一种分时复用的绝对式时栅直线位移传感器
技术领域
本发明属于精密直线位移测量领域,具体涉及一种分时复用的绝对式时栅直线位移传感器。
背景技术
直线位移传感器分为增量式和绝对式两种。与增量式相比,绝对式直线位移传感器具有开机无需复位,立刻获得绝对直线位移信息和无累计误差等优势,提高了工作效率和可靠性,因而逐渐成为直线位移传感器的发展趋势。
CN208140019U公开了一种基于交变电场的差极型绝对式时栅直线位移传感器,其利用相差一个对极的激励电极Ⅰ、激励电极Ⅱ与感应电极Ⅰ、感应电极Ⅱ耦合,能实现绝对直线位移的高精度测量。但是其存在如下问题:(1)感应信号是从感应电极Ⅰ、Ⅱ上输出,动尺基体上需要引信号输出线,有些场合不能使用,应用范围窄;(2)激励电极Ⅰ的A1、B1、C1、D1激励相的矩形极片Ⅰ采用中间引线的方式进行连接,激励电极Ⅱ的A2、B2、C2、D2激励相的矩形极片Ⅱ采用中间引线的方式进行连接,引线串扰较大,导致信号干扰较大。
CN109238119A公开了一种基于交变电场的绝对式时栅直线位移传感器,其利用激励电极与感应电极耦合,利用反射电极Ⅰ、Ⅱ与接收电极Ⅰ、Ⅱ的耦合,能实现绝对直线位移的高精度测量且动尺基体无需引信号输出线,应用范围更广,工业适应性更强,但是其仍然存在如下问题:(1)激励电极的A、B、C、D激励相的矩形极片采用中间引线的方式进行连接,引线串扰较大,导致信号干扰较大;(2)接收电极Ⅰ、Ⅱ都实时工作,实时输出信号,接收电极Ⅰ、Ⅱ之间存在相互干扰,限制了测量精度的进一步提高,绝对定位不容易。
发明内容
本发明的目的是提供一种分时复用的绝对式时栅直线位移传感器,以进一步优化传感器结构,提高传感器的测量精度。
本发明所述的分时复用的绝对式时栅直线位移传感器,包括定尺和动尺,定尺包括定尺基体和设置在定尺基体表面的激励电极Ⅰ、激励电极Ⅱ和接收电极,动尺包括动尺基体和设置在动尺基体表面的感应电极Ⅰ、感应电极Ⅱ和反射电极,设置有感应电极Ⅰ、感应电极Ⅱ、反射电极的动尺基体表面与设置有激励电极Ⅰ、激励电极Ⅱ、接收电极的定尺基体表面正对平行,并留有间隙,感应电极Ⅰ与激励电极Ⅰ正对,感应电极Ⅱ与激励电极Ⅱ正对,反射电极与接收电极正对且与感应电极Ⅰ、Ⅱ相连;所述感应电极Ⅰ由一排大小相同的感应极片Ⅰ沿测量方向等间距排列组成,所述感应电极Ⅱ的起始端与感应电极Ⅰ的起始端对齐,感应电极Ⅱ由一排大小相同的感应极片Ⅱ沿测量方向等间距排列组成;所述激励电极Ⅰ由一排大小相同、极距为W1的矩形极片Ⅰ沿测量方向等间距排列组成,第4n1+1号矩形极片Ⅰ通过A1相激励信号引线连成一组,组成A1激励相,第4n1+2号矩形极片Ⅰ通过B1相激励信号引线连成一组,组成B1激励相,第4n1+3号矩形极片Ⅰ通过C1相激励信号引线连成一组,组成C1激励相,第4n1+4号矩形极片Ⅰ通过D1相激励信号引线连成一组,组成D1激励相,n1依次取0至M1-1的所有整数,M1表示激励电极Ⅰ的对极数;所述激励电极Ⅱ的起始端与激励电极Ⅰ的起始端对齐,激励电极Ⅱ沿测量方向的总量程与激励电极Ⅰ沿测量方向的总量程相等,激励电极Ⅱ由一排大小相同、极距为W2的矩形极片Ⅱ沿测量方向等间距排列组成,第4n2+1号矩形极片Ⅱ通过A2相激励信号引线连成一组,组成A2激励相,第4n2+2号矩形极片Ⅱ通过B2相激励信号引线连成一组,组成B2激励相,第4n2+3号矩形极片Ⅱ通过C2相激励信号引线连成一组,组成C2激励相,第4n2+4号矩形极片Ⅱ通过D2相激励信号引线连成一组,组成D2激励相,n2依次取0至M2-1的所有整数,M2表示激励电极Ⅱ的对极数,M2与M1互为质数。
所述A1相激励信号引线与C1相激励信号引线组成双绞线且位于激励电极Ⅰ的一侧,所述B1相激励信号引线与D1相激励信号引线组成双绞线且位于激励电极Ⅰ的另一侧;所述A2相激励信号引线与C2相激励信号引线组成双绞线且位于激励电极Ⅱ的一侧,所述B2相激励信号引线与D2相激励信号引线组成双绞线且位于激励电极Ⅱ的另一侧。
所述感应电极Ⅰ中的感应极片Ⅰ的极距为
第3n
3+1号感应极片Ⅰ连成一组,组成A
1感应组,第3n
3+2号感应极片Ⅰ连成一组,组成B
1感应组,第3n
