CN114061426A - 离散型绝对式时栅角位移传感器 - Google Patents

离散型绝对式时栅角位移传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种离散型绝对式时栅角位移传感器，包括定子和转子，转子的感应电极由精测感应电极和粗测感应电极组成，定子的激励电极由一圈扇环形激励极片沿圆周方向等间隔排布组成，并形成A、B、C、D激励电极组，每个扇环形激励极片都由扇环形精测极片和扇环形粗测极片构成，各个扇环形精测极片的径向高度相等，A、B、C、D激励电极组各自的扇环形粗测极片的圆弧边沿顶点的连线形成极坐标下的四条正弦包络曲线，所有扇环形精测极片组成激励电极精测部，激励电极精测部与精测感应电极正对，所有扇环形粗测极片组成激励电极粗测部，激励电极粗测部与粗测感应电极正对。该传感器结构紧凑简单，可实现高精度绝对角位移测量。

Description

离散型绝对式时栅角位移传感器
技术领域
本发明属于精密角位移传感器领域，具体是一种离散型绝对式时栅角位移传感器。
背景技术
角位移传感器分为增量式和绝对式两种。与增量式相比，绝对式角位移传感器具有开机无需复位，立刻获得绝对角度信息和无累计误差等优势，提高了工作效率和可靠性，因而逐渐成为角位移传感器的发展趋势。目前使用广泛的是绝对式光电编码器，它主要通过编码实现绝对定位，但是编码解码过程复杂。另外，需要利用精密刻线作为空间基准来实现精密测量，但是刻线的宽度受到光学衍射极限的限制。近年来由国内自主研发的时栅位移传感器，采用时间测量空间的方式，不需要进行精密的刻线，能实现精密测量，但采用增量计数方式，仍然存在累计误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种离散型绝对式时栅角位移传感器，以实现绝对角位移测量，同时扩大应用范围。
本发明所述的离散型绝对式时栅角位移传感器，包括定子和与定子同轴安装的转子，转子的基体下表面设有感应电极，定子的基体上表面设有激励电极，转子的基体下表面与定子的基体上表面正对平行，并留有间隙；所述感应电极由精测感应电极和粗测感应电极组成；所述激励电极由一圈圆心角相等的扇环形激励极片沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第4n1+1号扇环形激励极片连成一组，组成A激励电极组，第4n1+2号扇环形激励极片连成一组，组成B激励电极组，第4n1+3号扇环形激励极片连成一组，组成C激励电极组，第4n1+4号扇环形激励极片连成一组，组成D激励电极组，n1依次取0至M1-1的所有整数，M1表示激励电极的对极数；每个扇环形激励极片都由扇环形精测极片和扇环形粗测极片构成，扇环形粗测极片由扇环形精测极片的边沿沿径向延伸一定高度形成，各个扇环形精测极片的径向高度相等，A激励电极组、B激励电极组、C激励电极组、D激励电极组各自的扇环形粗测极片的圆弧边沿顶点的连线形成极坐标下的四条正弦包络曲线，该四条正弦包络曲线的相位依次相差90°；所有扇环形精测极片组成激励电极精测部，激励电极精测部与精测感应电极正对，所有扇环形粗测极片组成激励电极粗测部，激励电极粗测部与粗测感应电极正对；测量时，转子相对定子转动，在A、B、C、D激励电极组上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，精测感应电极输出第一组正弦行波信号，粗测感应电极输出第二组正弦行波信号，第一组正弦行波信号经处理后得到精测角位移值，第二组正弦行波信号经处理后得到粗测对极位置值，将精测角位移值与粗测对极位置值相结合得到转子相对定子的绝对角位移值。
优选的，所述的四条正弦包络曲线的周期都为2π、幅值都为Am。
优选的，所述扇环形粗测极片由扇环形精测极片的边沿沿内侧径向方向延伸一定高度形成，所述的四条正弦包络曲线由A激励电极组、B激励电极组、C激励电极组、D激励电极组各自的扇环形粗测极片的内圆弧边沿顶点的连线形成。
优选的，所述A激励电极组的扇环形粗测极片的径向高度(即A激励电极组的扇环形精测极片的边沿沿内侧径向方向延伸的高度)为：
Figure BDA0002616804470000021
所述B激励电极组的扇环形粗测极片的径向高度(即B激励电极组的扇环形精测极片的边沿沿内侧径向方向延伸的高度)为：
Figure BDA0002616804470000022
