CN109631736B - 一种基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，包括转子基体和定子基体，两者同心安装，并留有间隙。转子基体上布置有沿轴向和周向进行错位编码的激励极片，形成四个激励相，定子基体上布置有沿轴向和周向相邻排布的感应极片，形成四个感应组。四个激励相分别施加相位相差90°的同频等幅正弦激励信号，四个感应组通过电场耦合分别输出四路行波信号；通过采用加法器对相邻两感应组输出信号进行求和可同时解耦出两路相位相反、只包含轴向直线位移量的行波信号和两路相位相反、只包含周向角位移量的行波信号；对任一方向上两路行波信号通过减法器进行作差消除共模干扰。本发明解耦彻底，可实现高精度的大量程直线位移和360°角位移测量。

Description

一种基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器

技术领域

本发明属于精密位移传感器领域，具体涉及一种基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器。

背景技术

齿轮测量中心、精密加工中心、工业机器人等复杂的测量仪器和加工设备同时具有大量程直线运动和360°圆周运动，因此对两个自由度的位移测量是通过组合单自由度的直线位移传感器和角度位移传感器来实现，测量系统和机械结构复杂，容易引入阿贝误差和多轴累积误差，难以满足精密位移测量的需求。现有的二维位移传感器主要包括二维光栅、二维磁栅和二维容栅，均只能实现平面二维位移测量。

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单排多层结构的电场式时栅直线位移传感器(公开号为CN103822571A)和电场式时栅角位移传感器(公开号为CNl03968750A)。这类传感器以高频时钟脉冲作为测量基准，采用平板电容阵列构建的交变电场来直接耦合出测量所需的电行波信号，因此能实现大量程范围内的高精度位移测量。但目前的电场式时栅位移传感器只能进行一维直线位移或角位移的测量，无法实现二维位移测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，以实现高精度的大量程直线位移和360°角位移测量，并且结构简单、解耦彻底、抗干扰能力强。

本发明所述的基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，包括转子基体和定子基体。

所述转子基体的外圆柱面上沿周向均匀设置有2n列激励电极，每列激励电极都由相同的m个激励极片沿轴向均匀排布组成，每个激励极片沿轴向的长度为L_e、沿周向的弧长为L_e，相邻两个激励极片沿轴向间隔的距离I_e大于L_e，相邻两列激励电极沿周向间隔的弧长等于

沿轴向的起始位置错开

(即奇数列激励电极沿轴向的起始位置与偶数列激励电极沿轴向的起始位置错开

)，奇数列激励电极沿轴向的起始位置相同，偶数列激励电极沿轴向的起始位置相同，其中，n＝4k₁、m＝4k₂，n(L_e+I_e)＝2πR_e，k₁、k₂都为正整数，R_e表示转子基体的外圆柱面的半径；转子基体的外圆柱面沿母线展开并铺平后，其上的激励极片的形状为正方形。多个激励极片相连，在周向形成有CA、CB、CC、CD激励组，在轴向形成有ZA、ZB、ZC、ZD激励组，CA激励组与ZA激励组相连，形成A激励相，CB激励组与ZB激励组相连，形成B激励相，CC激励组与ZC激励组相连，形成C激励相，CD激励组与ZD激励组相连，形成D激励相。

所述定子基体的内圆柱面上设置有相同的r个感应单元，沿周向相邻的两个感应单元沿周向间隔的弧长为I_i1，沿轴向相邻的两个感应单元沿轴向间隔的距离为I_i2；每个感应单元都由独立且相同的4个感应极片a、b、c、d按照2×2的方式排布组成，感应极片a、c位于沿周向的同一行，感应极片a、b位于沿轴向的同一列，每个感应极片沿轴向的长度为Li、沿周向的弧长为L_i，沿周向相邻的两个感应极片沿周向间隔的弧长为I_i1，沿轴向相邻的两个感应极片沿轴向间隔的距离为I_i2，

