测电极在正弦型激励电极上的面积分。
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