CN114061427A - 具有空间耦合传感结构的时栅角位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有空间耦合传感结构的时栅角位移传感器，包括传感单元Ⅰ和传感单元Ⅱ，传感单元Ⅰ由转子Ⅰ和激励电极Ⅰ组成，传感单元Ⅱ由转子Ⅱ和激励电极Ⅱ组成，激励电极Ⅰ、激励电极Ⅱ间隔设在定子的基体上表面，转子Ⅰ的基体下表面设有感应电极Ⅰ，转子Ⅱ的基体下表面设有感应电极Ⅱ，转子Ⅰ、转子Ⅱ与定子同轴安装，并留有间隙，转子Ⅰ与转子Ⅱ处于同一安装平面且能相对独立转动，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。本发明能应用于同心共轴的双轴系统，解决这类系统中普遍采用上下或者内外安装方式的两个传感器同心度难以保证、或者采用多个读数头的安装一致性难以保证等问题。
Description
技术领域
本发明涉及精密角位移传感器，具体涉及一种具有空间耦合传感结构的时栅角位移传感器。
背景技术
在超精密计量领域，角度自标定是一项重要的技术，德国和日本处于国际领先水平。德国角度自标定技术的核心测量器件是“1个圆光栅+16个读数头”，其中16个读数头分布在同一平面的同一个圆周上，在实际的安装过程中多个读数头很难保证安装在同一平面的同一个圆周上。日本角度自标定技术的核心测量器件是“2个圆光栅+6个读数头”，其中一个圆光栅定子与一个测头安装在轴线上方，另一个圆光栅定子和剩余的5个读数头安装在轴线的下方，同样下面一个圆光栅的多个读数头很难保证安装在同一平面的同一个圆周上，其次两个圆光栅很难保证安装在同一轴心线上。目前在实际的计量中一种采用的是1个传感器+多个读数头的方式；另一种是采用2个传感器+多个读数头的方式，这些方式很难保证多个读数头在同一平面的同一个圆周上，同时也很难保证两个传感器安装的同轴性。
在半导体制造设备、高档数控机床等超精密加工领域，都会用到同心共轴的双轴系统，目前大多采用的是“1个传感器+多个读数头”的方式，或者直接采用多个读数头的2个传感器，其传感器的安装都会存在如下问题：(1)多个读数头安装的一致性很难保证；(2)两个传感器的同轴性很难保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有空间耦合传感结构的时栅角位移传感器，以应用于同心共轴的双轴系统，解决这类系统中普遍采用上下或者内外安装方式的两个传感器同心度难以保证、或者采用多个读数头的安装一致性难以保证的问题。
本发明所述的具有空间耦合传感结构的时栅角位移传感器，包括传感单元Ⅰ和传感单元Ⅱ，传感单元Ⅰ由转子Ⅰ和激励电极Ⅰ组成，传感单元Ⅱ由转子Ⅱ和激励电极Ⅱ组成，激励电极Ⅰ、激励电极Ⅱ间隔设在定子的基体上表面，转子Ⅰ的基体下表面设有感应电极Ⅰ，转子Ⅱ的基体下表面设有感应电极Ⅱ，转子Ⅰ、转子Ⅱ与定子同轴安装，并留有间隙，转子Ⅰ与转子Ⅱ处于同一安装平面且能相对独立转动，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；测量时，转子Ⅰ和/或转子Ⅱ与定子相对平行转动，对激励电极Ⅰ、激励电极Ⅱ施加正弦激励电信号，传感单元Ⅰ中的感应电极Ⅰ输出第一组正弦行波信号和/或传感单元Ⅱ中的感应电极Ⅱ输出第二组正弦行波信号，两组正弦行波信号经信号处理后输出转子Ⅰ相对于定子的角位移值和/或转子Ⅱ相对于定子的角位移值。
优选的，所述激励电极Ⅰ由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片Ⅰ沿圆周方向等间隔排布组成，第4nC+1号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成A1激励电极组，第4n1+2号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成B1激励电极组，第4n1+3号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成C1激励电极组，第4n1+4号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成D1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Ⅰ的对极数；所述激励电极Ⅱ由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片Ⅱ沿圆周方向等间隔排布组成，第4n2+1号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成A2激励电极组，第4n2+2号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成B2激励电极组，第4n2+3号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成C2激励电极组，第4n2+4号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成D2激励电极组，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。