所述C激励电极组的扇环形粗测极片的径向高度(即C激励电极组的扇环形精测极片的边沿沿内侧径向方向延伸的高度)为：
Figure BDA0002616804470000023
所述D激励电极组的扇环形粗测极片的径向高度(即D激励电极组的扇环形精测极片的边沿沿内侧径向方向延伸的高度)为：
Figure BDA0002616804470000024
Figure BDA0002616804470000025
其中，i表示激励电极的对极数序号，
Figure BDA00026168044700000213
表示初始相位角。
优选的，所述精测感应电极由一圈相同的精测感应极片沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第3n2+1号精测感应极片连成一组，组成A精测感应电极组，第3n2+2号精测感应极片连成一组，组成B精测感应电极组，第3n2+3号精测感应极片连成一组，组成C精测感应电极组，n2依次取0至M2-1的所有整数，M2表示精测感应电极的对极数，M2＝M1；所述粗测感应电极由三个相同的扇环形粗测感应极片沿圆周方向等间隔排布组成。这种精测感应电极的精测感应极片可以有三种形状：第一种精测感应极片的形状为极坐标下的
Figure BDA0002616804470000026
区间或者
Figure BDA0002616804470000027
区间的两条相同的半周期余弦曲线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的封闭图形(即斜余弦形)，所述的两条相同的半周期余弦曲线段的起始点所夹的圆心角为
Figure BDA0002616804470000028
第二种精测感应极片的形状为沿圆周方向倾斜的两条斜线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的封闭图形(即斜梯形)，所述的两条斜线段的起始点所夹的圆心角为
Figure BDA0002616804470000029
每条斜线段的起止点所夹的圆心角为
Figure BDA00026168044700000210
第三种精测感应极片的形状为极坐标下的
Figure BDA00026168044700000211
区间的两条幅值相等、相位相反的半周期正弦曲线段所围成的封闭图形(即双正弦形)，每个精测感应极片所对的圆心角为
Figure BDA00026168044700000212
优选的，所述精测感应电极由一圈相同的精测感应极片沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第4n3+1号精测感应极片连成一组，组成A精测感应电极组，第4n3+2号精测感应极片连成一组，组成B精测感应电极组，第4n3+3号精测感应极片连成一组，组成C精测感应电极组，第4n3+4号精测感应极片连成一组，组成D精测感应电极组，n3依次取0至 M2-1的所有整数，M2表示精测感应电极的对极数，M2＝M1；所述粗测感应电极由四个相同的扇环形粗测感应极片沿圆周方向等间隔排布组成。这种精测感应电极的精测感应极片也可以有三种形状：第一种精测感应极片的形状为极坐标下的
Figure BDA0002616804470000031
区间或者
Figure BDA0002616804470000032
区间的两条相同的半周期余弦曲线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的封闭图形(即斜余弦形)，所述的两条相同的半周期余弦曲线段的起始点所夹的圆心角为
Figure BDA0002616804470000033
第二种精测感应极片的形状为沿圆周方向倾斜的两条斜线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的封闭图形，所述的两条斜线段的起始点所夹的圆心角为
Figure BDA0002616804470000034
每条斜线段的起止点所夹的圆心角为
Figure BDA0002616804470000035
第三种精测感应极片的形状为极坐标下的
Figure BDA0002616804470000036
区间的两条幅值相等、相位相反的半周期正弦曲线段所围成的封闭图形，每个精测感应极片所对的圆心角为
