CN117404998A - 一种电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器，所述传感器包括定子和动子，所述定子套在所述动子内，所述定子包括定子基体和激励电极阵列，所述动子包括动子基体和感应电极阵列，当动子相对定子移动，角位移与直线位移感应信号拾取阵列经逻辑电路输出信号U_X和U_Y，由F_X、F_Y感应组的输出信号φ_X和φ_Y的差异来判断维度运动方向，由Z_X、Z_Y感应组的输出信号U_F1、U_F2、U_F3、U_F4来判断单维度方向的正负，由将U_X、U_Y行波信号分别与同频率参考信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到动子相对定子在圆周方向的角位移或轴向的直线位移。结构简单，测量分辨率高，易批量制造，成本低等优势。

Description

一种电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器

技术领域

本发明属于精密测量传感器技术领域，具体涉及一种电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器。

背景技术

随着全球掀起工业制造业升级转型的巨浪，单一功能的传感器已不能满足需求，多功能测量传感器需求随之攀升，如数控定位台、显微镜载物台和机械臂等在进行调节位置时都需要精确的角位移和直线位移。现有关于实现角位移和直线位移同时测量的方法为安装两个传感器，一个用于角位移测量，另一个用于直线位移测量，这种安装方式使测量系统的结构更复杂，成本增加，且抗干扰能力差，易受到工作环境干扰的影响，给测量带来阿贝误差与安装定位误差，并且某些情况下不具备安装两个传感器的条件。因此研究一种多功能、高精度、结构简单的位移传感器迫在眉睫。

近年来国内研制出一种采用时钟脉冲作为位移测量基准的提高位移测量精度和分辨力的时栅直线位移传感器。目前基于时栅原理研制的角位移传感器和直线位移传感器已趋于成熟，其产品已进入市场，并且对二维平面直线位移传感器的研究也取得了一些成果，但对于能同时实现角位移测量和直线位移测量的传感器研究还处于空白。因此研制一种结构简单且高精度的能同时实现角位移测量和直线位移测量的传感器是有必要的。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器，定子基体上采用特殊空间排布的激励极片产生沿圆周方向和轴向均匀分布的重复性交变电场，动子基体上采用特殊形状及排布阵列的感应极片来抑制位移感应信号谐波成分，提高测量精度，简化传感器结构，降低制造成本。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器包括：定子基体和动子基体，所述定子基体套在所述动子基体内，且与所述动子基体同轴安装并留有间隙，所述定子基体的外圆柱柱面上设有激励电极阵列，所述动子基体的内圆柱柱面上设有感应电极阵列，设定圆周方向记为X方向，沿圆周方向排布的极片称为行，轴向记为Y方向，沿轴向排布的极片称为列，其特征在于：

所述激励电极阵列由沿着X方向和Y方向均匀等间距布置的边长为L_e1的正方形激励极片组成，其中沿X方向的奇数行激励极片串连构成正弦极片或余弦极片，奇数列不布置极片；沿X方向的偶数行激励极片串连构成余弦极片或正弦极片，偶数列不布置极片，所述激励电极阵列的激励极片共设置m₁行、m₂列；

所述感应电极阵列包括角位移与直线位移判断阵列、位移方向判断阵列、角位移与直线位移感应信号拾取阵列；

所述角位移与直线位移判断阵列分为由多个正方形极片和多个长方形极片组成的F_X感应组和F_Y感应组，F_X感应组由一个正方形极片和两个沿Y方向长度不变，沿X轴长度减半的长方形极片构成，F_X感应组包括D_X1、D_X2、D_X3；F_Y感应组由一个正方形极片和两个沿X轴长度不变，沿Y轴长度减半的长方形极片构成，F_Y感应组包括D_Y1、D_Y2、D_Y3；在F_X感应组中：极片D_X1与D_X2起始位置相差L_i1+L_i2+L_i5，极片D_X1与D_X3起始位置相差L_i1+L_i5；在F_Y感应组中：极片D_Y1与D_Y3起始位置相差L_i1+L_i2+L_i5，极片D_Y1与D_Y2起始位置相差L_i1+L_i5；而在F_X感应组与F_Y感应组中：极片D_X2与D_Y3起始位置相差L_i2+NL_i5其中，N取1、2、3、4……k，用以判断角位移与直线位移运动；