L_i+I_i2＝2(L_e+I_e)，R_i表示定子基体的内圆柱面的半径，则每个感应单元中沿周向或轴向任意相邻的两个感应极片在该方向上空间相差180°，构成差动结构；定子基体的内圆柱面沿母线展开并铺平后，其上的感应极片a、b、c、d的形状为中心对称图形。r个感应单元中的感应极片a相连，形成a感应组，r个感应单元中的感应极片b相连，形成b感应组，r个感应单元中的感应极片c相连，形成c感应组，r个感应单元中的感应极片d相连，形成d感应组。

转子基体安装在主轴上，定子基体套在转子基体外面，且与转子基体同轴安装并留有间隙，感应单元与正对的激励极片之间形成耦合电容。测量时，在A、B、C、D激励相上分别施加四路相位依次相差90°的同频等幅正弦激励信号，当转子基体相对定子基体产生轴向移动或周向转动时，a、b、c、d感应组分别产生U_a、U_b、U_c、U_d四路电信号，每路电信号均由只包含轴向直线位移量和周向角位移量的两个行波信号组成，由于每个感应单元中轴向和周向上任意两相邻感应极片在该方向上空间相差180°，因此这两个行波信号的大小和频率相等、相位相反；U_a和U_b，U_c和U_d分别通过加法器求和，得到两路相位相反、只包含周向角位移量的行波信号U_C+和U_C-；U_a和U_c，U_b和U_d分别通过加法器求和，得到两路相位相反、只包含轴向直线位移量的行波信号U_Z+和U_Z-；U_C+和u_C-通过减法器作差，得到周向正弦行波信号U_C，U_Z+和U_Z-通过减法器作差，得到轴向正弦行波信号U_Z；周向正弦行波信号U_C处理后得到转子基体相对于定子基体转动的角位移(即将周向正弦行波信号U_C与同频基准信号进行鉴相处理，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到转子基体相对于定子基体转动的角位移)，轴向正弦行波信号U_Z经处理后得到转子基体相对于定子基体轴向移动的直线位移(即将轴向正弦行波信号U_Z与同频基准信号进行鉴相处理，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到转子基体相对于定子基体轴向移动的直线位移)。

所述CA、CB、CC、CD激励组的形成方式为：周向偶数列上的m个激励极片相连，形成n个C激励单元，第4j₁+1个C激励单元连成一组，组成CA激励组，第4j₁+2个C激励单元连成一组，组成CB激励组，第4j₁+3个C激励单元连成一组，组成CC激励组，第4j₁+4个C激励单元连成一组，组成CD激励组，j₁依次取0至k₁-1的所有整数。

所述ZA、ZB、ZC、ZD激励组的形成方式为：轴向偶数行上的n个激励极片相连，形成m个Z激励单元，第4j₂+1个Z激励单元连成一组，组成ZA激励组，第4j₂+2个Z激励单元连成一组，组成ZB激励组，第4j₂+3个Z激励单元连成一组，组成ZC激励组，第4j₂+4个Z激励单元连成一组，组成ZD激励组，j₂依次取0至k₂-1的所有整数。

所述定子基体的内圆柱面沿母线展开并铺平后，其上的感应极片a、b、c、d的形状优选为正方形或者圆形或者菱形。

本发明采用激励极片错位排布的方式实现了圆柱面上轴向和周向同时进行编码，同一感应单元中采用两相邻感应极片按差动结构排布的方式来拾取信号，通过加法器对两相邻感应组输出信号求和的方式滤除了非测量方向上的耦合信号，通过减法器对差动信号作差的方式消除了共模干扰，从而进一步提高了信号解耦能力，解耦彻底、抗干扰能力强，从而实现了高精度的大量程直线位移和360°角位移测量，并且结构简单。

