CN112097801B - 一种电磁自阻尼三自由度电容位移传感装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁自阻尼三自由度电容位移传感装置和方法。包括两套传感装置，每套中，上连接件固接细丝电极，细丝电极重力自然下垂，细丝电极和平板型重锤固接，平板型重锤两侧有两件永磁体阻尼器，细丝电极中部旁设有一对外圆柱面电容探头，外圆柱面电容探头与被测物直接固定；通过两套传感装置的外圆柱面电容探头各自测量获得被测物水平位移，综合两套传感装置测量结果获得平行于水平面的偏航角。本发明对现有二自由度电容位移传感测量进行改进，能根据水平面位移进而得到平行水平面的偏航角位移信息，测量精度高且快速准确。
Description
技术领域
本发明涉及了一种位移传感装置和方法，特别是涉及了一种电磁自阻尼三自由度位移传感装置和方法。
背景技术
在精密装备制造领域，随着对零部件加工精度要求的持续提高，其对应位移测量技术精度的要求也在逐渐增加。同时，在完成零部件加工和装配之后，还需要进行一系列必要的出厂检测校准程序以保证所制造装备的特性指标满足既定要求。无论是在零部件加工环节，装配环节，还是最终的出厂测量校准环节，都需要精密的位移测量手段保证其准确性。且由于许多加工和装配场合需要多自由度位移量同时测量，需要配备相应的多自由度精确位移测量传感装置。
目前市面上能够买到的高精度位移传感器大多都是单自由度的，例如直线光栅尺、平面电容传感器、单频/双频激光干涉仪等。其中光栅尺虽然可通过两条尺垂直布置的方式实现二自由度测量，但光栅尺本身对测量环境要求较高，当应用于环境相对恶劣的现场加工环境(空间中存在加工粉尘、润滑油挥发气体、加工冷却液溅滴)时往往无法保证测量精度；激光干涉仪成本相对较高，若采用两台干涉仪垂直布置将使原本昂贵的测量成本再增加一倍，且对其本身对测量环境的要求更高，往往要在洁净实验室内使用；电容传感器属于非接触测量，其测量本质是对电容极板间的静电场变化进行探测，对测量环境的要求相对较低，然而目前其位移测量的自由度最多也是至二自由度，即将两套相同的单自由度电容位移传感器相互垂直布置组合测量，缺少多于二自由度的电容测量装置。
发明内容
为了提供一种可同时应用于加工机床校准，精密装配辅助和出厂噪声检测的多自由度测量装置，本发明提出了一种电磁自阻尼三自由度位移传感装置和方法。
本发明所采取的技术方案为：
一、一种电磁自阻尼三自由度电容位移传感装置：
装置主要由两套结构相同的二自由度电容位移传感装置构成，每套二自由度电容位移传感装置包括一个上连接件、一根细丝电极、一个平板型重锤、两件永磁体阻尼器和一对外圆柱面电容探头A、B；上连接件下端固定连接细丝电极上端，细丝电极重力自然下垂，细丝电极下端和平板型重锤固定连接，平板型重锤的两侧对称设有两件永磁体阻尼器，且两件永磁体阻尼器结构相同，细丝电极中部旁设有一对外圆柱面电容探头A、B，外圆柱面电容探头A、B安装于连接板上，连接板与被测物直接固定；细丝电极经外圆柱面电容探头A、B与电容测量电桥的低电压极连接，细丝电极通过上连接件与电容测量电桥的高电压极连接。
每个所述外圆柱面电容探头包括外圆柱面电容极板主体、中间绝缘层、探头屏蔽外壳和下BNC接口；探头屏蔽外壳内部中空，探头屏蔽外壳一侧面开口，开口中安装有外圆柱面电容极板主体，外圆柱面电容极板主体和探头屏蔽外壳开口之间连接有中间绝缘层，下BNC接口的芯线和外圆柱面电容极板主体电连接，外圆柱面电容极板主体的外表面为外圆柱面；下BNC接口穿出探头屏蔽外壳后和与电容测量电桥的低压端相连。
所述的一对外圆柱面电容探头A、B相互呈90度角垂直布置，即一对外圆柱面电容探头A、B的外圆柱面电容极板主体朝向相水平垂直。
所述的细丝电极包含二氧化硅芯和金涂层，金涂层均匀地涂覆在二氧化硅芯的表面。
