CN208805152U - 基于交变电场的直接全反射型绝对式时栅直线位移传感器 - Google Patents

基于交变电场的直接全反射型绝对式时栅直线位移传感器 Download PDF

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CN208805152U CN201821847142.1U CN201821847142U CN208805152U CN 208805152 U CN208805152 U CN 208805152U CN 201821847142 U CN201821847142 U CN 201821847142U CN 208805152 U CN208805152 U CN 208805152U
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刘小康
蒲红吉
王合文
但敏
汤其富
展丙男
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Abstract

本实用新型公开了一种基于交变电场的直接全反射型绝对式时栅直线位移传感器,动尺基体下表面依次设有反射电极Ⅱ、感应电极Ⅱ、感应电极Ⅰ和反射电极Ⅰ,感应电极Ⅰ、Ⅱ分别与反射电极Ⅰ、Ⅱ相连;定尺基体上表面依次设有接收电极Ⅰ、激励电极Ⅰ、激励电极Ⅱ和接收电极Ⅱ,先对激励电极Ⅱ的四个激励相分别施加四路激励信号,此时激励电极Ⅰ不工作,在接收电极Ⅱ上输出第一路差动正弦行波信号,然后将四路激励信号切换到激励电极Ⅰ的四个激励相,此时激励电极Ⅱ不工作,在接收电极Ⅰ上输出第二路差动正弦行波信号作为精测信号,利用两路行波信号的相位差作为粗测信号。该传感器采用分时处理方式,彻底消除了交叉干扰,动尺无需引线,可靠性更好。

Description

基于交变电场的直接全反射型绝对式时栅直线位移传感器
技术领域
本实用新型属于精密直线位移测量领域,具体涉及一种基于交变电场的直接全反射型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。CN106197240A公开了一种基于交变电场的绝对式直线时栅位移传感器,其不需要零位基准,断电后数据不丢失,能实现大量程范围内的高精度绝对位移测量,但是其仍然存在如下问题:(1)感应信号是从测头基体上的双正弦形精测电极、矩形粗测电极I和矩形粗测电极II上输出,测头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)信号输出线的安装较为麻烦,且工业应用中长时间的运动情况下,信号输出线随着被测物体一起运动,磨损严重,从而导致传感器可靠性降低。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于交变电场的直接全反射型绝对式时栅直线位移传感器,以在实现绝对直线位移高精度测量的同时扩大应用范围,提高传感器可靠性,增强工业适应性。
本实用新型所述的基于交变电场的直接全反射型绝对式时栅直线位移传感器,包括动尺基体和定尺基体,动尺基体下表面与定尺基体上表面正对平行,并留有间隙,动尺基体下表面设有差动结构的感应电极I,定尺基体上表面设有与感应电极I正对的激励电极I,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,其中,第4n1+1号矩形极片I连成一组,组成A1激励相,第4n1+2号矩形极片I连成一组,组成B1激励相,第4n1+3号矩形极片I连成一组,组成C1激励相,第4n1+4号矩形极片I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。
所述定尺基体上表面设有激励电极II、差动结构的接收电极I和差动结构的接收电极II,所述动尺基体下表面设有差动结构的感应电极II、差动结构的反射电极I和差动结构的反射电极II,感应电极II与激励电极II正对,反射电极I与接收电极I正对且与感应电极I相连,反射电极II与接收电极II正对且与感应电极II相连。
所述激励电极II位于激励电极I的一侧,激励电极II的起始端与激励电极I的起始端对齐,且激励电极II沿测量方向的长度与激励电极I沿测量方向的长度相等,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,其中,第4n2+1号矩形极片II连成一组,组成A2激励相,第4n2+2号矩形极片II连成一组,组成B2激励相,第4n2+3号矩形极片II连成一组,组成C2激励相,第4n2+4号矩形极片II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=M1-1。