附图说明

图1为实施例1中转子基体与定子基体的装配示意图。

图2为实施例1中转子基体与定子基体装配之后的俯视图。

图3为实施例1中转子基体的外圆柱面沿母线展开并铺平后的示意图。

图4为实施例1中定子基体的内圆柱面沿母线展开并铺平后的示意图。

图5为实施例1的信号处理示意图。

图6为实施例2中定子基体的内圆柱面沿母线展开并铺平后的示意图。

图7为实施例3中定子基体的内圆柱面沿母线展开并铺平后的示意图。

图8为实施例4中定子基体的内圆柱面沿母线展开并铺平后的示意图。

图9为实施例5中定子基体的内圆柱面沿母线展开并铺平后的示意图。

图10为实施例6中转子基体的外圆柱面沿母线展开并铺平后的示意图。

图11为实施例6中定子基体的内圆柱面沿母线展开并铺平后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

实施例1：如图1至图5所示的基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，包括转子基体1和定子基体2。转子基体1安装在主轴3上，定子基体2套在转子基体1外面，且与转子基体1同轴安装并留有d＝0.5mm间隙。

如图1、图2、图3所示，转子基体1的外圆柱面上沿周向(即图1中C向)均匀设置有24列(即n＝12)激励电极，每列激励电极都由相同的12个(即m＝12)激励极片11沿轴向(即图1中Z向)均匀排布组成，每个激励极片11沿轴向的长度为L_e＝4mm、沿周向的弧长也为L_e＝4mm，相邻两个激励极片11沿轴向间隔的距离I_e＝6mm，相邻两列激励电极沿周向间隔的弧长等于1mm，奇数列激励电极(即第1列、第3列、…、第21列、第23列激励电极)沿轴向的起始位置相同，偶数列激励电极(即第2列、第4列、…、第22列、第24列激励电极)沿轴向的起始位置相同，奇数列激励电极沿轴向的起始位置与偶数列激励电极沿轴向的起始位置错开5mm；转子基体1的外圆柱面沿母线展开并铺平后，其上的激励极片11的形状为正方形；周向偶数列上的12个激励极片11通过激励信号引线相连，形成12个C激励单元，依次编号为1、2、3、…、12，第1个、第5个、第9个C激励单元通过激励信号引线连成一组，组成CA激励组，第2个、第6个、第10个C激励单元通过激励信号引线连成一组，组成CB激励组，第3个、第7个、第11个C激励单元通过激励信号引线连成一组，组成CC激励组，第4个、第8个、第12个C激励单元通过激励信号引线连成一组，组成CD激励组；轴向偶数行上的12个激励极片11通过激励信号引线相连，形成12个Z激励单元，依次编号为1、2、3、…、12，第1个、第5个、第9个Z激励单元通过激励信号引线连成一组，组成ZA激励组，第2个、第6个、第10个Z激励单元通过激励信号引线连成一组，组成ZB激励组，第3个、第7个、第11个Z激励单元通过激励信号引线连成一组，组成ZC激励组，第4个、第8个、第12个Z激励单元通过激励信号引线连成一组，组成ZD激励组。CA激励组与ZA激励组通过激励信号引线相连，形成A激励相，CB激励组与ZB激励组通过激励信号引线相连，形成B激励相，CC激励组与ZC激励组通过激励信号引线相连，形成C激励相，CD激励组与ZD激励组通过激励信号引线相连，形成D激励相。周向每经过四个激励极片11为一个对极，则周向有3个对极，周向的对极弧长W_e＝4(L_e+I_e)＝40mm，转子基体1的外圆柱面的半径R_e＝19.1mm，则一个对极对应的圆心角

轴向每经过四个激励极片11为一个对极，则轴向有3个对极，轴向的对极宽度W_e＝4(L_e+I_e)＝40mm。

如图1、图4所示，定子基体2的内圆柱面上设置有相同的3个感应单元，信号强度更好，3个感应单元沿周向均匀布置在同一行上，相邻两个感应单元沿周向间隔的弧长为I_i1＝1.5mm；每个感应单元都由独立且相同的4个感应极片a、b、c、d按照2×2的方式排布组成，感应极片a、c位于沿周向的同一行，感应极片a、b位于沿轴向的同一列，每个感应极片沿轴向的长度为L_i＝19mm、沿周向的弧长也为L_i＝19mm，沿周向相邻的两个感应极片沿周向间隔的弧长为I_i1＝1.5mm，沿轴向相邻的两个感应极片沿轴向间隔的距离为I_i2＝1mm，定子基体2的内圆柱面的半径R_i＝19.6mm，则一个感应单元加一个间隔对应的圆心角为

