專利名稱：一種基于交變電場的時(shí)柵直線位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密直線位移測量傳感器。
背景技術(shù)：
精密直線位移測量領(lǐng)域主要采用光柵、磁柵和容柵等柵式傳感器，其測量基準(zhǔn)采用的是按空間均分的周期性柵線，通過對(duì)柵線的計(jì)數(shù)而得到位移量。精密測量要求能夠測出lmnTO. Imm的直線位移，為了達(dá)到測量的精度和分辨力要求，單靠精密刻線本身無法實(shí)現(xiàn)，需要采用高精度電子細(xì)分技術(shù)，從而使這些柵式傳感器的制造工藝要求苛刻，成本高， 抗干擾力差。近年來國內(nèi)研制出了一種以時(shí)鐘脈沖作為位移測量基準(zhǔn)的時(shí)柵傳感器。而現(xiàn)有的時(shí)柵直線位移傳感器是基于電磁感應(yīng)原理進(jìn)行測量，定子線圈連接激勵(lì)電源，利用感應(yīng)線圈作為動(dòng)測頭獲取感應(yīng)信號(hào)；在動(dòng)測頭移動(dòng)過程中，因磁通量變化而使感應(yīng)信號(hào)相位相應(yīng)移動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)高精度測量，這種時(shí)柵直線位移傳感器的定子線圈和感應(yīng)線圈基體要求采用導(dǎo)磁材料，造成傳感器質(zhì)量較重；制作工藝需要繞線，生產(chǎn)效率低；另外，需要對(duì)激勵(lì)電源進(jìn)行功率放大才能驅(qū)動(dòng)定子線圈，以獲取幅值足夠大的感應(yīng)信號(hào)，造成時(shí)柵直線位移傳感器的功耗較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于交變電場的時(shí)柵直線位移傳感器，它不用精密刻線，不用電阻細(xì)分箱，而采用差動(dòng)平板電容式結(jié)構(gòu)，利用電場耦合原理獲取信號(hào)，以時(shí)鐘脈沖作為位移計(jì)量基準(zhǔn)，達(dá)到功耗低，重量輕，分辨力高，成本低的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種基于交變電場的時(shí)柵直線位移傳感器，包括測頭基體和定尺基體兩部分； 所述測頭基體下表面覆有左、右兩個(gè)電極；所述定尺基體上表面均勻地覆有左、右兩排電極，定尺左排電極的起始位置與定尺右排電極的起始位置相差1/2個(gè)電極寬度W，定尺左排電極的奇數(shù)號(hào)電極連成一組，偶數(shù)號(hào)電極連成一組，兩組電極組成一個(gè)A激勵(lì)相，定尺右排電極的奇數(shù)號(hào)電極連成一組，偶數(shù)號(hào)電極連成一組，兩組電極組成一個(gè)B激勵(lì)相；測頭基體的下表面與定尺基體的上表面相對(duì)平行放置，測頭基體的測頭左電極與定尺左排電極正對(duì)，測頭基體的測頭右電極與定尺右排電極正對(duì)，并留有一定間隙δ，形成左、右兩組差動(dòng)電容。測頭基體與定尺基體相對(duì)移動(dòng)，差動(dòng)電容的相對(duì)覆蓋面積將由大變小、再由小變大呈周期性變化，電容值也隨之相應(yīng)地呈周期性變化；定尺左排的A激勵(lì)相與定尺右排的B 激勵(lì)相分別連接相位相差90°的等幅等頻正弦激勵(lì)電壓Ua、脅，測頭左電極與測頭右電極產(chǎn)生的兩路電場耦合信號(hào)Uoa、Uob經(jīng)加法電路合成一路行波信號(hào)你，該行波信號(hào)與一路相位固定的同頻率參考信號(hào)Ur經(jīng)整形電路整形后，由比相電路進(jìn)行比相；兩路信號(hào)的相位差由插補(bǔ)的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)表示，再經(jīng)過標(biāo)度變換得到測頭基體相對(duì)于定尺基體的直線位移值。進(jìn)一步，所述定尺左排電極和定尺右排電極的形狀為方形且大小相同；所述測頭左電極和測頭右電極的形狀為一條