Figure BDA0002616804470000037
本发明具有如下效果：
(1)激励电极粗测部在激励电极精测部上按正弦规律进行扩展延伸，激励电极粗测部和激励电极精测部巧妙的结合在一起，激励电极高度集成，传感结构紧凑简单，无需复杂的绝对编码，且能很好的保证粗测和精测激励信号的一致性，从而提高了测量精度。
(2)每个激励电极组就是一组按正弦规律调制的“离散激励栅面”的集合，可以近似为一个连续的正弦形激励栅面，加上粗测感应电极采用扇环形，其传感效果等同于激励电极采用扇环形，感应电极采用正弦形的传感器的传感效果。
附图说明
图1为实施例1中定子、转子的电极示意图。
图2为实施例1中定子与转子正对安装的对应关系示意图。
图3为实施例1中激励电极的衍生图。
图4为实施例1中激励电极粗测部各扇环形粗测极片的顶点连线形成的包络曲线图。
图5为实施例1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。
实施例1：如图1至图4所示的离散型绝对式时栅角位移传感器，包括定子2和与定子 2同轴安装的转子1，转子1的基体下表面设有感应电极，定子2的基体上表面设有激励电极，转子1的基体下表面与定子2的基体上表面正对平行，并留有0.5mm间隙，转子1、定子2的基体都采用玻璃作为基材，通过微纳制造工艺在玻璃基材上镀一层导电合金作为电极的极片。
如图1、图2、图3所示，激励电极由一圈外圆弧半径为50mm、圆心角为0.703125°的扇环形激励极片沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个扇环形激励极片之间间隔的圆心角)为0.703125°，激励电极的对极数M1＝64，每相邻的四个扇环形激励极片形成一个对极，则总共有256个扇环形激励极片；n1依次取0至63的所有整数，沿圆周顺时针方向第4n1+1号扇环形激励极片连成一组，组成A激励电极组，第4n1+2 号扇环形激励极片连成一组，组成B激励电极组，第4n1+3号扇环形激励极片连成一组，组成C激励电极组，第4n1+4号扇环形激励极片连成一组，组成D激励电极组；每个扇环形激励极片都由扇环形精测极片和扇环形粗测极片构成，扇环形粗测极片由扇环形精测极片的边沿沿内侧径向方向延伸一定高度形成，各个扇环形精测极片的径向高度相等且为 10mm，各个扇环形粗测极片的外圆弧半径为40mm，A激励电极组的扇环形粗测极片的内圆弧边沿顶点的连线形成极坐标下的第一条正弦包络曲线(即图4中的A所指示的曲线)， B激励电极组的扇环形粗测极片的内圆弧边沿顶点的连线形成极坐标下的第二条正弦包络曲线(即图4中的B所指示的曲线)，C激励电极组的扇环形粗测极片的内圆弧边沿顶点的连线形成极坐标下的第三条正弦包络曲线(即图4中的C所指示的曲线)，D激励电极组的扇环形粗测极片的内圆弧边沿顶点的连线形成极坐标下的第四条正弦包络曲线(即图4中的D所指示的曲线)，第一条、第二条、第三条、第四条正弦包络曲线的周期都为2π、幅值都为10mm，第一条、第二条、第三条、第四条正弦包络曲线的相位依次相差90°，A激励电极组的扇环形粗测极片的径向高度(即A激励电极组的扇环形精测极片的边沿沿内侧径向方向延伸的高度)为：
Figure BDA0002616804470000041
B激励电极组的扇环形粗测极片的径向高度(即B激励电极组的扇环形精测极片的边沿沿内侧径向方向延伸的高度)为：
Figure BDA0002616804470000042
C激励电极组的扇环形粗测极片的径向高度(即C激励电极组的扇环形精测极片的边沿沿内侧径向方向延伸的高度)为：
Figure BDA0002616804470000043
Figure BDA0002616804470000044
D激励电极组的扇环形粗测极片的径向高度(即D激励电极组的扇环形精测极片的边沿沿内侧径向方向延伸的高度)为：
Figure BDA0002616804470000045
其中，i表示激励电极的对极数序号，
Figure 1
表示初始相位角；256个扇环形精测极片组成激励电极精测部21，256 个扇环形粗测极片组成激励电极粗测部22。