3+3号感应极片Ⅰ连成一组,组成C
1感应组,n
3依次取0至M
3-1的所有整数,M
3表示感应电极Ⅰ的对极数。
所述感应电极Ⅱ中的感应极片Ⅱ的极距为
第3n
4+1号感应极片Ⅱ连成一组,组成A
2感应组,第3n
4+2号感应极片Ⅱ连成一组,组成B
2感应组,第3n
4+3号感应极片Ⅱ连成一组,组成C
2感应组,n
4依次取0至M
4-1的所有整数,M
4表示感应电极Ⅱ的对极数。
工作时,动尺相对定尺平行移动,先对A2、B2、C2、D2激励相分别施加相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励电信号,此时激励电极Ⅰ不工作,接收电极上输出第一组相位相差120°的同频等幅的第一、第二、第三行波信号,第一、第二、第三行波信号经硬件电路处理成第一组三路方波信号后,输入FPGA信号处理系统,经数据融合获得第一路位移信号Uo1,并存储此测量结果;然后迅速将所述的四路同频等幅正弦激励电信号切换到A1、B1、C1、D1激励相上,此时激励电极Ⅱ不工作,接收电极上输出第二组相位相差120°的同频等幅的第四、第五、第六行波信号,第四、第五、第六行波信号经硬件电路处理成第二组三路方波信号后,输入FPGA信号处理系统,经数据融合获得第二路位移信号Uo2,对Uo2进行处理得到精测直线位移值;对Uo2与Uo1进行对极定位处理,得到粗测对极位置值,将精测直线位移值与粗测对极位置值相结合得到绝对直线位移值。上述测量过程中,激励电极Ⅱ工作时激励电极Ⅰ不工作,激励电极Ⅰ工作时激励电极Ⅱ不工作,采用分时工作的方式进行绝对测量,消除了实时工作时之间的相互干扰,测量精度更高,实现绝对定位更容易。
优选的,所述感应电极Ⅰ中的感应极片Ⅰ的形状为
区间或者
区间的两条相同的半周期余弦曲线段在起止点与前后两条长度为
的直线段围成的封闭图形Ⅰ(即斜余弦形Ⅰ),其中,该余弦曲线的周期T
1=4W
1;所述感应电极Ⅱ中的感应极片Ⅱ的形状为
区间或者
区间的两条相同的半周期余弦曲线段在起止点与前后两条长度为
的直线段围成的封闭图形Ⅱ(即斜余弦形Ⅱ),其中,该余弦曲线的周期T
2=4W
2。斜余弦形Ⅰ、斜余弦形Ⅱ可以实现对电场强度变化的正弦调控,抑制电场中的谐波成分,避免了电场的边缘效应和寄生电容的影响,能进一步提高测量精度。
优选的,所述第4n1+1号矩形极片Ⅰ的前端部设有第一A1相过孔、前侧设有第二C1相过孔,第4n1+3号矩形极片Ⅰ的前端部设有第一C1相过孔、前侧设有第二A1相过孔,M1个第一A1相过孔与M1个第一C1相过孔沿测量方向等间距分布且其中心处于与矩形极片Ⅰ的前端边沿平行的同一直线上,M1个第二A1相过孔与M1个第二C1相过孔沿测量方向等间距分布且其中心处于与矩形极片Ⅰ的前端边沿平行的同一直线上,相邻的第一A1相过孔与第二A1相过孔通过所述A1相激励信号引线相连,使第4n1+1号矩形极片Ⅰ连接成一组,组成所述A1激励相,相邻的第一C1相过孔与第二C1相过孔通过所述C1相激励信号引线相连,使第4n1+3号矩形极片Ⅰ连接成一组,组成所述C1激励相;所述第4n1+2号矩形极片Ⅰ的后端部设有第一B1相过孔、后侧设有第二D1相过孔,第4n1+4号矩形极片Ⅰ的后端部设有第一D1相过孔、后侧设有第二B1相过孔,M1个第一B1相过孔与M1个第一D1相过孔沿测量方向等间距分布且其中心处于与矩形极片Ⅰ的后端边沿平行的同一直线上,M1个第二B1相过孔与M1个第二D1相过孔沿测量方向等间距分布且其中心处于与矩形极片Ⅰ的后端边沿平行的同一直线上,相邻的第一B1相过孔与第二B1相过孔通过所述B1相激励信号引线相连,使第4n1+2号矩形极片Ⅰ连接成一组,组成所述B1激励相,相邻的第一D1相过孔与第二D1相过孔通过所述D1相激励信号引线相连,使第4n1+4号矩形极片Ⅰ连接成一组,组成所述D1激励相。