區(qū)間的正弦曲線圍成的區(qū)域形狀，以獲得幅值按正弦規(guī)律調(diào)制的電場耦合信號(hào)，且其長度和寬度均與定尺左排電極的每個(gè)電極相同。進(jìn)一步，所述定尺左排電極的奇數(shù)號(hào)電極與測頭左電極形成差動(dòng)電容G，偶數(shù)號(hào)電極與測頭左電極形成差動(dòng)電容G ；所述定尺右排電極的奇數(shù)號(hào)電極與測頭右電極形成差動(dòng)電容C3,偶數(shù)號(hào)電極與測頭右電極形成差動(dòng)電容C4 ；所述差動(dòng)電容C1和差動(dòng)電容C2構(gòu)成一組交流電橋，輸出測量信號(hào)fep fep ；所述差動(dòng)電容G和差動(dòng)電容G構(gòu)成另一組交流電橋，輸出測量信號(hào) ^、ν~。測量信號(hào)Uai、Uei2通過第一儀表放大器Ul輸出電場耦合信號(hào)Uoa ；測量信號(hào)Ub” Ub2通過第二儀表放大器U2輸出電場耦合信號(hào)Uob ；輸出的兩路電場耦合信號(hào)Uoa、Uob通過加法器U3合成輸出一路行波信號(hào)Uo0行波信號(hào)Uo與同頻率參考信號(hào)Ur經(jīng)整形電路整形成方波后，再進(jìn)行比相。本發(fā)明的技術(shù)方案是“時(shí)柵傳感器的測量思想+磁柵和感應(yīng)同步器的激勵(lì)方式+ 容柵和旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)形式”，采用基于交變電場的駐波合成電行波的新方法，融合了現(xiàn)有的多種柵式位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的有益效果是采用差動(dòng)平行電容極板構(gòu)建的交變電場進(jìn)行測量，利用交流電橋結(jié)構(gòu)的傳感器測頭，通過同頻率正交的兩路駐波(電場耦合)信號(hào)疊加而成一個(gè)電行波信號(hào)，以高頻時(shí)鐘脈沖作為位移計(jì)量基準(zhǔn)；因此，本傳感器功耗低，重量輕，分辨力高，成本低。


圖1 (a)是定尺基體和測頭基體上的電極示意圖1 (b)是定尺基體上的電極與測頭基體上的電極的位置關(guān)系圖； 圖2是定尺左排電極、定尺右排電極的連接關(guān)系圖； 圖3是測頭基體左電極與定尺左排電極形成的差動(dòng)電容示意圖； 圖4 (a)是定尺左排電極構(gòu)成的交流電橋式結(jié)構(gòu)電路圖； 圖4 (b)是定尺右排排電極構(gòu)成的交流電橋式結(jié)構(gòu)電路圖； 圖5是行波信號(hào)Uo的合成電路原理圖； 圖6是本發(fā)明信號(hào)處理原理框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1 (a)、圖1 (b)、圖2、圖4 (a)、圖4 (b)所示，本發(fā)明所述的傳感器包括測頭基體1和定尺基體2兩部分；采用石英作為基體材料，通過在石英表面噴鍍一層鐵鎳合金作為電極。在定尺基體2的上表面均勻地覆有左、右兩排尺寸相同的長方形電極，即定尺左排電極2-1和定尺右排電極2-2，每個(gè)電極大小為10mm*4. 9mm，每排相鄰電極之間的間距為 0. 1mm。定尺左排電極2-1與定尺右排電極2_2的個(gè)數(shù)相等，起始位置相差2. 5mm。在測頭基體1下表面覆有上、下兩個(gè)電極，即測頭左電極1-1和測頭右電極1-2，每個(gè)電極大小為 10mm*4.9mm，形狀為一條
區(qū)間的正弦曲線圍成的區(qū)域。定尺左排的奇數(shù)號(hào)(即第1，3，5，···，55，57號(hào))電極連成一組，偶數(shù)號(hào)(即第2，4，6，…，56，58號(hào))電極連成一組，兩組電極組成A激勵(lì)相，在A激勵(lì)相加上
Ua = Umsin cjt激勵(lì)信號(hào)。定尺右排的奇數(shù)號(hào)(即第1，3，5，…，55，57號(hào))電極連成一組，
偶數(shù)號(hào)(即第2，4，6，…，56，58號(hào))電極連成一組，兩組電極組成B激勵(lì)相，在B激勵(lì)相加