所述位移方向判断阵列包含X₂₁、X₂₂、X₂₃、X₂₄组成的Z_X感应组和Y₂₁、Y₂₂、Y₂₃、Y₂₄组成的Z_Y感应组，X₂₁与X₂₂、X₂₃与X₂₄感应极片按X方向的起始位置相差为jW+L_i1+L_i6，其中j＝0、1、2、3……k，X₂₁与X₂₃、X₂₂与X₂₄感应极片沿Y方向起始位置相差为L_i1+L_i4，Y₂₁与Y₂₂、Y₂₃与Y₂₄感应极片按Y方向的起始位置相差为jW+L_i1+L_i6，其中j＝0、1、2、3……k，Y₂₁与Y₂₃、Y₂₂与Y₂₄感应极片沿X方向起始位置相差为L_i1+L_i4，用以判断位移方向的正负；

所述角位移与直线位移感应信号拾取阵列包括分别沿X方向、Y方向布置的MX、MY感应阵列，其中，用于测量角位移的为MX感应阵列，MX感应阵列分为由X₁₁、X₁₃、X₁₅、X₁₇极片构成MX₁感应组和X₁₂、X₁₄、X₁₆、X₁₈极片构成MX₂感应组；用于测量直线位移的为MY感应阵列，MY感应阵列分为由Y₁₁、Y₁₃、Y₁₅、Y₁₇极片构成MY₁感应组和Y₁₂、Y₁₄、Y₁₆、Y₁₈极片构成MY₂感应组；X₁₁极片和X₁₃极片、X₁₅极片和X₁₇极片按X方向以及Y₁₁极片和Y₁₃极片、Y₁₅极片和Y₁₇极片按Y轴方向的起始位置相差均为jW+L_i1+L_i3；X₁₁极片和X₁₅极片、X₁₃极片和X₁₇极片按Y轴方向以及Y₁₁极片和Y₁₅极片、Y₁₃极片和Y₁₇极片按X轴方向的起始位置相差均为jW+L_i1+L_i4；X₁₁极片和X₁₂极片、X₁₅极片和X₁₆极片按X轴方向以及Y₁₁极片和Y₁₂极片、Y₁₅极片和Y₁₆极片按Y轴方向的起始位置相差均为jW+L_i1+L_i5；

测量时，对定子基体外圆柱柱面上的正弦、余弦激励组分别施加四路同频等幅、相位依次相差90°的正弦电压激励信号，当动子基体相对定子基体移动时，MX₁、MX₂感应组、MY₁、MY₂感应组分别产生U_X1、U_X2、U_Y1、U_Y2四路电信号，根据F_X感应组和F_Y感应组的输出信号φ_X和φ_Y的差异来判断运动方向，再根据Z_X感应组的输出信号U_F1、U_F2，Z_Y感应组的输出信号U_F3、U_F4通过辨向电路判断单维度方向的正负，最后将MX感应阵列输出的两路差动感应信号U_X1和U_X2经逻辑电路输出带有角位移信息的行波信号U_X，将MY感应阵列输出的两路差动感应信号U_Y1和U_Y2经逻辑电路输出带有直线位移信息的行波信号U_Y，又将U_X、U_Y行波信号分别与同频率参考信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到动子基体相对定子基体运动的角位移或直线位移。

优选地，所述余弦激励组包括A激励组和D激励组，所述A激励组包括相连的A1激励组和A2激励组，所述A1激励组为编号为C_4n1+2,4n2+1的正方形激励极片相连而成，所述A2激励组为编号为C_4n1+4,4n2+3的正方形激励极片相连而成，所述D激励组包括相连的D1激励组和D2激励组，所述D1激励组为编号为C_4n1+4,4n2+1的正方形激励极片相连而成，所述D2激励组为编号为C_4n1+2,4n2+3的正方形激励极片相连而成；所述正弦激励组包括B激励组和E激励组，所述B激励组包括相连的B1激励组和B2激励组，所述B1激励组为编号为C_4n1+1,4n2+2的正方形激励极片相连而成，所述B2激励组为编号为C_4n1+3,4n2+4的正方形激励极片相连而成，所述E激励组包括相连的E1激励组和E2激励组，所述E1激励组为编号为C_4n1+3,4n2+2的正方形激励极片相连而成，所述E2激励组为编号为C_4n1+1,4n2+4的正方形激励极片相连而成，其中，C_a，b表示激励极片，B_a，b表示相邻两个激励极片之间的间隙，距离为L_e2，a和b分别代表X方向坐标和Y方向坐标，a＝4n1+i，b＝4n2+i，i取1或2或3或4，n1依次取0至M₁-1的所有整数，M₁表示X方向激励极片的总对极数，n2依次取0至M₂-1的所有整数，M₂表示Y方向激励极片的总对极数。X方向或Y方向的一个对极由4个来自A、B、D、E激励组中相邻的激励极片组成，对极的宽度为W，一个极距W对应的圆周角为P，定子基体外圆柱面的周长为l_c＝2πr₁＝n₃W，r₁为定子基体外半径，n₃取1、2、3、4……k。