所述第4n2+1号矩形极片Ⅱ的前端部设有第一A2相过孔、前侧设有第二C2相过孔,第4n2+3号矩形极片Ⅱ的前端部设有第一C2相过孔、前侧设有第二A2相过孔,M2个第一A2相过孔与M2个第一C2相过孔沿测量方向等间距分布且其中心处于与矩形极片Ⅱ的前端边沿平行的同一直线上,M2个第二A2相过孔与M2个第二C2相过孔沿测量方向等间距分布且其中心处于与矩形极片Ⅱ的前端边沿平行的同一直线上,相邻的第一A2相过孔与第二A2相过孔通过所述A2相激励信号引线相连,使第4n2+1号矩形极片Ⅱ连接成一组,组成所述A2激励相,相邻的第一C2相过孔与第二C2相过孔通过所述C2相激励信号引线相连,使第4n2+3号矩形极片Ⅱ连接成一组,组成所述C2激励相;所述第4n2+2号矩形极片Ⅱ的后端部设有第一B2相过孔、后侧设有第二D2相过孔,第4n2+4号矩形极片Ⅱ的后端部设有第一D2相过孔、后侧设有第二B2相过孔,M2个第一B2相过孔与M2个第一D2相过孔沿测量方向等间距分布且其中心处于与矩形极片Ⅱ的后端边沿平行的同一直线上,M2个第二B2相过孔与M2个第二D2相过孔沿测量方向等间距分布且其中心处于与矩形极片Ⅱ的后端边沿平行的同一直线上,相邻的第一B2相过孔与第二B2相过孔通过所述B2激励信号引线相连,使第4n2+2号矩形极片Ⅱ连接成一组,组成所述B2激励相,相邻的第一D2相过孔与第二D2相过孔通过所述D2相激励信号引线相连,使第4n2+4号矩形极片Ⅱ连接成一组,组成所述D2激励相。
优选的,所述设在第4n1+1号矩形极片Ⅰ的前端部的第一A1相过孔与设在第4n1+1号矩形极片Ⅰ的前侧的第二C1相过孔在前后方向对齐,所述设在第4n1+3号矩形极片Ⅰ的前端部的第一C1相过孔与设在第4n1+3号矩形极片Ⅰ的前侧的第二A1相过孔在前后方向对齐;所述M1个第一A1相过孔的中心与M1个第一C1相过孔的中心所处的直线到矩形极片Ⅰ的前端边沿的距离为d1,所述M1个第二A1相过孔的中心与M1个第二C1相过孔的中心所处的直线到矩形极片Ⅰ的前端边沿的距离为d2,所述d1=d2;第一A1相过孔、第二C1相过孔、第一C1相过孔、第二A1相过孔的这种设置方式,保证了A1相激励信号引线与C1相激励信号引线的对称性。所述设在第4n1+2号矩形极片Ⅰ的后端部的第一B1相过孔与设在第4n1+2号矩形极片Ⅰ的后侧的第二D1相过孔在前后方向对齐,所述设在第4n1+4号矩形极片Ⅰ的后端部的第一D1相过孔与设在第4n1+4号矩形极片Ⅰ的后侧的第二B1相过孔在前后方向对齐;所述M1个第一B1相过孔的中心与M1个第一D1相过孔的中心所处的直线到矩形极片Ⅰ的后端边沿的距离为d3,所述M1个第二B1相过孔的中心与M1个第二D1相过孔的中心所处的直线到矩形极片Ⅰ的后端边沿的距离为d4,所述d3=d4;第一B1相过孔、第二D1相过孔、第一D1相过孔、第二B1相过孔的这种设置方式,保证了B1相激励信号引线与D1相激励信号引线的对称性。
所述设在第4n2+1号矩形极片Ⅱ的前端部的第一A2相过孔与设在第4n3+1号矩形极片Ⅱ的前侧的第二C2相过孔在前后方向对齐,所述设在第4n2+3号矩形极片Ⅱ的前端部的第一C2相过孔与设在第4n2+3号矩形极片Ⅱ的前侧的第二A2相过孔在前后方向对齐;所述M2个第一A2相过孔的中心与M2个第一C2相过孔的中心所处的直线到矩形极片Ⅱ的前端边沿的距离为d5,所述M2个第二A2相过孔的中心与M2个第二C2相过孔的中心所处的直线到矩形极片Ⅱ的前端边沿的距离为d6,所述d5=d6;第一A2相过孔、第二C2相过孔、第一C2相过孔、第二A2相过孔的这种设置方式,保证了A2相激励信号引线与C2相激励信号引线的对称性。所述设在第4n2+2号矩形极片Ⅱ的后端部的第一B2相过孔与设在第4n2+2号矩形极片Ⅱ的后侧的第二D2相过孔在前后方向对齐,所述设在第4n2+4号矩形极片Ⅱ的后端部的第一D2相过孔与设在第4n2+4号矩形极片Ⅱ的后侧的第二B2相过孔在前后方向对齐;所述M2个第一B2相过孔的中心与M2个第一D2相过孔的中心所处的直线到矩形极片Ⅱ的后端边沿的距离为d7,所述M2个第二B2相过孔的中心与M2个第二D2相过孔的中心所处的直线到矩形极片Ⅱ的后端边沿的距离为d8,所述d7=d8;第一B2相过孔、第二D2相过孔、第一D2相过孔、第二B2相过孔的这种设置方式,保证了B2相激励信号引线与D2相激励信号引线的对称性。