如图1、图2所示，感应电极由精测感应电极11和粗测感应电极12组成，粗测感应电极12位于精测感应电极11内侧，精测感应电极11与激励电极精测部21正对，粗测感应电极12与激励电极粗测部22正对。精测感应电极11由一圈相同的精测感应极片沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个精测感应极片之间间隔的圆心角)为0.9375°，精测感应电极Ⅰ11的对极数为64，每相邻的三个精测感应极片形成一个对极，则总共有192个精测感应极片，精测感应极片的形状为极坐标下的[0,2.8125°]区间的两条相同的半周期余弦曲线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的的封闭图形(即斜余弦形)，两条相同的半周期余弦曲线段的起始点所夹的圆心角为0.9375°(即内圆弧所对的圆心角为0.9375°)，内圆弧的半径为41.5mm，外圆弧的半径为48.5mm，每个精测感应极片的径向高度为7mm。n2依次取0至63的所有整数，沿圆周顺时针方向第3n2+1号精测感应极片连成一组，组成A精测感应电极组，第3n2+2号精测感应极片连成一组，组成B精测感应电极组，第3n2+3号精测感应极片连成一组，组成C精测感应电极组。粗测感应电极12由三个相同的扇环形粗测感应极片沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角 (即相邻两个扇环形粗测感应极片之间间隔的圆心角)为0.5°，扇环形粗测感应极片所对的圆心角为119.5°，扇环形粗测感应极片的内圆弧半径为31.5mm、外圆弧半径为38.5mm、径向高度为7mm。
如图5所示，测量时，转子1相对定子2转动，在A、B、C、D激励电极组上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，经激励电极与感应电极之间的耦合电场，精测感应电极11的A、B、C精测感应电极组输出相位相差120°的三路同频等幅正弦行波信号(即第一组正弦行波信号)，粗测感应电极12的三个扇环形粗测感应极片输出相位相差120°的三路同频等幅正弦行波信号(即第二组正弦行波信号)，第一组正弦行波信号经硬件电路处理成方波信号后，输入FPGA信号处理系统，经数据融合获得第一路位移信号Uo1，Uo1经处理后得到精测角位移值；第二组正弦行波信号经硬件电路处理成方波信号后，输入FPGA信号处理系统，经数据融合获得第二路位移信号Uo2，Uo2经处理后得到粗测对极位置值，将精测角位移值与粗测对极位置值相结合得到转子1相对定子2的绝对角位移值。
另外，本实施例中，精测感应极片的形状也可以是沿圆周方向倾斜的两条斜线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的封闭图形(即斜梯形)，两条斜线段的起始点所夹的圆心角为0.9375°，每条斜线段的起止点所夹的圆心角为2.8125°。精测感应极片的形状还可以是极坐标下的[0,0.9375°]区间的两条幅值相等、相位相反的半周期正弦曲线段所围成的封闭图形(即双正弦形)，精测感应极片所对的圆心角为0.9375°。
实施例2：本实施例中的离散型绝对式时栅角位移传感器，其大部分结构与实施例1相同，不同之处在于：精测感应电极11由一圈相同的精测感应极片沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个精测感应极片之间间隔的圆心角)为0.703125°，精测感应电极Ⅰ11的对极数为64，每相邻的四个精测感应极片形成一个对极，则总共有256 个精测感应极片，精测感应极片的形状为极坐标下的[0,2.8125°]区间的两条相同的半周期余弦曲线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的的封闭图形(即斜余弦形)，两条相同的半周期余弦曲线段的起始点所夹的圆心角为0.703125°(即内圆弧所对的圆心角为0.703125°)。n3依次取0至63的所有整数，沿圆周顺时针方向第4n3+1号精测感应极片连成一组，组成A精测感应电极组，第4n3+2号精测感应极片连成一组，组成B精测感应电极组，第4n3+3号精测感应极片连成一组，组成C精测感应电极组，第4n3+4号精测感应极片连成一组，组成D精测感应电极组；粗测感应电极12由四个相同的扇环形粗测感应极片沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个扇环形粗测感应极片之间间隔的圆心角)为0.3°，扇环形粗测感应极片所对的圆心角为89.7°。