所述感应电极I由一排大小相同、极距为2W1的双正弦形极片I沿测量方向等间距排列组成,该双正弦形极片I的宽度与矩形极片I的宽度相等,其中,第2n3+1号(即奇数号)双正弦形极片I连成一组,组成A1感应组,第2n3+2号(即偶数号)双正弦形极片I连成一组,组成B1感应组,n3依次取0至M3-1的所有整数,M3表示感应电极I的对极数。
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、极距为2W2的双正弦形极片II沿测量方向等间距排列组成,该双正弦形极片II的宽度与矩形极片II的宽度相等,其中,第2n4+1号(即奇数号)双正弦形极片II连成一组,组成A2感应组,第2n4+2号(即偶数号)双正弦形极片II连成一组,组成B2感应组,n4依次取0至M4-1的所有整数,M4表示感应电极II的对极数。
测量时,动尺基体与定尺基体相对平行移动,先激励电极II的A2、B2、C2、D2对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压,此时激励电极I不工作,该四路同频等幅正弦激励电信号经感应电极II与激励电极II之间的耦合电场产生两路同频等幅相位相差180°的正弦行波信号,该两路正弦行波信号经反射电极II反射回接收电极II,在接收电极II上输出相位相差180°的同频等幅的第一、第二行波信号,第一、第二行波信号经减法电路后获得第一路差动正弦行波信号Uo1,第一路差动正弦行波信号Uo1经处理后获得相位值,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激励电极I的A1、B1、C1、D1激励相上,此时激励电极II不工作,四路同频等幅正弦激励电信号经感应电极I与激励电极I之间的耦合电场产生两路同频等幅相位相差180°的正弦行波信号,该两路正弦行波信号经反射电极I反射回接收电极I,在接收电极I上输出相位相差180°的同频等幅的第三、第四行波信号,第三、第四行波信号经减法电路后获得第二路差动正弦行波信号Uo2;第二路差动正弦行波信号Uo2经处理后得到精测直线位移值,第一路差动正弦行波信号Uo1与第二路差动正弦行波信号Uo2的相位差经过处理后,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。
所述感应电极I中的双正弦形极片I的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的封闭轴对称图形I。所述感应电极II中的双正弦形极片II的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的封闭轴对称图形II。
所述反射电极I位于感应电极I的一侧,反射电极I由尺寸相同的第一矩形反射极片与第二矩形反射极片并排组成,第一矩形反射极片与A1感应组相连,第二矩形反射极片与B1感应组相连。
所述反射电极II位于感应电极II的一侧,反射电极II由尺寸相同的第三矩形反射极片与第四矩形反射极片并排组成,第三矩形反射极片与A2感应组相连,第四矩形反射极片与B2感应组相连。
所述接收电极I由尺寸相同的第一矩形接收极片与第二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,第一矩形接收极片作为第三行波信号的输出电极,第二矩形接收极片与第二矩形反射极片正对,第二矩形接收极片作为第四行波信号的输出电极。
所述接收电极II由尺寸相同的第三矩形接收极片与第四矩形接收极片并排组成,第三矩形接收极片与第三矩形反射极片正对,第三矩形接收极片作为第一行波信号的输出电极,第四矩形接收极片与第四矩形反射极片正对,第四矩形接收极片作为第二行波信号的输出电极。
所述第一矩形反射极片的尺寸与第三矩形反射极片的尺寸相同,所述第一矩形接收极片的尺寸与第三矩形接收极片的尺寸相同。
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、第四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、第四矩形接收极片沿测量方向的长度都大于或等于激励电极I沿测量方向的长度。
本实用新型具有如下效果:
(1)将感应电极I、II感应到的行波信号通过反射电极I、II直接反射回接收电极I、II,由接收电极I、II输出行波信号,输入输出信号均在定尺基体上,动尺基体无需引线,提高了传感器的可靠性,同时其应用范围更广。