优选的,所述反射电极由尺寸相同的第一矩形反射极片、第二矩形反射极片和第三矩形反射极片并排组成,第一矩形反射极片与A1、A2感应组相连,第二矩形反射极片与B1、B2感应组相连,第三矩形反射极片与C1、C2感应组相连;所述接收电极由尺寸相同的第一矩形接收极片、第二矩形接收极片和第三矩形接收极片并排组成,第一矩形接收极片与第一矩形反射极片正对,第二矩形接收极片与第二矩形反射极片正对,第三矩形接收极片与第三矩形反射极片正对。
优选的,所述第一矩形反射极片、第二矩形反射极片、第三矩形反射极片的起始端都与感应电极Ⅰ的起始端对齐;所述第一矩形接收极片、第二矩形接收极片、第三矩形接收极片的起始端都与激励电极Ⅰ的起始端对齐,第一矩形接收极片、第二矩形接收极片、第三矩形接收极片沿测量方向的总量程大于或等于激励电极Ⅰ沿测量方向的总量程。
本发明具有如下效果:
(1)感应电极Ⅰ和感应电极Ⅱ采用三测头(即A1、B1、C1感应组和A2、B2、C2感应组)的形式,提高了感应电极Ⅰ、Ⅱ的面积利用率,增大了耦合电容值,从而提高了信噪比,增强了在工业现场的抗干扰能力。此外,采用三测头输出信号进行处理,还可以有效地消除某些特定频率的谐波误差,进一步提高传感器的测量精度。
(2)定尺的激励电极Ⅰ、Ⅱ分别采用两组双绞线进行连接,A1相激励信号引线与C1相激励信号引线在激励电极Ⅰ的一侧组成双绞线,B1相激励信号引线与D1相激励信号引线在激励电极Ⅰ的另一侧组成双绞线,A2相激励信号引线与C2相激励信号引线在激励电极Ⅱ的一侧组成双绞线,B2相激励信号引线与D2相激励信号引线在激励电极Ⅱ的另一侧组成双绞线;当A1、B1、C1、D1激励相分别通入相位依次相差90°的四路激励信号时,双绞线的结构形式使来自A1相激励信号引线的电磁干扰与来自C1相激励信号引线的电磁干扰能够彻底抵消,同时双绞线的结构形式也使来自B1相激励信号引线的电磁干扰与来自D1相激励信号引线的电磁干扰能够彻底抵消;当A2、B2、C2、D2激励相分别通入相位依次相差90°的四路激励信号时,双绞线的结构形式使来自A2相激励信号引线的电磁干扰与来自C2相激励信号引线的电磁干扰能够彻底抵消,同时双绞线的结构形式也使来自B2相激励信号引线的电磁干扰与来自D2相激励信号引线的电磁干扰能够彻底抵消,从而减小了干扰信号对测量精度的影响,保证了测量精度。
附图说明
图1为实施例1中定尺基体上的电极与动尺基体上的电极示意图。
图2为实施例1中定尺的结构示意图。
图3为实施例1中动尺的仰视图。
图4为实施例1中动尺与定尺的对应关系示意图。
图5为实施例2中定尺基体上的电极与动尺基体上的电极示意图。
图6为实施例2中定尺的结构示意图。
图7为实施例2中动尺的仰视图。
图8为实施例2中动尺与定尺的对应关系示意图。
图9为实施例1、实施例2中的信号处理原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
定义定尺基体14的长度方向(即测量方向)为左右方向,定尺基体14的宽度方向为前后方向,定尺基体14的厚度方向为上下方向。
实施例1:如图1至图4所示的分时复用的绝对式时栅直线位移传感器,包括定尺1和动尺2,定尺1包括动尺基体14和设置在定尺基体14上表面的激励电极Ⅰ11、激励电极Ⅱ12和接收电极,动尺2包括动尺基体24和设置在动尺基体24下表面的感应电极Ⅰ21、感应电极Ⅱ22和反射电极。动尺基体24下表面与定尺基体14的上表面正对平行,并留有0.5mm间隙,定尺基体14、动尺基体24均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的极片。
如图1、图2、图4所示,激励电极Ⅰ11、激励电极Ⅱ12和接收电极沿前后方向依次间隔设置,激励电极Ⅱ12和接收电极的起始端都与激励电极Ⅰ11的起始端对齐,激励电极Ⅱ12、接收电极在测量方向上的长度与激励电极Ⅰ11在测量方向上的长度相等(即激励电极Ⅱ12、接收电极沿测量方向的总量程与激励电极Ⅰ沿测量方向的总量程相等)。