所述的永磁体阻尼器包括环形磁轭和若干块方形永磁铁，环形磁轭为内部设有中空腔、侧面开设开口的结构，环形磁轭中空腔的内顶面和内底面均固定有一层紧密阵列布置的若干方形永磁铁，方形永磁铁以磁极方向沿重力上下布置，且内顶面和内底面上的方形永磁铁布置排布上下位置对应相同，内顶面上的方形永磁铁与其正下方的内底面的方形永磁铁的磁极方向相反，内顶面/内底面上的每两个相邻方形永磁铁之间磁极方向相反；内顶面和内底面各自的一层方形永磁铁之间具有间隙作为水平中央空隙。
所述的平板型重锤包括细丝连接件和平板型重锤主体，平板型重锤主体呈T形，平板型重锤主体T形的底部两端为平板，平板型重锤主体上端经细丝连接件和细丝电极下端固接；平板型重锤主体下端的两个平板插入永磁体阻尼器环形磁轭的水平中央空隙中。
所述的上连接件包含上端固定螺柱、连接件屏蔽外壳和上BNC接口；上端固定螺柱固定，连接件屏蔽外壳固定于上端固定螺柱底端，连接件屏蔽外壳内装有同轴屏蔽线，同轴屏蔽线上端和上BNC接口芯线电连接，同轴屏蔽线下端和细丝电极电连接。
二、一种电磁自阻尼三自由度电容位移传感检测方法：
将两套二自由度电容位移传感装置中的连接板固定于被测物的几何中心对称位置，在被测物的几何中心建立笛卡尔坐标系XOY，以重力垂直方向为Z方向，水平面上的两个正交方向分别作为X方向和Y方向；
被测物发生移动，通过两套二自由度电容位移传感装置各自的一对外圆柱面电容探头A、B测量获得被测物沿X、Y方向的位移及其时序变化；
首先在被测物静止时，测量获得笛卡尔坐标系XOY的坐标原点O与一套二自由度电容位移传感装置之间沿X、Y方向距离分别为L1和L2，以及另一套二自由度电容位移传感装置之间沿X、Y方向距离分别为L3和L4；
然后在被测物发生位移时，两套二自由度电容位移传感装置分别测量读数分别为第一X方向位移X1、第一Y方向位移Y1和第二X方向位移X2、第二Y方向位移Y2，则被测物在X方向的位移X、在Y方向的位移y和平行于XOY平面的偏航角θz采用以下公式计算获得：
其中，A表示参数矩阵，矩阵A具体为：
当被测物发生沿X、Y方向的位移时，每套二自由度电容位移传感装置中，两个外圆柱面电容探头分别与细丝电极之间的距离发生变化，距离的变化引起两个外圆柱面电容探头分别与细丝电极之间形成的电容Cx、Cy发生变化，两个电容Cx、Cy的值通过电容测量电桥实时测量得到，从而采集获得两个电容Cx、Cy时序变化。
本发明的创新在于针对现有的二自由度电容位移传感测量结构进行了改进，并结合了两套二自由度电容位移传感装置所采集的二维水平面位移数据进行分析处理获得了垂直于水平面的位移方向数据，获得了三维角度的测量，测量精度高且快速准确。
本发明的有益效果是：
本发明可为机床校准，精密装配和出厂噪声检测提供一种三自由度高精度测量方法和装置，该装置较光栅尺而言，其对测量环境的要求较低，能够较好地适应各类加工现场的环境，测量准确。且相较于激光干涉仪，该装置的成本更低，有利于节约成本。
附图说明
图1为本发明结构图；
图2为本发明上连接件机构图；
图3为本发明平板型重锤和永磁体阻尼器安装布置结构示意图；
图4为本发明平板型重锤结构示意图；
图5为本发明永磁体阻尼器结构示意图；
图6为本发明外圆柱面电容探头的立体结构图；
图7为本发明外圆柱面电容探头的侧视图；
图8为本发明方法的两套二自由度电容位移传感装置进行测试布置的示意图；
图9为图8的原理简化图。
图中：上连接件(1)、外圆柱面电容探头A、B(2,3)、连接板(4)、细丝电极(5)、平板型重锤(6)、两件永磁体阻尼器(7)、上端固定螺柱(8)、连接件屏蔽外壳(9)、上BNC接口(10)、同轴屏蔽线(11)、细丝连接件(12)、平板型重锤主体(13)、环形磁轭(14)、方形永磁铁(15)、探头屏蔽外壳(16)、中间绝缘层(17)、外圆柱面电容极板主体(18)、下BNC接口(19)、被测物(20)、二自由度电容位移传感装置(21)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明装置能够获取物体在X方向、Y方向位移信息以及平行于XOY平面的偏航角位移信息，适合对不规则振动目标的三自由度测量。