(2)反射电极I、II与接收电极I、II是对感应电极I、II的信号进行直接反射与接收,将第二路差动正弦行波信号Uo2作为直线位移精测信号,直线位移精测信号与感应电极I输出信号的特性完全相同,不会带来精度损失,从而使得精测部分直线位移精度得到了提高;将第一路差动正弦行波信号Uo1与第二路差动正弦行波信号Uo2的相位差作为粗测信号,第一路差动正弦行波信号Uo1与感应电极II输出信号的特性完全相同,第二路差动正弦行波信号Uo2与感应电极I输出信号的特性完全相同,信号精度损失小,更容易实现绝对定位。
(3)感应电极I、感应电极II、反射电极I、反射电极II和接收电极I、接收电极II均采用差动结构,抑制了共模干扰,能提高信噪比,从而提高了信号质量,由此带来传感器的信号稳定性和抗干扰能力得到了极大地提升,环境适应能力更强,工业适应性更强。
附图说明
图1为实施例中定尺基体上的电极与动尺基体上的电极示意图。
图2为实施例中定尺基体的引线示意图。
图3为实施例中定尺基体与动尺基体的对应关系示意图。
图4为实施例的信号处理原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作详细说明。
如图1、图2、图3所示的基于交变电场的直接全反射型绝对式时栅直线位移传感器,包括动尺基体2和定尺基体1,动尺基体2下表面与定尺基体1上表面正对平行,并留有0.5mm间隙,定尺基体1、动尺基体2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。
定尺基体1上表面在垂直于测量方向上依次间隔设有差动结构的接收电极I、激励电极I 11、激励电极II 12和差动结构的接收电极II,接收电极II、激励电极II 12、接收电极I的起始端都与激励电极I 11的起始端对齐。
激励电极I 11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(间距为1mm)排列组成,每个矩形极片I的高度为10mm、宽度为1mm,激励电极I 11的对极数M1=60,每相邻的四个矩形极片I形成一个对极,则总共有240个矩形极片I;其中,第4n1+1号矩形极片I连成一组,组成A1激励相,第4n1+2号矩形极片I连成一组,组成B1激励相,第4n1+3号矩形极片I连成一组,组成C1激励相,第4n1+4号矩形极片I连成一组,组成D1激励相,n1依次取0至59的所有整数。
激励电极II 12由一排大小相同、极距为W2=2.034mm的矩形极片II沿测量方向等间距(间距为1.017mm)排列组成,每个矩形极片II的高度为10mm、宽度为1.017mm,激励电极II 12的对极数M2=59,每相邻的四个矩形极片II形成一个对极,则总共有236个矩形极片II;其中,第4n2+1号矩形极片II连成一组,组成A2激励相,第4n2+2号矩形极片II连成一组,组成B2激励相,第4n2+3号矩形极片II连成一组,组成C2激励相,第4n2+4号矩形极片II通过连成一组,组成D2激励相,n2依次取0至58的所有整数。
接收电极I由长为480mm、高为4.5mm的第一矩形接收极片131与长为480mm、高为4.5mm的第二矩形接收极片132在垂直于测量方向上间隔1mm并排组成,第一矩形接收极片131作为第三行波信号的输出电极,第二矩形接收极片132作为第四行波信号的输出电极。
接收电极II由长为480mm,高为4.5mm的第三矩形接收极片141与长为480mm、高为4.5mm的第四矩形接收极片142在垂直于测量方向上间隔1mm并排组成,第三矩形接收极片141作为第一行波信号的输出电极,第四矩形接收极片142作为第二行波信号的输出电极。
动尺基体2下表面在垂直于测量方向上依次间隔设有差动结构的反射电极II、差动结构的感应电极II 22、差动结构的感应电极I 21和差动结构的反射电极I,反射电极II、感应电极II 22、反射电极I的起始端都与感应电极I 21的起始端对齐。
感应电极I 21与激励电极I 11正对,感应电极II 22与激励电极II 12正对,反射电极I与接收电极I正对且与感应电极I相连,反射电极II与接收电极II正对且与感应电极II相连。
感应电极I 21由一排大小相同、极距为4mm的双正弦形极片I沿测量方向等间距(间距为3mm)排列组成,该双正弦形极片I的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的封闭轴对称图形I,每个双正弦形极片I的高度为8mm、宽度为1mm,感应电极I 21的对极数M3=4,每相邻的两个双正弦形极片I形成一个对极,则总共有8个双正弦形极片I;其中,第2n3+1号(即奇数号)双正弦形极片I连成一组,组成A1感应组,第2n3+2号(即偶数号)双正弦形极片I连成一组,组成B1感应组,n3依次取0至3的所有整数。