测量时，转子1相对定子2转动，在A、B、C、D激励电极组上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，经激励电极与感应电极之间的耦合电场，精测感应电极 11的A、B、C精测感应电极组输出相位相差90°的四路同频等幅正弦行波信号(即第一组正弦行波信号)，粗测感应电极12的四个扇环形粗测感应极片输出相位相差90°的四路同频等幅正弦行波信号(即第二组正弦行波信号)，第一组正弦行波信号经硬件电路处理成方波信号后，输入FPGA信号处理系统，经数据融合获得第一路位移信号Uo1，Uo1经处理后得到精测角位移值；第二组正弦行波信号经硬件电路处理成方波信号后，输入FPGA信号处理系统，经数据融合获得第二路位移信号Uo2，Uo2经处理后得到粗测对极位置值，将精测角位移值与粗测对极位置值相结合得到转子1相对定子2的绝对角位移值。
另外，本实施例中，精测感应极片的形状也可以是沿圆周方向倾斜的两条斜线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的封闭图形(即斜梯形)，两条斜线段的起始点所夹的圆心角为0.703125°，每条斜线段的起止点所夹的圆心角为2.8125°。精测感应极片的形状还可以是极坐标下的[0,0.703125°]区间的两条幅值相等、相位相反的半周期正弦曲线段所围成的封闭图形(即双正弦形)，精测感应极片所对的圆心角为0.703125°。

Claims (8)

1.一种离散型绝对式时栅角位移传感器，包括定子(2)和与定子同轴安装的转子(1)，转子(1)的基体下表面设有感应电极，定子(2)的基体上表面设有激励电极，转子的基体下表面与定子的基体上表面正对平行，并留有间隙；其特征在于：所述感应电极由精测感应电极(11)和粗测感应电极(12)组成；所述激励电极由一圈圆心角相等的扇环形激励极片沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第4n1+1号扇环形激励极片连成一组，组成A激励电极组，第4n1+2号扇环形激励极片连成一组，组成B激励电极组，第4n1+3号扇环形激励极片连成一组，组成C激励电极组，第4n1+4号扇环形激励极片连成一组，组成D激励电极组，n1依次取0至M1-1的所有整数，M1表示激励电极的对极数；每个扇环形激励极片都由扇环形精测极片和扇环形粗测极片构成，扇环形粗测极片由扇环形精测极片的边沿沿径向延伸一定高度形成，各个扇环形精测极片的径向高度相等，A激励电极组、B激励电极组、C激励电极组、D激励电极组各自的扇环形粗测极片的圆弧边沿顶点的连线形成极坐标下的四条正弦包络曲线，该四条正弦包络曲线的相位依次相差90°；所有扇环形精测极片组成激励电极精测部(21)，激励电极精测部(21)与精测感应电极(11)正对，所有扇环形粗测极片组成激励电极粗测部(22)，激励电极粗测部(22)与粗测感应电极(12)正对；
测量时，转子(1)相对定子(2)转动，在A、B、C、D激励电极组上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，精测感应电极(11)输出第一组正弦行波信号，粗测感应电极(12)输出第二组正弦行波信号，第一组正弦行波信号经处理后得到精测角位移值，第二组正弦行波信号经处理后得到粗测对极位置值，将精测角位移值与粗测对极位置值相结合得到转子(1)相对定子(2)的绝对角位移值。
2.根据权利要求1所述的离散型绝对式时栅角位移传感器，其特征在于：所述的四条正弦包络曲线的周期都为2π、幅值都为Am。
3.根据权利要求2所述的离散型绝对式时栅角位移传感器，其特征在于：所述扇环形粗测极片由扇环形精测极片的边沿沿内侧径向方向延伸一定高度形成，所述的四条正弦包络曲线由A激励电极组、B激励电极组、C激励电极组、D激励电极组各自的扇环形粗测极片的内圆弧边沿顶点的连线形成。
4.根据权利要求2或3所述的离散型绝对式时栅角位移传感器，其特征在于：所述A激励电极组的扇环形粗测极片的径向高度为：
Figure FDA0002616804460000011
所述B激励电极组的扇环形粗测极片的径向高度为：
Figure FDA0002616804460000012
所述C激励电极组的扇环形粗测极片的径向高度为：
Figure FDA0002616804460000021