激励电极Ⅰ11由一排大小相同、极距为W1=2mm的矩形极片Ⅰ沿测量方向等间距(该间距为1mm)排列组成,每个矩形极片Ⅰ沿测量方向的长度为1mm、沿前后方向的宽度为10mm,激励电极Ⅰ11的对极数M1=150,每相邻的四个矩形极片Ⅰ形成一个对极,则总共有600个矩形极片Ⅰ。n1依次取0至149的所有整数,第4n1+1号矩形极片Ⅰ(即第1、5、9、...、597号矩形极片Ⅰ)的前端部各设有1个第一A1相过孔、前侧各设有1个第二C1相过孔,1个第一A1相过孔与1个第二C1相过孔在前后方向对齐,第4n1+3号矩形极片Ⅰ(即第3、7、11、...、599号矩形极片Ⅰ)的前端部各设有1个第一C1相过孔、前侧各设有1个第二A1相过孔,1个第一C1相过孔与1个第二A1相过孔在前后方向对齐,150个第一A1相过孔150个第一C1相过孔沿测量方向等间距分布,150个第一A1相过孔的中心与150个第一C1相过孔的中心处于与矩形极片Ⅰ的前端边沿平行的同一直线上,该直线到矩形极片Ⅰ的前端边沿的距离为0.3mm,第一A1相过孔的中心与相邻的第一C1相过孔的中心之间的距离为4mm,150个第二A1相过孔与150个第二C1相过孔沿测量方向等间距分布,150个第二A1相过孔的中心与150个第二C1相过孔的中心处于与矩形极片Ⅰ的前端边沿平行的同一直线上,该直线到矩形极片Ⅰ的前端边沿的距离为0.3mm,第二A1相过孔的中心与相邻的第二C1相过孔的中心之间的距离为4mm,相邻的第一A1相过孔与第二A1相过孔通过A1相激励信号引线相连,使第4n1+1号矩形极片Ⅰ连接成一组,组成A1激励相,相邻的第一C1相过孔与第二C1相过孔通过C1相激励信号引线相连,使第4n1+3号矩形极片Ⅰ连接成一组,组成C1激励相,A1相激励信号引线与C1相激励信号引线相互绝缘且组成双绞线,该双绞线位于激励电极Ⅰ的前侧;第4n1+2号矩形极片Ⅰ(即第2、6、10、...、598号矩形极片Ⅰ)的后端部各设有1个第一B1相过孔、后侧各设有1个第二D1相过孔,1个第一B1相过孔与1个第二D1相过孔在前后方向对齐,第4n1+4号矩形极片Ⅰ(即第4、8、12、...、600号矩形极片Ⅰ)的后端部各设有1个第一D1相过孔、后侧各设有1个第二B1相过孔,1个第一D1相过孔与1个第二B1相过孔在前后方向对齐,150个第一B1相过孔与150个第一D1相过孔沿测量方向等间距分布,150个第一B1相过孔的中心与150个第一D1相过孔的中心处于与矩形极片Ⅰ的后端边沿平行的同一直线上,该直线到矩形极片Ⅰ的后端边沿的距离为0.3mm,第一B1相过孔的中心与相邻的第一D1相过孔的中心之间的距离为4mm,150个第二B1相过孔与150个第二D1相过孔沿测量方向等间距分布,150个第二B1相过孔的中心与150个第二D1相过孔的中心处于与矩形极片Ⅰ的后端边沿平行的同一直线上,该直线到矩形极片Ⅰ的后端边沿的距离为0.3mm,第二B1相过孔的中心与相邻的第二D1相过孔的中心之间的距离为4mm,相邻的第一B1相过孔与第二B1相过孔通过B1相激励信号引线相连,使第4n1+2号矩形极片Ⅰ连接成一组,组成B1激励相,相邻的第一D1相过孔与第二D1相过孔通过D1相激励信号引线相连,使第4n1+4号矩形极片Ⅰ连接一组,组成D1激励相,B1相激励信号引线与D1相激励信号引线相互绝缘且组成双绞线,该双绞线位于激励电极Ⅰ的后侧。
激励电极Ⅱ12由一排大小相同、极距为W2=2.0134mm的矩形极片Ⅱ沿测量方向等间距(该间距为1.0067mm)排列组成,每个矩形极片Ⅱ沿测量方向的长度为1.0067mm、沿前后方向的宽度为10mm,激励电极Ⅱ12的对极数M2=149,每相邻的四个矩形极片Ⅱ形成一个对极,则总共有596个矩形极片Ⅱ。n2依次取0至148的所有整数,第4n2+1号矩形极片Ⅱ(即第1、5、9、...、593号矩形极片Ⅱ)的前端部各设有1个第一A2相过孔、前侧各设有1个第二C2相过孔,1个第一A2相过孔与1个第二C2相过孔在前后方向对齐,第4n2+3号矩形极片Ⅱ(即第3、7、11、...