优选地，所述角位移与直线位移感应信号拾取阵列的极片为多个长度和宽度均为L_i1的正方形感应极片组成。

优选地，所述角位移与直线位移感应信号拾取阵列的极片为多个正弦极片组成，正弦极片是由两个半正弦沿底部镜像拼接而成，正弦极片的半周期空间宽度为L_i1，半周期空间高度为L_i1。

优选地，所述角位移与直线位移感应信号拾取阵列的极片为多个半径为L_i1/2的圆形极片组成。

优选地，所述角位移与直线位移判断阵列中的F_X感应组和F_Y感应组均由一个边长为L_i1正方形极片和两个沿Y轴或X轴长度为L_i1，沿X轴或Y轴长度为L_i1/2的长方形极片构成。

优选地，所述位移方向判断阵列中Z_X感应组和Z_Y感应组的极片为多个长度和宽度均为L_i1的正方形感应极片组成。

优选地，所述位移方向判断阵列中Z_X感应组和Z_Y感应组的极片为多个正弦极片组成，正弦极片是由两个半正弦沿底部镜像拼接而成，正弦极片的半周期空间宽度为L_i1，半周期空间高度为L_i1。

优选地，所述位移方向判断阵列中Z_X感应组和Z_Y感应组的极片为多个半径为L_i1/2的圆形极片组成。

优选地，所述U_X、U_Y行波信号分别与同频率参考信号经整形电路整形成方波后，再进行比相。

有益效果：本发明采用正方形激励极片错位排布的方式实现对圆周方向和轴向同时进行编码，沿X方向(圆周方向)两个感应组MX₁、MX₂构成一个差动结构，沿Y方向(轴向)两个感应组MY₁、MY₂构成一个差动结构，当感应组输出信号时，通过逻辑电路对差动信号作差的方式消除共模干扰，从而进一步提高了抗干扰能力；通过特殊的极片形状和排布方式简化了传感器结构；使用PCB制造技术，不依赖超精密制造工艺，降低了制造成本。

附图说明

图1为本发明实施例1的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1的动子基体的局部剖视图；

图3为本发明实施例1的剖面结构尺寸示意图；

图4为本发明实施例1的定子沿圆周方向展开示意图；

图5为本发明实施例1的动子沿圆周方向展开示意图；

图6为本发明实施例1的信号处理原理框图；

图7为本发明实施例2的动子沿圆周方向展开示意图；

图8为本发明实施例3的动子沿圆周方向展开示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、定子基体；11、激励电极阵列；2、动子基体；22、感应电极阵列。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

下面结合附图1-8所示，对本发明作详细说明。3个不同实施例中定子结构、动子中角位移与直线位移判断阵列中的F_X感应组和F_Y感应组均一致。3个不同实施例的区别在于：动子中MX感应信号拾取阵列、MY感应信号拾取阵列、以及位移方向判断阵列Z_X、Z_Y的极片形状，即实施例1中为正方形极片，实施例2中为由两个半正弦极片沿底部镜像拼接而成的正弦极片，实施例3中为圆形极片。现分别说明如下：

实施例1：所述的一种电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器，包括定子基体1和动子基体2，定子基体1和动子基体2同轴安装，沿径向留有间隙d＝0.4mm。