所述D激励电极组的扇环形粗测极片的径向高度为：
Figure FDA0002616804460000022
其中，i表示激励电极的对极数序号，
Figure FDA00026168044600000212
表示初始相位角。
5.根据权利要求1至4任一项所述的离散型绝对式时栅角位移传感器，其特征在于：所述精测感应电极(11)由一圈相同的精测感应极片沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第3n2+1号精测感应极片连成一组，组成A精测感应电极组，第3n2+2号精测感应极片连成一组，组成B精测感应电极组，第3n2+3号精测感应极片连成一组，组成C精测感应电极组，n2依次取0至M2-1的所有整数，M2表示精测感应电极的对极数，M2＝M1；所述粗测感应电极(12)由三个相同的扇环形粗测感应极片沿圆周方向等间隔排布组成。
6.根据权利要求5所述的离散型绝对式时栅角位移传感器，其特征在于：
所述精测感应极片的形状为极坐标下的
Figure FDA0002616804460000023
区间或者
Figure FDA0002616804460000024
区间的两条相同的半周期余弦曲线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的封闭图形，所述的两条相同的半周期余弦曲线段的起始点所夹的圆心角为
Figure FDA0002616804460000025
或者所述精测感应极片的形状为沿圆周方向倾斜的两条斜线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的封闭图形，所述的两条斜线段的起始点所夹的圆心角为
Figure FDA0002616804460000026
每条斜线段的起止点所夹的圆心角为
Figure FDA0002616804460000027
或者所述精测感应极片的形状为极坐标下的
Figure FDA0002616804460000028
区间的两条幅值相等、相位相反的半周期正弦曲线段所围成的封闭图形，每个精测感应极片所对的圆心角为
Figure FDA0002616804460000029
7.根据权利要求1至4任一项所述的离散型绝对式时栅角位移传感器，其特征在于：所述精测感应电极(11)由一圈相同的精测感应极片沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第4n3+1号精测感应极片连成一组，组成A精测感应电极组，第4n3+2号精测感应极片连成一组，组成B精测感应电极组，第4n3+3号精测感应极片连成一组，组成C精测感应电极组，第4n3+4号精测感应极片连成一组，组成D精测感应电极组，n3依次取0至M2-1的所有整数，M2表示精测感应电极的对极数，M2＝M1；所述粗测感应电极(12)由四个相同的扇环形粗测感应极片沿圆周方向等间隔排布组成。
8.根据权利要求7所述的离散型绝对式时栅角位移传感器，其特征在于：
所述精测感应极片的形状为极坐标下的
Figure FDA00026168044600000210
区间或者
Figure FDA00026168044600000211
区间的两条相同的半周期余弦曲线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的封闭图形，所述的两条相同的半周期余弦曲线段的起始点所夹的圆心角为
Figure FDA0002616804460000031
或者所述精测感应极片的形状为沿圆周方向倾斜的两条斜线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的封闭图形，所述的两条斜线段的起始点所夹的圆心角为
Figure FDA0002616804460000035
每条斜线段的起止点所夹的圆心角为
Figure FDA0002616804460000032
或者所述精测感应极片的形状为极坐标下的
Figure FDA0002616804460000033
区间的两条幅值相等、相位相反的半周期正弦曲线段所围成的封闭图形，每个精测感应极片所对的圆心角为
Figure FDA0002616804460000034
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