如图1所示，装置主要由两套结构相同的二自由度电容位移传感装置21构成，每套二自由度电容位移传感装置21包括一个上连接件1、一根细丝电极5、一个平板型重锤6、两件永磁体阻尼器7和一对外圆柱面电容探头A、B2、3；上连接件1上端固定布置，上连接件1下端固定连接细丝电极5上端，细丝电极5重力自然下垂，细丝电极5下端和平板型重锤6固定连接，平板型重锤6的两侧对称设有两件永磁体阻尼器7，且两件永磁体阻尼器7结构相同，细丝电极5中部旁设有一对外圆柱面电容探头A、B2、3，外圆柱面电容探头A、B2、3安装于连接板4上，连接板4与被测物直接固定，从而外圆柱面电容探头A、B2、3通过连接板4与被测物直接固定；细丝电极5经外圆柱面电容探头A、B2、3的圆柱面极板通过BNC接头外接同轴电缆与电容测量电桥的低电压极连接，细丝电极5通过上连接件1与电容测量电桥的高电压极连接。细丝电极在测量过程中保持静止，并在平板型重锤和永磁体阻尼的作用下保持稳定。
外圆柱面电容探头A、B用于测量电容信号变化进而反映被测目标的振动或位移信息。将两套二自由度电容位移传感装置放置于被测物的几何中心对称位置，可根据X方向、Y方向位移信息计算得到平行于XOY平面的偏航角位移信息。
如图6和图7所示，每个外圆柱面电容探头2、3包括外圆柱面电容极板主体18、中间绝缘层17、探头屏蔽外壳16和下BNC接口19；探头屏蔽外壳16内部中空，探头屏蔽外壳16一侧面开口，开口中安装有外圆柱面电容极板主体18，外圆柱面电容极板主体18和探头屏蔽外壳16开口之间连接有中间绝缘层17以进行隔离绝缘，下BNC接口19的芯线和外圆柱面电容极板主体18电连接，外圆柱面电容极板主体18的外表面为外圆柱面，进而消除电容极板本身由于姿态俯仰导致的测量误差；下BNC接口19穿出探头屏蔽外壳16后和经外接同轴电缆与电容测量电桥的低压端相连。外圆柱面电容极板主体18和细丝电极5靠近但不接触布置，形成电极电容。
外圆柱面电容极板主体表面被设计为外圆柱面，当外圆柱面电容极板只发生俯仰姿态改变时，细丝电极与外圆柱面电容极板构成的电容的样式未发生改变，保证了测量时的电容模型与标定过程中的电容模型的一致性，从而消除了由于姿态俯仰导致的位移测量误差。
外圆柱面电容极板主体18加工材料为黄铜，在表面涂覆一层0.05μm的金膜以保证高导电性，并通过屏蔽导线与下BNC接口19相连。中间绝缘层17的加工材料为聚四氟乙烯，用于隔离外圆柱面电容极板主体与探头屏蔽外壳，防止短接。探头屏蔽外壳的材料为2024铝合金，在结构上从除了安装外圆柱面电容极板主体18以外的其他五个面包围外圆柱面电容极板主体，屏蔽外界交流信号对探头电容测量的干扰。
一对外圆柱面电容探头A、B2、3相互呈90度角垂直布置，即一对外圆柱面电容探头A、B2、3的外圆柱面电容极板主体18朝向相水平垂直，其中一个外圆柱面电容探头A的测量方向为X方向，另一个外圆柱面电容探头B的测量方向为Y方向，X方向和X方向相垂直，通过两个外圆柱面电容探头A、B2、3监测X、Y两个方向的位移。
细丝电极5包含二氧化硅芯和金涂层，细丝电极5上端与上连接件相连，下端与平板型重锤相连。金涂层均匀地涂覆在二氧化硅芯的表面，二氧化硅芯直径为0.125mm，金涂层厚为0.05μm形成导电层。
如图5所示，永磁体阻尼器7包括环形磁轭14和若干块方形永磁铁15，环形磁轭14为内部设有中空腔、侧面开设开口的结构，环形磁轭14中空腔的内顶面和内底面均固定有一层紧密阵列布置的若干方形永磁铁15，方形永磁铁15以磁极方向沿重力上下布置，且内顶面和内底面上的方形永磁铁15布置排布上下位置对应相同，内顶面上的方形永磁铁15与其正下方的内底面的方形永磁铁15的磁极方向相反，内顶面/内底面上的每两个相邻方形永磁铁15之间磁极方向相反；内顶面和内底面各自的一层方形永磁铁15之间具有间隙作为水平中央空隙；
环形磁轭14采用高导磁材料，具体采用为电工软铁。
具体实施中，方形永磁铁的尺寸为10mm×10mm×4mm，其面积为10mm×10mm的上下两个面分别为N极和S极。具体实施布置40块方形永磁铁分为上下两层，分别吸附于环形磁轭14的上下内表面，上下两块正对的磁铁的磁极方向为异性，即上块的S面正对着下块的N面或者反过来；同一层内的相邻两块磁铁的朝向是相反的，即遵循“S面朝上、N面朝上、S面朝上、N面朝上。。。”的分布方式。