、595号矩形极片Ⅱ)的前端部各设有1个第一C2相过孔、前侧各设有1个第二A2相过孔,1个第一C2相过孔与1个第二A2相过孔在前后方向对齐,149个第一A2相过孔与149个第一C2相过孔沿测量方向等间距分布,149个第一A2相过孔的中心与149个第一C2相过孔的中心处于与矩形极片Ⅱ的前端边沿平行的同一直线上,且该直线到矩形极片Ⅱ的前端边沿的距离为0.3mm,第一A2相过孔的中心与相邻的第一C2相过孔的中心之间的距离为4.0268mm,149个第二A2相过孔与149个第二C2相过孔沿测量方向等间距分布,149个第二A2相过孔的中心与149个第二C2相过孔的中心处于与矩形极片Ⅱ的前端边沿平行的同一直线上,且该直线到矩形极片Ⅱ的前端边沿的距离为0.3mm,第二A2相过孔的中心与相邻的第二C2相过孔的中心之间的距离为4.0268mm,相邻的第一A2相过孔与第二A2相过孔通过A2相激励信号引线相连,使第4n2+1号矩形极片Ⅱ连接成一组,组成A2激励相,相邻的第一C2相过孔与第二C2相过孔通过C2相激励信号引线相连,使第4n2+3号矩形极片Ⅱ连接成一组,组成C2激励相,A2相激励信号引线与C2相激励信号引线相互绝缘且组成双绞线,该双绞线位于激励电极Ⅱ的前侧;第4n2+2号矩形极片Ⅱ(即第2、6、10、...、594号矩形极片Ⅱ)的后端部各设有1个第一B2相过孔、后侧各设有1个第二D2相过孔,1个第一B2相过孔与1个第二D2相过孔在前后方向对齐,第4n2+4号矩形极片Ⅱ(即第4、8、12、...、596号矩形极片Ⅱ)的后端部各设有1个第一D2相过孔、后侧各设有1个第二B2相过孔,1个第一D2相过孔与1个第二B2相过孔在前后方向对齐,149个第一B2相过孔与149个第一D2相过孔沿测量方向等间距分布,149个第一B2相过孔的中心与149个第一D2相过孔的中心处于与矩形极片Ⅱ的后端边沿平行的同一直线上,且该直线到矩形极片Ⅱ的后端边沿的距离为0.3mm,第一B2相过孔的中心与相邻的第一D2相过孔的中心之间的距离为4.0268mm,149个第二B2相过孔与149个第二D2相过孔沿测量方向等间距分布,149个第二B2相过孔的中心与149个第二D2相过孔的中心处于与矩形极片Ⅱ的后端边沿平行的同一直线上,且该直线到矩形极片Ⅱ的后端边沿的距离为0.3mm,第二B2相过孔的中心与相邻的第二D2相过孔的中心之间的距离为4.0268mm,相邻的第一B2相过孔与第二B2相过孔通过B2相激励信号引线相连,使第4n2+2号矩形极片Ⅱ连接成一组,组成B2激励相,相邻的第一D2相过孔与第二D2相过孔通过D2相激励信号引线相连,使第4n2+4号矩形极片Ⅱ连接成一组,组成D2激励相,B2相激励信号引线与D2相激励信号引线相互绝缘且组成双绞线,该双绞线位于激励电极Ⅱ的后侧。
接收电极由三个沿测量方向的长为1200mm、沿前后方向的宽为3.5mm的第一、第二、第三矩形接收极片在前后方向上间隔1mm并排组成,第一矩形接收极片131作为第一、第四行波信号的输出电极,第二矩形接收极片132作为第二、第五行波信号的输出电极,第三矩形接收极片133作为第三、第六行波信号的输出电极。
如图1、图3、图4所示,感应电极Ⅰ21、感应电极Ⅱ22和反射电极沿前后方向依次间隔设置,感应电极Ⅱ22和反射电极的起始端都与感应电极Ⅰ21的起始端对齐。
感应电极Ⅰ21与激励电极Ⅰ11正对,感应电极Ⅱ22与激励电极Ⅱ12正对,反射电极与接收电极正对且与感应电极Ⅰ和感应电极Ⅱ相连。
感应电极Ⅰ21由一排大小相同、极距为2.6667mm的感应极片Ⅰ沿测量方向等间距(该间距为1.3333mm)排列组成,该感应极片Ⅰ的形状为[0,4]区间的两条相同的半周期余弦曲线段在起止点与前后两条长度为1.3333mm的直线段围成的封闭图形Ⅰ(即斜余弦形Ⅰ)。每个感应极片Ⅰ沿测量方向的长度为5.3333mm、沿前后方向的宽度为8mm,感应电极Ⅰ21的对极数M3=4,每相邻的三个感应极片Ⅰ形成一个对极,则总共有12个感应极片Ⅰ;n3依次取0至3的所有整数,第3n3+1号感应极片Ⅰ(即第1、4、7、10号感应极片Ⅰ)连成一组,组成A1感应组,第3n3+2号感应极片Ⅰ(即第2、5、8、11号感应极片Ⅰ)连成一组,组成B1感应组,第3n3+3号感应极片Ⅰ(即第3、6、9、12号感应极片Ⅰ)连成一组,组成C1感应组。