为方便表述，对定子沿圆周方向展开进行说明，并将圆周方向记为X方向，沿圆周方向排布的极片称为行，轴向记为Y方向，沿轴向排布的极片称为列，如图4所示，定子基体外表面设置有16行正方形激励极片(即m₁＝16，M₁＝4)，每行都由大小相同的8个正方形激励极片均匀排布组成，总共16列(即m₂＝16，M₂＝4)。一个正方形激励极片的宽度L_e1为2.8mm，相邻两个正方形激励极片间隔的距离L_e2取3.2mm，相邻两行或两列的激励极片所间隔的距离L_e3取0.2mm，即图3中的参数为：θ₁＝21°，θ₂＝1.5°,圆周方向一个极距角P＝90°，r₁＝7.64mm,r₂＝8.04mm，感应极片尺寸L_i1为2.9mm。奇数行(或奇数列)激励极片沿相同方向的起始位置相同，偶数行(或偶数列)的激励极片沿相同方向的起始位置相同，奇数行(或奇数列)激励极片的起始位置与偶数行(或偶数列)激励极片的起始位置在相同方向上错开L_e2。

对定子基体1上排布的极片进行编号，如图4所示，用C_a，b表示激励极片，B_a，b表示相邻两个激励极片之间的间隙，a和b分别代表X轴坐标和Y轴坐标(a＝4n1+i，b＝4n2+i，i取1、2、3、4)。其中，编号为C_4n1+2,4n2+1的正方形激励极片(n1取0,1,2,……k；n2取0,1,2,……k)通过激励信号引线串连成一组，组成A1激励组；编号为C_4n1+4,4n2+3的正方形激励极片(n1取0,1,2,……k；n2取0,1,2,……k)通过激励信号引线串连成一组，组成A2激励组；编号为C_4n1+1,4n2+2的正方形激励极片(n1取0,1,2,……k；n2取0,1,2,……k)通过激励信号引线串连成一组，组成B1激励组；编号为C_4n1+3,4n2+4的正方形激励极片(n1取0,1,2,……k；n2取0,1,2,……k)通过激励信号引线串连成一组，组成B2激励组；编号为C_4n1+4,4n2+1的正方形激励极片(n1取0,1,2,……k；n2取0,1,2,……k)通过激励信号引线串连成一组，组成D1激励组；编号为C_4n1+2,4n2+3的正方形激励极片(n1取0,1,2,……k；n2取0,1,2,……k)通过激励信号引线串连成一组，组成D2激励组；编号为C_4n1+3,4n2+2的正方形激励极片(n1取0,1,2,……k；n2取0,1,2,……k)通过激励信号引线串连成一组，组成E1激励组；编号为C_4n1+1,4n2+4的正方形激励极片(n1取0,1,2,……k；n2取0,1,2,……k)通过激励信号引线串连成一组，组成E2激励组。A1激励组与A2激励组相连，组成A激励组；B1激励组与B2激励组相连，组成B激励组；D1激励组与D2激励组相连，组成D激励组；E1激励组与E2激励组相连，组成E激励组。A激励组与D激励组构成余弦激励组，分别通入同频等幅、极性相反的余弦电压激励信号；B激励组与E激励组构成正弦激励组，分别通入同频等幅、极性相反的正弦电压激励信号。X方向(圆周方向)或Y方向(轴向)的一个对极由4个A、B、D、E激励组中相邻的激励极片组成，对极宽度W＝2(L_e1+L_e2)，圆周方向一个极距W对应的角度P＝4(θ₁+θ₂)。

为方便表述，对动子沿圆周方向展开进行说明，将圆周方向记为X方向，轴向记为Y方向，取上述参数j＝0，N＝2。如图5所示，动子基体2内表面设置有多个大小相同、排布方向不同的感应极片组成的极片阵列。其中，角位移与直线位移感应信号拾取阵列中有四个感应极片X₁₁、X₁₃、X₁₅、X₁₇组成MX₁感应组，X₁₂、X₁₄、X₁₆、X₁₈组成MX₂感应组；MX₁感应组中X₁₁和X₁₃、X₁₅和X₁₇感应极片沿X方向(圆周方向)起始位置相差L_i1+L_i3(L_i3＝L_i1+L_i5+W/12)，MX₁感应组中的X₁₁和X₁₅、X₁₃和X₁₇感应极片沿Y方向(轴向)起始位置相差L_i1+L_i4(L_i4＝2L_i1+3L_e3)。将MX₁感应组作为一个整体，沿着X轴向右移动L_i1+L_i5(L_i5＝L_i1+2L_e3)即可得到MX₂感应组。