感应电极II 22由一排大小相同、极距为4.068mm的双正弦形极片II沿测量方向等间距(间距为3.051mm)排列组成,该双正弦形极片II的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的封闭轴对称图形II,每个双正弦形极片II的高度为8mm、宽度为1.017mm,感应电极II 22的对极数M4=4,每相邻的两个双正弦形极片II形成一个对极,则总共有8个双正弦形极片II;其中,第2n4+1号(即奇数号)双正弦形极片II连成一组,组成A2感应组,第2n4+2号(即偶数号)双正弦形极片II连成一组,组成B2感应组,n4依次取0至3的所有整数。
反射电极I由长为16.272mm、高为4.5mm的第一矩形反射极片231与长为16.272mm、高为4.5mm的第二矩形反射极片232在垂直于测量方向上间隔1mm并排组成,第一矩形反射极片231与A1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感应组相连且与第二矩形接收极片132正对。
反射电极II由长为16.272mm、高为4.5mm的第三矩形反射极片241与长为16.272mm、高为4.5mm的第四矩形反射极片242在垂直于测量方向上间隔1mm并排组成,第三矩形反射极片241与A2感应组相连且与第三矩形接收极片141正对,第四矩形反射极片242与B2感应组相连且与第四矩形接收极片142正对。
测量时,动尺基体2与定尺基体1相对平行移动,先对激励电极II 12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I 11不工作,激励信号经激励电极II 12与感应电极II 22之间的耦合电场,在感应电极II 22的A2、B2感应组上产生两路同频等幅相位相差180°的正弦行波信号,这两路正弦行波信号经反射电极II的第三矩形反射极片241、第四矩形反射极片242直接反射到反射电极II的第三矩形接收极片141、第四矩形接收极片142上,在第三矩形接收极片141上输出第一行波信号,在第四矩形接收极片142上输出第二行波信号。
第一、第二行波信号经减法电路合成第一路差动正弦行波信号Uo1
Uo1=KeUmsin[ωt+59x];
第一路差动正弦行波信号Uo1经整形电路整形成方波后送入FPGA信号处理系统中,经处理后得到相位值,该相位值存储在FPGA信号处理系统的RAM中。
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压切换到激励电极I 11的A1、B1、C1、D1激励相上,此时激励电极II 12不工作,激励信号经激励电极I 11与感应电极I 21之间的耦合电场,在感应电极I 21的A1、B1感应组上产生两路同频等幅相位相差180°的正弦行波信号,这两路正弦行波信号经反射电极I的第一矩形反射极片231、第二矩形反射极片232直接反射到接收电极I的第一矩形接收极片131、第二矩形接收极片132上,在第一矩形接收极片131上输出第三行波信号,在第二矩形接收极片132上输出第四行波信号。
第三、第四行波信号经减法电路合成第二路差动正弦行波信号Uo2
Uo2=KeUmsin[ωt+60x];
其中,激励信号的幅值Um=5V,频率f=40KHz,角频率ω=2πf=8×104π,Ke为电场耦合系数,x为精测直线位移值。
第二路差动正弦行波信号Uo2与一路相位固定的同频参考正弦信号Ur经整形电路整形成方波后送入FPGA信号处理系统中进行比相,比相后的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示,并经变换后得到精测直线位移值;第二路差动正弦行波信号Uo2经整形电路整形成方波后送入FPGA信号处理系统中,经处理后得到相位值,将Uo2与Uo1的相位差与一路整形成方波的相位固定的同频参考信号Ur进行比相,比相后的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示,并经变换后得到粗测对极位置值,FPGA信号处理系统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(参见图4)。

Claims (5)

1.一种基于交变电场的直接全反射型绝对式时栅直线位移传感器,包括动尺基体(2)和定尺基体(1),动尺基体下表面与定尺基体上表面正对平行,并留有间隙,动尺基体下表面设有差动结构的感应电极Ⅰ(21),定尺基体上表面设有与感应电极Ⅰ(21)正对的激励电极Ⅰ(11),所述激励电极Ⅰ(11)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,其中,第4n1+1号矩形极片Ⅰ连成一组,组成A1激励相,第4n1+2号矩形极片Ⅰ连成一组,组成B1激励相,第4n1+3号矩形极片Ⅰ连成一组,组成C1激励相,第4n1+4号矩形极片Ⅰ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;其特征是:
所述定尺基体上表面设有激励电极Ⅱ(12)、差动结构的接收电极Ⅰ和差动结构的接收电极Ⅱ,所述动尺基体下表面设有差动结构的感应电极Ⅱ(22)、差动结构的反射电极Ⅰ和差动结构的反射电极Ⅱ,感应电极Ⅱ与激励电极Ⅱ正对,反射电极Ⅰ与接收电极Ⅰ正对且与感应电极Ⅰ相连,反射电极Ⅱ与接收电极Ⅱ正对且与感应电极Ⅱ相连;
所述激励电极Ⅱ(12)位于激励电极Ⅰ的一侧,激励电极Ⅱ的起始端与激励电极Ⅰ的起始端对齐,且激励电极Ⅱ沿测量方向的长度与激励电极Ⅰ沿测量方向的长度相等,激励电极Ⅱ(12)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,其中,第4n2+1号矩形极片Ⅱ连成一组,组成A2激励相,第4n2+2号矩形极片Ⅱ连成一组,组成B2激励相,第4n2+3号矩形极片Ⅱ连成一组,组成C2激励相,第4n2+4号矩形极片Ⅱ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=M1-1;
所述感应电极Ⅰ(21)由一排大小相同、极距为2W1的双正弦形极片Ⅰ沿测量方向等间距排列组成,该双正弦形极片Ⅰ的宽度与矩形极片Ⅰ的宽度相等,其中,第2n3+1号双正弦形极片Ⅰ连成一组,组成A1感应组,第2n3+2号双正弦形极片Ⅰ连成一组,组成B1感应组,n3依次取0至M3-1的所有整数,M3表示感应电极Ⅰ的对极数;
所述感应电极Ⅱ(22)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、极距为2W2的双正弦形极片Ⅱ沿测量方向等间距排列组成,该双正弦形极片Ⅱ的宽度与矩形极片Ⅱ的宽度相等,其中,第2n4+1号双正弦形极片Ⅱ连成一组,组成A2感应组,第2n4+2号双正弦形极片Ⅱ连成一组,组成B2感应组,n4依次取0至M4-1的所有整数,M4表示感应电极Ⅱ的对极数。
2.根据权利要求1所述的基于交变电场的直接全反射型绝对式时栅直线位移传感器,其特征是:
所述感应电极Ⅰ(21)中的双正弦形极片Ⅰ的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的封闭轴对称图形Ⅰ;
所述感应电极Ⅱ(22)中的双正弦形极片Ⅱ的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的封闭轴对称图形Ⅱ。
3.根据权利要求1或2所述的基于交变电场的直接全反射型绝对式时栅直线位移传感器,其特征是:
所述反射电极Ⅰ位于感应电极Ⅰ(21)的一侧,反射电极Ⅰ由尺寸相同的第一矩形反射极片(231)与第二矩形反射极片(232)并排组成,第一矩形反射极片(231)与A1感应组相连,第二矩形反射极片(232)与B1感应组相连;
所述反射电极Ⅱ位于感应电极Ⅱ(22)的一侧,反射电极Ⅱ由尺寸相同的第三矩形反射极片(241)与第四矩形反射极片(242)并排组成,第三矩形反射极片(241)与A2感应组相连,第四矩形反射极片(242)与B2感应组相连;
所述接收电极Ⅰ由尺寸相同的第一矩形接收极片(131)与第二矩形接收极片(132)并排组成,第一矩形接收极片(131)与第一矩形反射极片(231)正对,作为第三行波信号的输出电极,第二矩形接收极片(132)与第二矩形反射极片(232)正对,作为第四行波信号的输出电极;
所述接收电极Ⅱ由尺寸相同的第三矩形接收极片(141)与第四矩形接收极片(142)并排组成,第三矩形接收极片(141)与第三矩形反射极片(241)正对,作为第一行波信号的输出电极,第四矩形接收极片(142)与第四矩形反射极片(242)正对,作为第二行波信号的输出电极。
4.根据权利要求3所述的基于交变电场的直接全反射型绝对式时栅直线位移传感器,其特征是:所述第一矩形反射极片(231)的尺寸与第三矩形反射极片(241)的尺寸相同,所述第一矩形接收极片(131)的尺寸与第三矩形接收极片(141)的尺寸相同。
5.根据权利要求3所述的基于交变电场的直接全反射型绝对式时栅直线位移传感器,其特征是:所述第一矩形接收极片(131)、第二矩形接收极片(132)、第三矩形接收极片(141)、第四矩形接收极片(142)的起始端都与激励电极Ⅰ(11)的起始端对齐,第一矩形接收极片(131)、第二矩形接收极片(132)、第三矩形接收极片(141)、第四矩形接收极片(142)沿测量方向的长度都大于或等于激励电极Ⅰ(11)沿测量方向的长度。
CN201821847142.1U 2018-11-10 2018-11-10 基于交变电场的直接全反射型绝对式时栅直线位移传感器 Active CN208805152U (zh)

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