感应电极Ⅱ22由一排大小相同、极距为2.6846mm的感应极片Ⅱ沿测量方向等间距(该间距为1.3423mm)排列组成,该感应极片Ⅱ的形状为[0,4.0268]区间的两条相同的半周期余弦曲线段在起止点与前后两条长度为1.3423mm的直线段围成的封闭图形Ⅱ(即斜余弦形Ⅱ)。每个感应极片Ⅱ沿测量方向的长度为5.3691mm、沿前后方向的宽度为8mm,感应电极Ⅱ22的对极数M4=4,每相邻的三个感应极片Ⅱ形成一个对极,则总共有12个感应极片Ⅱ;n4依次取0至3的所有整数,第3n4+1号感应极片Ⅱ(即第1、4、7、10号感应极片Ⅱ)连成一组,组成A2感应组,第3n4+2号感应极片Ⅱ(即第2、5、8、11号感应极片Ⅱ)连成一组,组成B2感应组,第3n4+3号感应极片Ⅱ(即第3、6、9、12号感应极片Ⅱ)连成一组,组成C2感应组。
反射电极由三个沿测量方向的长为48.3223mm、沿前后方向的宽为3.5mm的第一、第二、第三矩形反射极片在前后方向上间隔1mm并排组成,第一矩形反射极片231与A1、A2感应组相连且与第一矩形接收极片131正对,第二矩形反射极片232与B1、B2感应组相连且与第二矩形接收极片132正对,第三矩形反射极片233与C1、C2感应组相连且与第三矩形接收极片133正对。
如图9所示,测量时,动尺2与定尺1相对平行移动,先对激励电极Ⅱ12的A2、B2、C2、D2激励相分别施加相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励电信号,此时激励电极Ⅰ11不工作,激励信号经激励电极Ⅱ12与感应电极Ⅱ22之间的耦合电场,在感应电极Ⅱ22的A2、B2、C2感应组上产生三路同频等幅相位相差120°的行波信号,这三路行波信号经反射电极直接反射回接收电极,在接收电极的第一矩形反射极片231、第二矩形反射极片232、第三矩形反射极片233上分别输出第一、第二、第三行波信号。第一、第二、第三行波信号经硬件电路处理成第一组三路方波信号后,输入FPGA信号处理系统,经数据融合获得第一路位移信号Uo1,并存储此测量结果。然后在1ms内将前述相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励电信号切换到激励电极Ⅰ11的A1、B1、C1、D1激励相上,此时激励电极Ⅱ12不工作,激励信号经激励电极Ⅰ11与感应电极Ⅰ21之间的耦合电场,在感应电极Ⅰ21的A1、B1、C1感应组上产生三路同频等幅相位相差120°的行波信号,这三路行波信号经反射电极直接反射回接收电极,在接收电极的第一矩形反射极片231、第二矩形反射极片232、第三矩形反射极片233上分别输出第四、第五、第六行波信号,第四、第五、第六行波信号经硬件电路处理成第二组三路方波信号后,输入FPGA信号处理系统,经数据融合获得第二路位移信号Uo2,对Uo2进行处理得到精测直线位移值;对Uo2与Uo1进行对极定位处理,得到粗测对极位置值,将精测直线位移值与粗测对极位置值相结合得到绝对直线位移值。
实施例2:如图5至图9所示的分时复用的绝对式时栅直线位移传感器,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:
激励电极Ⅱ12由一排大小相同、极距为W2=2.3622mm的矩形极片Ⅱ沿测量方向等间距(该间距为1.1811mm)排列组成,每个矩形极片Ⅱ沿测量方向的长度为1.1811mm、沿前后方向的宽度为10mm,激励电极Ⅱ12的对极数M2=127(127与激励电极Ⅰ11的对极数150互为两个不相邻的质数),每相邻的四个矩形极片Ⅱ形成一个对极,则总共有508个矩形极片Ⅱ。n2依次取0至127的所有整数,第4n2+1号矩形极片Ⅱ(即第1、5、9、...、505号矩形极片Ⅱ)的前端部各设有1个第一A2相过孔、前侧各设有1个第二C2相过孔,1个第一A2相过孔与1个第二C2相过孔在前后方向对齐,第4n2+3号矩形极片Ⅱ(即第3、7、11、...