Y₁₁、Y₁₃、Y₁₅、Y₁₇组成MY₁感应组，Y₁₂、Y₁₄、Y₁₆、Y₁₈组成MY₂感应组；MY₁感应组中的Y₁₁与Y₁₃、Y₁₅与Y₁₇感应极片沿Y方向起始位置相差L_i1+L_i3(L_i3＝L_i1+L_i5+W/12)，MY₁感应组中的Y₁₁与Y₁₅、Y₁₃与Y₁₇感应极片沿X方向起始位置相差L_i1+L_i4(L_i4＝2L_i1+3L_e3)。将MY₁感应组作为一个整体，沿着Y轴向上移动L_i1+L_i5(L_i5＝L_i1+2L_e3)即可得到MY₂感应组。

MX₁、MX₂感应组沿X轴方向排布，MY₁、MY₂感应组沿Y轴方向排布。每个感应组中极片的长度、宽度L_i1为2.9mm，每个感应组中的四个感应极片按“田”字型排布，MX₁感应组中的X₁₁和X₁₃感应极片间隔的距离L_i3为7.2mm，X₁₁和X₁₅感应极片间隔的距离L_i4为6.4mm，MX₂感应组中的X₁₂和X₁₄感应极片间隔的距离为L_i3，X₁₂和X₁₆感应极片间隔的距离为L_i4，而同方向的感应组MX₁和MX₂中：X₁₁与X₁₂、X₁₃与X₁₄、X₁₅与X₁₆、X₁₇与X₁₈的间隔距离L_i5为3.3mm。MY₁和MY₂感应组在Y轴方向上采用与MX₁和MX₂感应组在X轴方向上相同的方式进行排布。X轴方向的MX₁和MX₂感应组输出行波信号U_X1和U_X2，两者构成差动信号，经逻辑电路最终输出行波信号U_X。Y轴方向的MY₁和MY₂感应组输出行波信号U_Y1和U_Y2，两者构成差动信号，经逻辑电路最终输出行波信号U_Y。

如图5所示，角位移与直线位移判断阵列中有两个长度、宽度为L_i1的正方形极片和四个长度为L_i1、宽度为L_i2的长方形极片，其中D_X1和D_X2极片间隔L_i5+L_i2，极片D_X1与D_X3间隔距离为L_i5，极片D_Y1与D_Y3间隔距离为L_i5+L_i2，极片D_Y1与D_Y2间隔距离为L_i5，极片D_X2与D_Y3间隔距离为2L_i5。位移方向判断阵列中有八个长度、宽度均为L_i1的正方形极片，X₂₁和X₂₂、X₂₃和X₂₄、Y₂₁和Y₂₂、Y₂₃和Y₂₄极片之间的间隔距离L_i6为1mm；X₂₁和X₂₃、X₂₂和X₂₄、Y₂₁和Y₂₃、Y₂₂和Y₂₄极片之间的间隔距离L_i4，并分成两组在X轴方向和Y轴方向进行排布。

在定子基体外圆柱柱面上的A、B、D、E激励组上分别施加四路同频等幅、相位依次相差90°的正弦电压激励信号：U_a＝U_mcosωt、U_b＝U_msinωt、U_c＝-U_mcosωt、U_d＝-U_msinωt，其中激励电压的幅值Um＝5V，激励信号的频率为ω＝10kHz。当动子与定子产生相对运动时，感应极片与激励极片的正对面积发生变化，根据变面积电容感应原理，动子基体内圆柱面上的位移感应信号拾取阵列中的感应组会输出一个行波信号U₀，其表达式为：

式中，K_e为电场耦合系数，s为动子相对定子在运动方向上产生的位移。

当动子2相对定子在圆周方向运动时，那么在圆周方向有MX₁、MX₂感应组通过电场耦合产生行波信号U_X1、U_X2；在轴向有MY₁、MY₂感应组通过电场耦合产生行波信号U_Y1、U_Y2，表达式为：

式中，α为测量的角位移，P为圆周方向一个极距W对应的极距角，l为测量的直线位移，W为一个完整极距。

信号处理方式如图6所示，将差动信号U_X1和U_X2，差动信号U_Y1和U_Y2分别通过逻辑电路，最终得到X轴行波信号U_X和Y轴行波信号U_Y，表达式为：

动子相对定子运动时，角位移与直线位移判断阵列会产生感应信号，其中由两个正方形极片和四个长方形极片组成的阵列会输出两路包含正对耦合面积变化的信号。其中由两个正方形极片和四个长方形极片组成的阵列会输出两路包含正对面积变化的信号。电场调制公式为：