优选的，所述感应电极Ⅰ由一圈相同的感应极片Ⅰ沿圆周方向等间隔排布组成，第3n3+1号感应极片Ⅰ连成一组，组成A1感应电极组，第3n3+2号感应极片Ⅰ连成一组，组成B1感应电极组，第3n3+3号感应极片Ⅰ连成一组，组成C1感应电极组，n3依次取0至M1-1的所有整数；所述感应电极Ⅱ由一圈相同的感应极片Ⅱ沿圆周方向等间隔排布组成，第3n4+1号感应极片Ⅱ连成一组，组成A2感应电极组，第3n4+2号感应极片Ⅱ连成一组，组成B2感应电极组，第3n4+3号感应极片Ⅱ连成一组，组成C2感应电极组，n4依次取0至M2-1的所有整数。
优选的，所述感应极片Ⅰ的形状为极坐标下的
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同心的内外圆弧相交而围成的封闭图形Ⅰ(即斜余弦形Ⅰ)，所述内圆弧所对的圆心角(也是两条相同的半周期余弦曲线段的起始点所夹的圆心角)为
所述感应极片Ⅱ的形状为极坐标下的
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同心的内外圆弧相交而围成的封闭图形Ⅱ(即斜余弦形Ⅱ)，所述内圆弧所对的圆心角(也是两条相同的半周期余弦曲线段的起始点所夹的圆心角)为
本发明具有如下效果：
(1)转子Ⅰ与激励电极Ⅰ组成传感单元Ⅰ，转子Ⅱ与激励电极Ⅱ组成传感单元Ⅱ，传感单元Ⅰ与传感单元Ⅱ既可以同时工作测量一个被测对象的角位移，也可以独立工作测量两个被测对象的角位移，通用性好。
(2)激励电极Ⅰ、激励电极Ⅱ分布在同一个定子的基体上，而不是由两个独立的传感器或多个读数头通过安装组成；同心度和一致性的控制不是通过机械安装和调整来实现，而是直接通过精密的制造工艺保证，利用制造将传感单元Ⅰ与传感单元Ⅱ自身的轴系融为了一体，解决了安装带来两个传感器不同心以及多个读数头存在差异性等问题；可以广泛应用于同心共轴的双轴系统，比如高精度双轴转台上。
(3)传感单元Ⅰ与传感单元Ⅱ可以互相作为参考，利用等分平均法、全组合测量法等自标定技术实现交叉校准，从而提高两个传感单元的测量精度。
附图说明
图1为实施例中定子、转子Ⅰ、转子Ⅱ的结构示意图。
图2为实施例中转子Ⅰ、转子Ⅱ与转定子的对应关系示意图。
图3为实施例中测量时的信号处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
如图1、图2所示的具有空间耦合传感结构的时栅角位移传感器，包括传感单元Ⅰ和传感单元Ⅱ，传感单元Ⅰ由转子Ⅰ1和激励电极Ⅰ31组成，传感单元Ⅱ由转子Ⅱ2和激励电极Ⅱ32组成，激励电极Ⅰ31、激励电极Ⅱ32间隔设在定子3的基体上表面，激励电极Ⅱ32位于激励电极Ⅰ31内侧，转子Ⅰ1的基体下表面设有感应电极Ⅰ11，转子Ⅱ2的基体下表面的感应电极Ⅱ21；转子Ⅰ1、转子Ⅱ2和定子3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。转子Ⅰ1、转子Ⅱ2与定子3同轴安装，且转子Ⅰ1与转子Ⅱ2处于同一安装平面，能相对独立转动，转子Ⅰ1的基体下表面、转子Ⅱ2的基体下表面与定子3的基体上表面正对平行，并留有0.5mm间隙。
如图1、图2所示，激励电极Ⅰ31由一圈内圆半径为27mm、径向高度为9mm、圆心角为3.4615°的扇环形极片Ⅰ沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个扇环形极片Ⅰ之间间隔的圆心角)为3.4165°，激励电极Ⅰ11的对极数M1＝13，每相邻的四个扇环形极片Ⅰ形成一个对极，则总共有52个扇环形极片Ⅰ；其中，沿圆周顺时针方向第4n1+1号扇环形极片Ⅰ(即第1、5、9、...、49号扇环形极片Ⅰ)连成一组，组成A1激励电极组，第4n1+2号扇环形极片Ⅰ(即第2、6、10、...、50号扇环形极片Ⅰ)连成一组，组成B1激励电极组，第4n1+3号扇环形极片Ⅰ(即第3、7、11、...、51号扇环形极片Ⅰ)连成一组，组成C1激励电极组，第4n1+4号扇环形极片Ⅰ(即第4、8、12、...、52号扇环形极片Ⅰ)连成一组，组成D1激励电极组，n1依次取0至12的所有整数。