如图3和图4所示，平板型重锤6包括细丝连接件12和平板型重锤主体13，平板型重锤主体13呈T形，平板型重锤主体13T形的底部对称两端为平板，平板型重锤主体13上端经细丝连接件12和细丝电极5下端固接，具体地细丝连接件12通过粘接和螺纹连接方式将细丝电极5和平板型重锤主体连接；平板型重锤主体13下端的两个平板插入永磁体阻尼器7环形磁轭14的水平中央空隙中，在此水平中央空隙中存在由多块交替布置的永磁体产生的空间交变静磁场，当平板型重锤主体13发生水平方向的X、Y方向的晃动时，平板型重锤主体13自身会在受空间交变静磁场作用下产生涡流，进而受阻逐渐减小晃动幅度，直至停止。
这样，细丝电极通过将末端的平板型重锤6水平插入到两套永磁体阻尼器7中，利用涡流效应保持自身的稳定。
如图2所示，上连接件1包含上端固定螺柱8、连接件屏蔽外壳9和上BNC接口10；上端固定螺柱8固定，连接件屏蔽外壳9固定于上端固定螺柱8底端，连接件屏蔽外壳9内装有同轴屏蔽线11，同轴屏蔽线11上端和上BNC接口10芯线电连接，同轴屏蔽线11下端和细丝电极5电连接。上端固定螺柱8用于将上连接件1整体与外部带螺纹孔的固定端面的固定，连接件屏蔽外壳9内部中空，内置一根同轴屏蔽线11将细丝电极5与上BNC接口10连接在一起，上BNC接口10通过外部的同轴电缆与交流电容电桥的高压级相连。
外圆柱面电容极板的表面积比细丝电极的大，更容易受到外界电磁场的干扰，将外圆柱面电容极板主体18连接到电容测量电桥的低压端，同时让探头屏蔽外壳16接地，使外圆柱面电容极板主体与探头屏蔽外壳构成等电位屏蔽，增加外圆柱面电容极板对外界电磁场的抗干扰能力。
本发明的具体实施例及其实施过程如下：
A)将两套二自由度电容位移传感装置21中的连接板4固定于被测物20的几何中心对称位置，也就是几何中心的对角线上，如图8所示。将图8抽象为图9，在被测物20的几何中心建立笛卡尔坐标系XOY，以重力垂直方向为Z方向，水平面上的两个正交方向分别作为X方向和Y方向。
B)被测物20发生移动，通过两套二自由度电容位移传感装置21各自的一对外圆柱面电容探头A、B2、3测量获得被测物20沿X、Y方向的位移及其时序变化，具体是如下：
当被测物20发生沿X、Y方向的位移时，每套二自由度电容位移传感装置21中，两个外圆柱面电容探头2、3分别与细丝电极5之间的距离发生变化，该电容电极之间距离的变化引起两个外圆柱面电容探头2、3分别与细丝电极5之间形成的电容Cx、Cy发生变化，两个电容Cx、Cy的值通过电容测量电桥实时测量得到，从而采集获得两个电容Cx、Cy时序变化，并输出到上位机进行后续数据处理。
在实施测量之前，必须对高精度位移传感器分别对X、Y两个方向的距离与电容值进行标定实验，得到不同距离下的电容变化情况，即距离-电容变化关系曲线。本发明采用Sios单轴外差式激光干涉仪对电容传感器进行标定，并利用直线位移台驱动被测物，以细丝与探头接触位置为起点，以0.05μm为步长持续运动，同时记录下电容电桥的实时读数和激光干涉仪的实时值，绘制距离-电容变化关系曲线。
获取X、Y两个方向的距离-电容变化关系曲线之后，将两条曲线的数据存于上位机中；当测量实验进行完毕，将实验期间通过电容电桥测量获取的Cx、Cy电容变化曲线保存并代入距离-电容变化关系曲线，便可得到实验期间的距离变化曲线，即被测物在测量期间的X、Y方向位移情况。
C)进行三自由度测量：
首先在被测物20静止时，测量获得笛卡尔坐标系XOY的坐标原点O与图8和图9中左上角的一套二自由度电容位移传感装置21之间沿X、Y方向距离分别为L1和L2，以及图8和图9中右下角的另一套二自由度电容位移传感装置21之间沿X、Y方向距离分别为L3和L4；