、507号矩形极片Ⅱ)的前端部各设有1个第一C2相过孔、前侧各设有1个第二A2相过孔,1个第一C2相过孔与1个第二A2相过孔在前后方向对齐,127个第一A2相过孔与127个第一C2相过孔沿测量方向等间距分布,127个第一A2相过孔的中心与127个第一C2相过孔的中心处于与矩形极片Ⅱ的前端边沿平行的同一直线上,且该直线到矩形极片Ⅱ的前端边沿的距离为0.3mm,第一A2相过孔的中心与相邻的第一C2相过孔的中心之间的距离为4.7244mm,127个第二A2相过孔与127个第二C2相过孔沿测量方向等间距分布,127个第二A2相过孔的中心与127个第二C2相过孔的中心处于与矩形极片Ⅱ的前端边沿平行的同一直线上,且该直线到矩形极片Ⅱ的前端边沿的距离为0.3mm,第二A2相过孔的中心与相邻的第二C2相过孔的中心之间的距离为4.7244mm,相邻的第一A2相过孔与第二A2相过孔通过A2相激励信号引线相连,使第4n2+1号矩形极片Ⅱ连接成一组,组成A2激励相,相邻的第一C2相过孔与第二C2相过孔通过C2相激励信号引线相连,使第4n2+3号矩形极片Ⅱ连接成一组,组成C2激励相,A2相激励信号引线与C2相激励信号引线相互绝缘且组成双绞线,该双绞线位于激励电极Ⅱ的前侧;第4n2+2号矩形极片Ⅱ(即第2、6、10、...、506号矩形极片Ⅱ)的后端部各设有1个第一B2相过孔、后侧各设有1个第二D2相过孔,1个第一B2相过孔与1个第二D2相过孔在前后方向对齐,第4n2+4号矩形极片Ⅱ(即第4、8、12、...、508号矩形极片Ⅱ)的后端部各设有1个第一D2相过孔、后侧各设有1个第二B2相过孔,1个第一D2相过孔与1个第二B2相过孔在前后方向对齐,127个第一B2相过孔与127个第一D2相过孔沿测量方向等间距分布,127个第一B2相过孔的中心与127个第一D2相过孔的中心处于与矩形极片Ⅱ的后端边沿平行的同一直线上,且该直线到矩形极片Ⅱ的后端边沿的距离为0.3mm,第一B2相过孔的中心与相邻的第一D2相过孔的中心之间的距离为4.7244mm,127个第二B2相过孔与127个第二D2相过孔沿测量方向等间距分布,127个第二B2相过孔的中心与127个第二D2相过孔的中心处于与矩形极片Ⅱ的后端边沿平行的同一直线上,且该直线到矩形极片Ⅱ的后端边沿的距离为0.3mm,第二B2相过孔的中心与相邻的第二D2相过孔的中心之间的距离为4.7244mm,相邻的第一B2相过孔与第二B2相过孔通过B2激励信号引线相连,使第4n2+2号矩形极片Ⅱ连接成一组,组成B2激励相,相邻的第一D2相过孔与第二D2相过孔通过D2相激励信号引线相连,使第4n2+4号矩形极片Ⅱ连接成一组,组成D2激励相,B2相激励信号引线与D2相激励信号引线相互绝缘且组成双绞线,该双绞线位于激励电极Ⅱ的后侧。
感应电极Ⅰ21由一排大小相同、极距为2.6667mm的感应极片Ⅰ沿测量方向等间距(该间距为1.3333mm)排列组成,该感应极片Ⅰ的形状为[0,4]区间的两条相同的半周期余弦曲线段在起止点与前后两条长度为1.3333mm的直线段围成的封闭图形Ⅰ(即斜余弦形Ⅰ)。每个感应极片Ⅰ沿测量方向的长度为5.3333mm、沿前后方向的宽度为8mm,感应电极Ⅰ21的对极数M3=5,每相邻的三个感应极片Ⅰ形成一个对极,则总共有15个感应极片Ⅰ;n3依次取0至4的所有整数,第3n3+1号感应极片Ⅰ(即第1、4、7、10、13号感应极片Ⅰ)连成一组,组成A1感应组,第3n3+2号感应极片Ⅰ(即第2、5、8、11、14号感应极片Ⅰ)连成一组,组成B1感应组,第3n3+3号感应极片Ⅰ(即第3、6、9、12、15号感应极片Ⅰ)连成一组,组成C1感应组。
感应电极Ⅱ22由一排大小相同、极距为3.1496mm的感应极片Ⅱ沿测量方向等间距(该间距为1.5748mm)排列组成,该感应极片Ⅱ的形状为[0,4.7244]区间的两条相同的半周期余弦曲线段在起止点与前后两条长度为1.5748mm的直线段围成的封闭图形Ⅱ(即斜余弦形Ⅱ)。每个感应极片Ⅱ沿测量方向的长度为6.2992mm、沿前后方向的宽度为8mm,感应电极Ⅱ22的对极数M4=4,每相邻的三个感应极片Ⅱ形成一个对极,则总共有12个感应极片Ⅱ;n4依次取0至3的所有整数,第3n4+1号感应极片Ⅱ(即第1、4、7、10号感应极片Ⅱ)连成一组,组成A2感应组,第3n4+2号感应极片Ⅱ(即第2、5、8、11号感应极片Ⅱ)连成一组,组成B2感应组,第3n4+3号感应极片Ⅱ(即第3、6、9、12号感应极片Ⅱ)连成一组,组成C2感应组。