激励电极Ⅱ32由一圈内圆半径为12mm、径向高度为9mm、圆心角为3.75°的扇环形极片Ⅱ沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个扇环形极片Ⅱ之间间隔的圆心角)为3.75°，激励电极Ⅱ32的对极数M2＝12，每相邻的四个扇环形极片Ⅱ形成一个对极，则总共有48个扇环形极片Ⅱ；其中，沿圆周顺时针方向第4n2+1号扇环形极片Ⅱ(即第1、5、9、...、45号扇环形极片Ⅱ)连成一组，组成A2激励电极组，第4n2+2号扇环形极片Ⅱ(即第2、6、10、...、46号扇环形极片Ⅱ)连成一组，组成B2激励电极组，第4n2+3号扇环形极片Ⅱ(即第3、7、11、...、47号扇环形极片Ⅱ)连成一组，组成C2激励电极组，第4n2+4号扇环形极片Ⅱ(即第4、8、12、...、48号扇环形极片Ⅱ)连成一组，组成D2激励电极组，n2依次取0至11的所有整数。
如图1、图2所示，感应电极Ⅰ11与激励电极Ⅰ31正对，感应电极Ⅱ21与激励电极Ⅱ32正对。
感应电极Ⅰ11由一圈相同的感应极片Ⅰ沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个感应极片Ⅰ之间间隔的圆心角)为4.6154°，感应电极Ⅰ11的对极数为13，每相邻的三个感应极片Ⅰ形成一个对极，则总共有39个感应极片Ⅰ，感应极片Ⅰ的形状为极坐标下的[0,13.8462°]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Ⅰ(即斜余弦形Ⅰ)，两条相同的半周期余弦曲线段的起始点所夹的圆心角为4.6154°(即内圆弧所对的圆心角为4.6154°)，内圆弧的半径为27.5mm，外圆弧的半径为35.5mm，每个感应极片Ⅰ的径向高度为8mm。n3依次取0至12的所有整数，沿圆周顺时针方向第3n3+1号感应极片Ⅰ(即第1、4、7、...、37号感应极片Ⅰ)通过第一条感应信号连接线连成一组，组成A1感应电极组，第3n3+2号感应极片Ⅰ(即第2、5、8、...、38号感应极片Ⅰ)通过第二条感应信号连接线连成一组，组成B1感应电极组，第3n3+3号感应极片Ⅰ(即第3、6、9、...、39号感应极片Ⅰ)通过第三条感应信号连接线连成一组，组成C1感应电极组。
感应电极Ⅱ21由一圈相同的感应极片Ⅱ沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个感应极片Ⅱ之间间隔的圆心角)为5°，感应电极Ⅱ21的对极数为12，每相邻的三个感应极片Ⅱ形成一个对极，则总共有36个感应极片Ⅱ，感应极片Ⅱ的形状为极坐标下的[0,15°]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Ⅱ(即斜余弦形Ⅱ)，两条相同的半周期余弦曲线段的起始点所夹的圆心角为5°(即内圆弧所对的圆心角为5°)，内圆弧的半径为12.5mm，外圆弧的半径为20.5mm，每个感应极片Ⅱ的径向高度为8mm。n4依次取0至11的所有整数，沿圆周顺时针方向第3n4+1号感应极片Ⅱ(即第1、4、7、...、34号感应极片Ⅱ)通过第四条感应信号连接线连成一组，组成A2感应电极组，第3n4+2号感应极片Ⅱ(即第2、5、7、...、35号感应极片Ⅱ)通过第五条感应信号连接线连成一组，组成B2感应电极组，第3n4+3号感应极片Ⅱ(即第3、6、9、...、36号感应极片Ⅱ)通过第六条感应信号连接线连成一组，组成C2感应电极组。
如果只使用传感单元Ⅰ来测量转子Ⅰ1相对于定子3的角位移值，则测量时，转子Ⅰ1与定子3相对平行转动，对A1、B1、C1、D1激励电极组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，在感应电极Ⅰ11的A1、B1、C1感应电极组上产生并输出三路同频等幅相位相差120°的行波信号(即第一组正弦行波信号)，这三路行波信号经转换电路处理成三路方波信号后，输入FPGA信号处理模块，经数据融合获得第一路位移信号，对第一路位移信号进行转换，得到转子Ⅰ1相对于定子3的角位移值。
如果只使用传感单元Ⅱ来测量转子Ⅱ2相对于定子3的角位移值，则测量时，转子Ⅱ2与定子3相对平行转动，对A2、B2、C2、D2激励电极组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，在感应电极Ⅱ21的A2、B2、C2感应电极组上产生并输出三路同频等幅相位相差120°的行波信号(即第二组正弦行波信号)，这三路行波信号经转换电路处理成三路方波信号后，输入FPGA信号处理模块，经数据融合获得第二路位移信号，对第二路位移信号进行转换，得到转子Ⅱ2相对于定子3的角位移值。