然后在被测物发生位移时，两套二自由度电容位移传感装置21分别测量读数分别为第一X方向位移X1、第一Y方向位移Y1和第二X方向位移X2、第二Y方向位移Y2，则被测物20在X方向的位移X、在Y方向的位移y和平行于XOY平面的偏航角θz采用以下公式计算获得：
其中，A表示参数矩阵，矩阵A具体为：
从而上述结合公式根据X方向、Y方向位移信息计算得到平行于XOY平面的偏航角位移信息。
在实际测量过程中，将以上计算模型编写为上位机软件，将两套二自由度电容位移传感装置的测量结果作为输入参数导入软件，则可获得被测物的三个自由度信息。
本发明实施可以以汽车空调压缩机的生产过程为例，至少在三个环节上需要多自由度传感装置的应用。首先，汽车空调的各零部件加工环节，其加工机床在长期运行后，加工刀头的定位和进给速度的精度可能存在长期漂移现象，因此需要采用精度足够的传感器，以适当的时间周期对加工刀头的定位和进给速度进行校准；其次，在各零部件的装配环节，由于涉及多个部件同时完成多自由度精密装配，需要具备多自由同时精密检测的装置指导上述装配过程的进行；最后，在出厂参数检测环节，在汽车空调压缩机最终要的噪声测试中，可利用多自由度位移传感器对压缩机不同模态下的噪声进行准确监测，从而找到占主要作用成分的噪声源，抑制该噪声，减小压缩机噪声总体水平。
由此在上述三个环节采用本发明装置进行测试后，能够利用电容传感原理对多自由度位移进行精确测量，可应用于加工机床校准，精密装配辅助和出厂噪声检测的多自由度测量。
Claims (2)
1.一种电磁自阻尼三自由度电容位移传感检测方法，其特征在于：方法采用以下装置：装置主要由两套结构相同的二自由度电容位移传感装置(21)构成，每套二自由度电容位移传感装置(21)包括一个上连接件(1)、一根细丝电极(5)、一个平板型重锤(6)、两件永磁体阻尼器(7)和一对外圆柱面电容探头A、B(2、3)；上连接件(1)下端固定连接细丝电极(5)上端，细丝电极(5)重力自然下垂，细丝电极(5)下端和平板型重锤(6)固定连接，平板型重锤(6)的两侧对称设有两件永磁体阻尼器(7)，且两件永磁体阻尼器(7)结构相同，细丝电极(5)中部旁设有一对外圆柱面电容探头A、B(2、3)，外圆柱面电容探头A、B(2、3)安装于连接板(4)上，连接板(4)与被测物直接固定；细丝电极(5)经外圆柱面电容探头A、B(2、3)与电容测量电桥的低电压极连接，细丝电极(5)通过上连接件(1)与电容测量电桥的高电压极连接；
将两套二自由度电容位移传感装置(21)中的连接板(4)固定于被测物(20)的几何中心对称位置，在被测物(20)的几何中心建立笛卡尔坐标系XOY，以重力垂直方向为Z方向，水平面上的两个正交方向分别作为X方向和Y方向；
被测物(20)发生移动，通过两套二自由度电容位移传感装置(21)各自的一对外圆柱面电容探头A、B(2、3)测量获得被测物(20)沿X、Y方向的位移及其时序变化；
首先在被测物(20)静止时，测量获得笛卡尔坐标系XOY的坐标原点O与一套二自由度电容位移传感装置(21)之间沿X、Y方向距离分别为L1和L2，以及另一套二自由度电容位移传感装置(21)之间沿X、Y方向距离分别为L3和L4；
然后在被测物发生位移时，两套二自由度电容位移传感装置(21)分别测量读数分别为第一X方向位移X1、第一Y方向位移Y1和第二X方向位移X2、第二Y方向位移Y2，则被测物(20)在X方向的位移x、在Y方向的位移y和平行于XOY平面的偏航角θz采用以下公式计算获得：
其中，A表示参数矩阵，矩阵A具体为：
2.根据权利要求1所述的一种电磁自阻尼三自由度电容位移传感检测方法，其特征在于：当被测物(20)发生沿X、Y方向的位移时，每套二自由度电容位移传感装置(21)中，两个外圆柱面电容探头(2、3)分别与细丝电极(5)之间的距离发生变化，距离的变化引起两个外圆柱面电容探头(2、3)分别与细丝电极(5)之间形成的电容Cx、Cy发生变化，两个电容Cx、Cy的值通过电容测量电桥实时测量得到，从而采集获得两个电容Cx、Cy时序变化。
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