S表示感应极片正对激励极片的最大面积，ΔS表示某时刻感应极片正对激励极片的变化面积，U_i表示正对激励极片的激励电压。

当动子运动时，对D_X1、D_Y1正方形极片，D_X2、D_X3、D_Y2、D_Y3长方形极片逐个进行分析。D_X1、D_X2与D_X3极片串连组成F_X感应组，D_Y1、D_Y2与D_Y3极片串连组成F_Y感应组。根据公式(4)可知F_X感应组和F_Y感应组输出的感应信号随感应极片正对激励极片总体面积的变化而变化。例如当动子在X方向(圆周方向)运动时，旋转一个极距角P对应一个完整极距W，F_X感应组的感应极片与激励极片正对面积的总体变化为：

F_Y感应组的感应极片与激励极片正对面积的总体变化为：

ΔS_Y(x)＝0，x∈[0,W] (6)

当动子在Y方向(轴向)运动时，F_Y感应组的感应极片与激励极片正对面积的总体变化为：

F_X感应组的感应极片与激励极片正对面积的总体变化为：

ΔS_X(y)＝0，y∈[0,W] (8)

则F_X感应组和F_Y感应组输出的感应信号φ_X和φ_Y的表达式为：

当动子向X(Y)方向运动时φ_Y(φ_X)信号的幅值没有变化(即极片组合的总体正对耦合面积没有发生变化)，φ_X(φ_Y)信号的幅值发生变化(即极片组合的总体正对耦合面积发生周期性变化)，之后通过整形电路整形成方波信号从而进行二值化操作，当φ_X和φ_Y表示为“10”，则表示动子相对定子发生旋转，测量的是角位移，当φ_X和φ_Y表示为“01”时，则表示动子相对定子发生轴向(直线)运动，测量的是直线位移，当φ_X和φ_Y表示为“00”或“11”，则表示动子相对定子保持原运动状态不变。

当确定运动方向为X方向(圆周方向)时，选取该方向上的Z_X感应组输出的两路类行波信号U_F1和U_F2，整形成方波信号后进行比相；当确定运动方向为Y方向(轴向)时，选取该方向上的Z_Y感应组输出的两路类行波信号U_F3和U_F4，整形成方波信号后进行比相。若原来的相位差(或/>)发生变化，则向原运动方向的相反方向运动，若原来的相位差没变化，则按原运动方向运动，以此判断运动方向的正负。以X方向(圆周方向)为例，其表达式为：

同理，以Y方向(轴向)为例，其表达式为：

动子基体2与定子基体1发生相对运动，感应信号的相位角将发生周期性变化，当动子基体2与定子基体1相对运动一个极距，感应信号的相位角(即)变化一个周期。将X方向(圆周方向)行波信号U_X、Y方向(轴向)行波信号U_Y经整形电路整形成方波信号后，分别与同频率参考信号进行比相，相位差Δt_X和Δt_Y由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后，结合对运动方向的判断得到动子相对定子运动的角位移或直线位移。

式中，P为圆周方向一个极距W对应的极距角，W为一个完整的极距，N_X、N_Y分别为动子在圆周方向、轴向上运动的完整极距数，T为与感应信号同频率的参考信号时钟周期。

实施例2：本实施例的一种电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器定子结构与实施例1中结构相同，不同之处在于动子：将角位移与直线位移感应信号拾取阵列和位移方向判断阵列中的极片从实施例1中边长为2.9mm正方形极片改为实施例2中由两个半正弦形极片沿底部镜像拼接而成的正弦形极片，正弦形极片参数为：极片的宽度为2.9mm，顶部到底部的高度为2.9mm，如图7所示。

实施例3：本实施例的一种电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器定子结构与实施例1中结构相同，不同之处在于动子：将角位移与直线位移感应信号拾取阵列和位移方向判断阵列中的极片从实施例1中边长为2.9mm正方形极片改为实施例3中半径为1.45mm的圆形极片，如图8所示。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“内”、“外”、“周侧”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器，包括定子基体(1)和动子基体(2)，所述定子基体(1)套在所述动子基体(2)内，且与所述动子基体(2)同轴安装并留有间隙，所述定子基体(1)的外圆柱柱面上设有激励电极阵列(11)，所述动子基体(2)的内圆柱柱面上设有感应电极阵列(22)，设定圆周方向记为X方向，沿圆周方向排布的极片称为行，轴向记为Y方向，沿轴向排布的极片称为列，其特征在于：