定子基体2的内圆柱面沿母线展开并铺平后，其上的感应极片a、b、c、d的形状为正方形。3个感应单元中的感应极片a通过感应信号引线相连(即3个感应极片a通过感应信号引线相连)，形成a感应组，3个感应单元中的感应极片b通过感应信号引线相连(即3个感应极片b通过感应信号引线相连)，形成b感应组，3个感应单元中的感应极片c通过感应信号引线相连(即3个感应极片c通过感应信号引线相连)，形成c感应组，3个感应单元中的感应极片d通过感应信号引线相连(即3个感应极片d通过感应信号引线相连)，形成d感应组。

定子基体内圆柱面上的感应单元与正对的转子基体外圆柱面上的激励极片之间形成耦合电容。测量时，在A、B、C、D激励相上分别施加正弦激励信号U_A＝U_msinωt、U_B＝U_mcosωt、U_C＝-U_msinωt、U_D＝-U_mcosωt，其中激励信号的幅值U_m＝5V，频率f＝40KHz，角频率ω＝2πf＝8×10⁴π。当转子基体1相对定子基体2同时产生轴向移动和周向转动时，a、b、c、d感应组通过电场耦合分别产生U_a、U_b、U_c、U_d四路电信号，表达式为：

式中，Kc表示周向的电场耦合系数，Kz表示轴向的电场耦合系数，β表示转子基体1相对于定子基体2转动的角位移，z表示转子基体1相对于定子基体2轴向移动的直线位移。

信号处理方式如图5所示，将U_a和U_b，Uc和U_d分别通过加法器求和，得两路相位相反、只包含周向角位移量的行波信号U_C+和U_C-，将U_a和U_c，U_b和U_d分别通过加法器求和，得两路相位相反、只包含轴向直线位移量的行波信号U_Z+和U_Z-，表达式为：

将U_C+和U_C-，U_Z+和U_Z-分别通过减法器作差，最终得到周向正弦行波信号U_C和轴向正弦行波信号U_Z，表达式为：

将周向正弦行波信号U_C和轴向正弦行波信号U_Z经整形电路整形成方波后，同时送入FPGA中进行鉴相处理，与一同频基准方波进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到转子基体1相对于定子基体2转动的角位移B(即周向角位移)和轴向移动的直线位移z(即轴向直线位移)。

实施例2：本实施例的基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，其测量原理以及大部分结构与实施例1相同，不同之处在于：如图6所示，定子基体2的内圆柱面沿母线展开并铺平后，其上的感应极片a、b、c、d的形状为圆形。

实施例3：本实施例的基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，其测量原理以及大部分结构与实施例1相同，不同之处在于：如图7所示，定子基体2的内圆柱面沿母线展开并铺平后，其上的感应极片a、b、c、d的形状为菱形。

实施例4：本实施例的基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，其测量原理以及大部分结构与实施例1相同，不同之处在于：如图8所示，定子基体2的内圆柱面上只设置有1个感应单元，该感应单元加一个间隔对应的圆心角等于120°；一个感应极片a构成a感应组，一个感应极片b构成b感应组，一个感应极片c构成c感应组，一个感应极片d构成d感应组。

实施例5：本实施例的基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，其测量原理以及大部分结构与实施例1相同，不同之处在于：如图9所示，定子基体2的内圆柱面上设置有2个感应单元，2个感应单元沿轴向布置于同一列，两个感应单元沿轴向间隔的距离为I_i2＝1mm；一个感应单元加一个间隔对应的圆心角等于120°；2个感应单元中的感应极片a通过感应信号引线相连(即2个感应极片a通过感应信号引线相连)，形成a感应组，2个感应单元中的感应极片b通过感应信号引线相连(即2个感应极片b通过感应信号引线相连)，形成b感应组，2个感应单元中的感应极片c通过感应信号引线相连(即2个感应极片c通过感应信号引线相连)，形成c感应组，2个感应单元中的感应极片d通过感应信号引线相连(即2个感应极片d通过感应信号引线相连)，形成d感应组。