如果传感单元Ⅰ与传感单元Ⅱ组合使用，应用于同心共轴的双轴系统，则测量时，转子Ⅰ1、转子Ⅱ2与定子3相对平行转动，对A1、B1、C1、D1激励电极组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，同时对A2、B2、C2、D2激励电极组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，在感应电极Ⅰ11的A1、B1、C1感应电极组上产生并输出三路同频等幅相位相差120°的行波信号(即第一组正弦行波信号)，在感应电极Ⅱ21的A2、B2、C2感应电极组上产生并输出三路同频等幅相位相差120°的行波信号(即第二组正弦行波信号)，这六路行波信号经转换电路处理成六路方波信号后，输入FPGA信号处理模块，与感应电极Ⅰ11对应的三路方波信号经数据融合获得第一路位移信号，与感应电极Ⅱ21对应的三路方波信号经数据融合获得第二路位移信号，对第一路、第二路位移信号进行转换，得到转子Ⅰ1相对于定子3的角位移值和转子Ⅱ2相对于定子3的角位移值(参见图3)。
另外，上述时栅角位移传感器在实际应用之前，可采用等分平均法和全组合测量法进行自标定来提高传感单元Ⅰ和传感单元Ⅱ的测量精度。
Claims (4)
1.一种具有空间耦合传感结构的时栅角位移传感器，其特征在于：包括传感单元I和传感单元II，传感单元I由转子I(1)和激励电极I(31)组成，传感单元II由转子II(2)和激励电极II(32)组成，激励电极I(31)、激励电极II(32)间隔设在定子(3)的基体上表面，转子I(1)的基体下表面设有感应电极I(11)，转子II(2)的基体下表面设有感应电极II(21)，转子I(1)、转子II(2)与定子(3)同轴安装，并留有间隙，转子I(1)与转子II(2)处于同一安装平面且能相对独立转动，感应电极I(11)与激励电极I(31)正对，感应电极II(21)与激励电极II(32)正对；测量时，转子I(1)和/或转子II(2)与定子(3)相对平行转动，对激励电极I、激励电极II施加正弦激励电信号，传感单元I中的感应电极I(11)输出第一组正弦行波信号和/或传感单元II中的感应电极II(21)输出第二组正弦行波信号，两组正弦行波信号经信号处理后输出转子I(1)相对于定子(3)的角位移值和/或转子II(2)相对于定子(3)的角位移值。
2.根据权利要求1所述的具有空间耦合传感结构的时栅角位移传感器，其特征在于：
所述激励电极I(31)由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片I沿圆周方向等间隔排布组成，第4n1+1号扇环形极片I连成一组，组成A1激励电极组，第4n1+2号扇环形极片I连成一组，组成B1激励电极组，第4n1+3号扇环形极片I连成一组，组成C1激励电极组，第4n1+4号扇环形极片I连成一组，组成D1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I的对极数；
所述激励电极II(32)由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片II沿圆周方向等间隔排布组成，第4n2+1号扇环形极片II连成一组，组成A2激励电极组，第4n2+2号扇环形极片II连成一组，组成B2激励电极组，第4n2+3号扇环形极片II连成一组，组成C2激励电极组，第4n2+4号扇环形极片II连成一组，组成D2激励电极组，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。
3.根据权利要求1或2所述的具有空间耦合传感结构的时栅角位移传感器，其特征在于：
所述感应电极I(11)由一圈相同的感应极片I沿圆周方向等间隔排布组成，第3n3+1号感应极片I连成一组，组成A1感应电极组，第3n3+2号感应极片I连成一组，组成B1感应电极组，第3n3+3号感应极片I连成一组，组成C1感应电极组，n3依次取0至M1-1的所有整数；
所述感应电极II(21)由一圈相同的感应极片II沿圆周方向等间隔排布组成，第3n4+1号感应极片II连成一组，组成A2感应电极组，第3n4+2号感应极片II连成一组，组成B2感应电极组，第3n4+3号感应极片II连成一组，组成C2感应电极组，n4依次取0至M2-1的所有整数。
4.根据权利要求3所述的具有空间耦合传感结构的时栅角位移传感器，其特征在于：
所述感应极片I的形状为极坐标下的
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同心的内外圆弧相交而围成的封闭图形I，所述内圆弧所对的圆心角为
所述感应极片II的形状为极坐标下的
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同心的内外圆弧相交而围成的封闭图形II，所述内圆弧所对的圆心角为
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