所述激励电极阵列(11)由沿着X方向和Y方向均匀等间距布置的边长为L_e1的正方形激励极片组成，其中沿X方向的奇数行激励极片串连构成正弦极片或余弦极片，奇数列不布置极片；沿X方向的偶数行激励极片串连构成余弦极片或正弦极片，偶数列不布置极片，所述激励电极阵列(11)的激励极片共设置m₁行、m₂列；

所述感应电极阵列(22)包括角位移与直线位移判断阵列、位移方向判断阵列、角位移与直线位移感应信号拾取阵列；

所述角位移与直线位移判断阵列由多个正方形极片和多个长方形极片组成的F_X感应组和F_Y感应组构成，F_X感应组由一个正方形极片和两个沿Y方向长度不变，沿X轴长度减半的长方形极片构成，F_X感应组包括D_X1、D_X2、D_X3；F_Y感应组由一个正方形极片和两个沿X轴长度不变，沿Y轴长度减半的长方形极片构成，F_Y感应组包括D_Y1、D_Y2、D_Y3；在F_X感应组中：极片D_X1与D_X2起始位置相差L_i1+L_i2+L_i5，极片D_X1与D_X3起始位置相差L_i1+L_i5；在F_Y感应组中：极片D_Y1与D_Y3起始位置相差L_i1+L_i2+L_i5，极片D_Y1与D_Y2起始位置相差L_i1+L_i5；而在F_X感应组与F_Y感应组中：极片D_X2与D_Y3起始位置相差L_i2+NL_i5其中，N取1、2、3、4……k，用以判断角位移与直线位移运动；

所述位移方向判断阵列包含X₂₁、X₂₂、X₂₃、X₂₄组成的Z_X感应组和Y₂₁、Y₂₂、Y₂₃、Y₂₄组成的Z_Y感应组，X₂₁与X₂₂、X₂₃与X₂₄感应极片按X方向的起始位置相差为jW+L_i1+L_i6，其中j＝0、1、2、3……k，X₂₁与X₂₃、X₂₂与X₂₄感应极片沿Y方向起始位置相差为L_i1+L_i4，Y₂₁与Y₂₂、Y₂₃与Y₂₄感应极片按Y方向的起始位置相差为jW+L_i1+L_i6，其中j＝0、1、2、3……k，Y₂₁与Y₂₃、Y₂₂与Y₂₄感应极片沿X方向起始位置相差为L_i1+L_i4，用以判断位移方向的正负；

所述角位移与直线位移感应信号拾取阵列包括分别沿X方向、Y方向布置的MX、MY感应阵列，其中，用于测量角位移的为MX感应阵列，MX感应阵列分为由X₁₁、X₁₃、X₁₅、X₁₇极片构成MX₁感应组和X₁₂、X₁₄、X₁₆、X₁₈极片构成MX₂感应组；用于测量直线位移的为MY感应阵列，MY感应阵列分为由Y₁₁、Y₁₃、Y₁₅、Y₁₇极片构成MY₁感应组和Y₁₂、Y₁₄、Y₁₆、Y₁₈极片构成MY₂感应组；X₁₁极片和X₁₃极片、X₁₅极片和X₁₇极片按X轴方向以及Y₁₁极片和Y₁₃极片、Y₁₅极片和Y₁₇极片按Y轴方向的起始位置相差均为jW+L_i1+L_i3；X₁₁极片和X₁₅极片、X₁₃极片和X₁₇极片按Y轴方向以及Y₁₁极片和Y₁₅极片、Y₁₃极片和Y₁₇极片按X轴方向的起始位置相差均为jW+L_i1+L_i4；X₁₁极片和X₁₂极片、X₁₅极片和X₁₆极片按X轴方向以及Y₁₁极片和Y₁₂极片、Y₁₅极片和Y₁₆极片按Y轴方向的起始位置相差均为jW+L_i1+L_i5；

测量时，对定子基体(1)外圆柱柱面上的正弦、余弦激励组分别施加四路同频等幅、相位依次相差90°的正弦电压激励信号，当动子基体(2)相对定子基体(1)移动时，MX₁、MX₂感应组、MY₁、MY₂感应组分别产生U_X1、U_X2、U_Y1、U_Y2四路电信号，根据F_X感应组和F_Y感应组的输出信号φ_X和φ_Y的差异来判断运动方向，再根据Z_X感应组的输出信号U_F1、U_F2，Z_Y感应组的输出信号U_F3、U_F4通过辨向电路判断单维度方向的正负，最后将MX感应阵列输出的两路差动感应信号U_X1和U_X2经逻辑电路输出带有角位移信息的行波信号U_X，将MY感应阵列输出的两路差动感应信号U_Y1和U_Y2经逻辑电路输出带有直线位移信息的行波信号U_Y，又将U_X、U_Y行波信号分别与同频率参考信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到动子基体(2)相对定子基体(1)运动的角位移或直线位移。