实施例6：本实施例的基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，其测量原理以及大部分结构与实施例1相同，不同之处在于：

如图10所示，转子基体1的外圆柱面上沿周向均匀设置有24列(即n＝12)激励电极，每列激励电极都由相同的16个(即m＝16)激励极片11沿轴向均匀排布组成，每个激励极片11沿轴向的长度为L_e＝4mm、沿周向的弧长也为L_e＝4mm，相邻两个激励极片11沿轴向间隔的距离I_e＝6mm，相邻两列激励电极沿周向间隔的弧长等于1mm，奇数列激励电极(即第1列、第3列、…、第21列、第23列激励电极)沿轴向的起始位置相同，偶数列激励电极(即第2列、第4列、…、第22列、第24列激励电极)沿轴向的起始位置相同，奇数列激励电极沿轴向的起始位置与偶数列激励电极沿轴向的起始位置错开5mm；转子基体1的外圆柱面沿母线展开并铺平后，其上的激励极片11的形状为正方形；周向偶数列上的16个激励极片11通过激励信号引线相连，形成12个C激励单元，依次编号为1、2、3、…、12，第1个、第5个、第9个C激励单元通过激励信号引线连成一组，组成CA激励组，第2个、第6个、第10个C激励单元通过激励信号引线连成一组，组成CB激励组，第3个、第7个、第11个C激励单元通过激励信号引线连成一组，组成CC激励组，第4个、第8个、第12个C激励单元通过激励信号引线连成一组，组成CD激励组；轴向偶数行上的12个激励极片11通过激励信号引线相连，形成16个Z激励单元，依次编号为1、2、3、…、16，第1个、第5个、第9个、第13个Z激励单元通过激励信号引线连成一组，组成ZA激励组，第2个、第6个、第10个、第14个Z激励单元通过激励信号引线连成一组，组成ZB激励组，第3个、第7个、第11个、第15个Z激励单元通过激励信号引线连成一组，组成ZC激励组，第4个、第8个、第12个、第16个Z激励单元通过激励信号引线连成一组，组成ZD激励组。周向每经过四个激励极片11为一个对极，则周向有3个对极，周向的对极弧长W_e＝4(L_e+I_e)＝40mm，转子基体1的外圆柱面的半径R_e＝19.1mm，则一个对极对应的圆心角

轴向每经过四个激励极片11为一个对极，则轴向有4个对极，轴向的对极宽度W_e＝4(L_e+I_e)＝40mm。

如图11所示，定子基体2的内圆柱面上只设置有1个感应单元，该感应单元加一个间隔对应的圆心角等于120°；定子基体2的内圆柱面沿母线展开并铺平后，其上的感应极片a、b、c、d的形状为圆形。一个感应极片a构成a感应组，一个感应极片b构成b感应组，一个感应极片c构成c感应组，一个感应极片d构成d感应组。

Claims (5)

1.一种基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，包括转子基体(1)和定子基体(2)，其特征是：

所述转子基体(1)的外圆柱面上沿周向均匀设置有2n列激励电极，每列激励电极都由相同的m个激励极片(11)沿轴向均匀排布组成，每个激励极片(11)沿轴向的长度为L_e、沿周向的弧长为L_e，相邻两个激励极片(11)沿轴向间隔的距离I_e大于L_e，相邻两列激励电极沿周向间隔的弧长等于

沿轴向的起始位置错开

奇数列激励电极沿轴向的起始位置相同，偶数列激励电极沿轴向的起始位置相同，其中，n＝4k₁、m＝4k₂，n(L_e+I_e)＝2πR_e，k₁、k₂都为正整数，R_e表示转子基体(1)的外圆柱面的半径；转子基体(1)的外圆柱面沿母线展开并铺平后，其上的激励极片(11)的形状为正方形；多个激励极片(11)相连，在周向形成有CA、CB、CC、CD激励组，在轴向形成有ZA、ZB、ZC、ZD激励组，CA激励组与ZA激励组相连，形成A激励相，CB激励组与ZB激励组相连，形成B激励相，CC激励组与ZC激励组相连，形成C激励相，CD激励组与ZD激励组相连，形成D激励相；

所述定子基体(2)的内圆柱面上设置有相同的r个感应单元，沿周向相邻的两个感应单元沿周向间隔的弧长为I_i1，沿轴向相邻的两个感应单元沿轴向间隔的距离为I_i2；每个感应单元都由独立且相同的4个感应极片a、b、c、d按照2×2的方式排布组成，感应极片a、c位于沿周向的同一行，感应极片a、b位于沿轴向的同一列，每个感应极片沿轴向的长度为L_i、沿周向的弧长为L_i，沿周向相邻的两个感应极片沿周向间隔的弧长为I_i1，沿轴向相邻的两个感应极片沿轴向间隔的距离为I_i2，

L_i+I_i2＝2(L_e+I_e)，R_i表示定子基体(2)的内圆柱面的半径；定子基体(2)的内圆柱面沿母线展开并铺平后，其上的感应极片a、b、c、d的形状为中心对称图形；r个感应单元中的感应极片a相连，形成a感应组，r个感应单元中的感应极片b相连，形成b感应组，r个感应单元中的感应极片c相连，形成c感应组，r个感应单元中的感应极片d相连，形成d感应组；

转子基体(1)安装在主轴(3)上，定子基体(2)套在转子基体(1)外面，且与转子基体(1)同轴安装并留有间隙；测量时，在A、B、C、D激励相上分别施加四路相位依次相差90°的同频等幅正弦激励信号，当转子基体相对定子基体产生轴向移动或周向转动时，a、b、c、d感应组分别产生U_a、U_b、U_c、U_d四路电信号；U_a和U_b，U_c和U_d分别通过加法器求和，得到两路行波信号U_C+和U_C-；U_a和U_c，U_b和U_d分别通过加法器求和，得到两路行波信号U_z+和U_z-；U_C+和U_C-，U_Z+和U_Z-分别通过减法器作差，得到周向正弦行波信号U_C和轴向正弦行波信号U_Z；周向正弦行波信号U_C和轴向正弦行波信号U_Z分别经处理后得到转子基体相对于定子基体转动的角位移和轴向移动的直线位移。

2.根据权利要求1所述的基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，其特征是：

所述CA、CB、CC、CD激励组的形成方式为：周向偶数列上的m个激励极片(11)相连，形成n个C激励单元，第4j₁+1个C激励单元连成一组，组成CA激励组，第4j₁+2个C激励单元连成一组，组成CB激励组，第4j₁+3个C激励单元连成一组，组成CC激励组，第4j₁+4个C激励单元连成一组，组成CD激励组，j₁依次取0至k₁-1的所有整数；

所述ZA、ZB、ZC、ZD激励组的形成方式为：轴向偶数行上的n个激励极片(11)相连，形成m个Z激励单元，第4j₂+1个Z激励单元连成一组，组成ZA激励组，第4j₂+2个Z激励单元连成一组，组成ZB激励组，第4j₂+3个Z激励单元连成一组，组成ZC激励组，第4j₂+4个Z激励单元连成一组，组成ZD激励组，j₂依次取0至k₂-1的所有整数。

3.根据权利要求1或2所述的基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，其特征是：定子基体(2)的内圆柱面沿母线展开并铺平后，其上的感应极片a、b、c、d的形状为正方形。

4.根据权利要求1或2所述的基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，其特征是：定子基体(2)的内圆柱面沿母线展开并铺平后，其上的感应极片a、b、c、d的形状为圆形。

5.根据权利要求1或2所述的基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，其特征是：定子基体(2)的内圆柱面沿母线展开并铺平后，其上的感应极片a、b、c、d的形状为菱形。

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