2.根据权利要求1所述的电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器，其特征在于，所述定子基体(1)外圆柱柱面上共设置有m₁行、m₂列激励极片，共同构成余弦激励组和正弦激励组，所述余弦激励组包括A激励组和D激励组，所述A激励组包括相连的A1激励组和A2激励组，所述A1激励组为编号为C_4n1+2,4n2+1的正方形激励极片相连而成，所述A2激励组为编号为C_4n1+4,4n2+3的正方形激励极片相连而成，所述D激励组包括相连的D1激励组和D2激励组，所述D1激励组为编号为C_4n1+4,4n2+1的正方形激励极片相连而成，所述D2激励组为编号为C_4n1+2,4n2+3的正方形激励极片相连而成；所述正弦激励组包括B激励组和E激励组，所述B激励组包括相连的B1激励组和B2激励组，所述B1激励组为编号为C_4n1+1,4n2+2的正方形激励极片相连而成，所述B2激励组为编号为C_4n1+3,4n2+4的正方形激励极片相连而成，所述E激励组包括相连的E1激励组和E2激励组，所述E1激励组为编号为C_4n1+3,4n2+2的正方形激励极片相连而成，所述E2激励组为编号为C_4n1+1,4n2+4的正方形激励极片相连而成，其中，C_a，b表示激励极片，B_a，b表示相邻两个激励极片之间的间隙，距离为L_e2，a和b分别代表X方向坐标和Y方向坐标，a＝4n1+i，b＝4n2+i，i取1或2或3或4，n1依次取0至M₁-1的所有整数，M₁表示X方向激励极片的总对极数，n2依次取0至M₂-1的所有整数，M₂表示Y方向激励极片的总对极数，m₁等于4M₁，m₂等于4M₂，X方向或Y方向的一个对极由4个来自A、B、D、E激励组中相邻的激励极片组成，对极的宽度为W，一个极距W对应的圆周角为P，定子基体外圆柱面的周长为l_c＝2πr₁＝n₃W，r₁为定子基体的外半径，n₃取1、2、3、4……k。

3.根据权利要求1所述的电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器，其特征在于，所述角位移与直线位移感应信号拾取阵列的极片为多个长度和宽度均为L_i1的正方形感应极片组成。

4.根据权利要求1所述的电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器，其特征在于，所述角位移与直线位移感应信号拾取阵列的极片为多个正弦极片组成，正弦极片是由两个半正弦沿底部镜像拼接而成，正弦极片的半周期空间宽度为L_i1，半周期空间高度为L_i1。

5.根据权利要求1所述的电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器，其特征在于，所述角位移与直线位移感应信号拾取阵列的极片为多个半径为L_i1/2的圆形极片组成。

6.根据权利要求1所述的电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器，其特征在于，所述角位移与直线位移判断阵列中的F_X感应组和F_Y感应组均由一个边长为L_i1正方形极片和两个沿Y轴或X轴长度为L_i1，沿X轴或Y轴长度为L_i1/2的长方形极片构成。

7.根据权利要求1所述的电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器，其特征在于，所述位移方向判断阵列中Z_X感应组和Z_Y感应组的极片为多个长度和宽度均为L_i1的正方形感应极片组成。

8.根据权利要求1所述的电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器，其特征在于，所述位移方向判断阵列中Z_X感应组和Z_Y感应组的极片为多个正弦极片组成，正弦极片是由两个半正弦沿底部镜像拼接而成，正弦极片的半周期空间宽度为L_i1，半周期空间高度为L_i1。

9.根据权利要求1所述的电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器，其特征在于，所述位移方向判断阵列中Z_X感应组和Z_Y感应组的极片为多个半径为L_i1/2的圆形极片组成。

10.根据权利要求1所述的电场式角位移与直线位移复合测量的位移传感器，所述U_X、U_Y行波信号分别与同频率参考信号经整形电路整形成方波后，再进行比相。