上L'b = Um cos 61激勵(lì)信號(hào)。測頭基體1的下表面與定尺基體2的上表面相對(duì)平行放置，測頭基體1的測頭左電極1-1與定尺左排電極2-1正對(duì)，測頭基體1的測頭右電極1-2與定尺右排電極2-2正對(duì)，并留有間隙J=O. 2mm,測頭左電極1-1與定尺基體的A激勵(lì)相的相鄰兩個(gè)電極形成差動(dòng)電容C1和C2,其中C1為測頭左電極1-1與A激勵(lì)相奇數(shù)號(hào)電極之間形成的電容，C2為測頭左電極1-1與A激勵(lì)相偶數(shù)號(hào)電極之間形成的電容。測頭右電極1-2與定尺基體的B激勵(lì)相的相鄰兩個(gè)電極形成差動(dòng)電容G和G，其中G為測頭右電極1-2與B激勵(lì)相奇數(shù)號(hào)電極之間形成的電容，^4為測頭右電極1-2與B激勵(lì)相偶數(shù)號(hào)電極之間形成的電容。如圖3、圖4 (a)、圖4 (b)、圖5所示，當(dāng)測頭基體1向左移動(dòng)時(shí)，C1電容的相對(duì)覆蓋面積由小變大、再由大變小呈周期性變化，C2電容的相對(duì)覆蓋面積由大變小、再由小變大呈周期性變化，G和G的電容值也隨之相應(yīng)地呈周期性變化。采用交流電橋式結(jié)構(gòu)電路獲取測量信號(hào)，差動(dòng)電容G和差動(dòng)電容C12構(gòu)成一組交流電橋，輸出測量信號(hào)uai、Ua2 -,Ual接電橋的一端，作為參考點(diǎn)信號(hào)，接測頭左電極1-1。^a1和你2分別與第一儀表放大器Ul (INA141UA)的第2和3腳相連，第一儀表放大器Ul的第6腳輸出的信號(hào)Uoa可表示為
權(quán)利要求
1.一種基于交變電場的時(shí)柵直線位移傳感器，包括測頭基體(1)和定尺基體(2)兩部分，其特征是所述測頭基體下表面覆有左、右兩個(gè)電極；所述定尺基體上表面均勻地覆有左、右兩排電極，定尺左排電極(2-1)的起始位置與定尺右排電極(2-2)的起始位置相差1/2個(gè)電極寬度，定尺左排電極的奇數(shù)號(hào)電極連成一組，偶數(shù)號(hào)電極連成一組，兩組電極組成一個(gè)A激勵(lì)相，定尺右排電極的奇數(shù)號(hào)電極連成一組，偶數(shù)號(hào)電極連成一組，兩組電極組成一個(gè)B激勵(lì)相；測頭基體的下表面與定尺基體的上表面相對(duì)平行放置，測頭基體的測頭左電極(1-1) 與定尺左排電極正對(duì)，測頭基體的測頭右電極(1-2)與定尺右排電極正對(duì)，并留有一定間隙 、形成左、右兩組差動(dòng)電容；測頭基體與定尺基體相對(duì)移動(dòng)；定尺左排的A激勵(lì)相與定尺右排的B激勵(lì)相分別連接相位相差90°的等幅等頻正弦激勵(lì)電壓Ua、脅，測頭左電極與測頭右電極產(chǎn)生的兩路電場耦合信號(hào)Uoa、Uob經(jīng)加法電路合成一路行波信號(hào)你，該行波信號(hào)與一路相位固定的同頻率參考信號(hào)Ur經(jīng)整形電路整形后，由比相電路進(jìn)行比相；兩路信號(hào)的相位差由插補(bǔ)的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)表示，再經(jīng)過標(biāo)度變換得到測頭基體相對(duì)于定尺基體的直線位移值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交變電場的時(shí)柵直線位移傳感器，其特征是所述定尺左排電極(2-1)和定尺右排電極(2-2)的形狀為方形且大小相同；所述測頭左電極(1-1)和測頭右電極(1-2)的形狀為半正弦形，且其長度和寬度均與定尺左排電極的每個(gè)電極相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交變電場的時(shí)柵直線位移傳感器，其特征是所述定尺左排電極(2-1)的奇數(shù)號(hào)電極與測頭左電極(1-1)形成差動(dòng)電容C1,偶數(shù)號(hào)電極與測頭左電極(1-1)形成差動(dòng)電容C2 ；所述定尺右排電極(2-2)的奇數(shù)號(hào)電極與測頭右電極(1-2)形成差動(dòng)電容C3,偶數(shù)號(hào)電極與測頭右電極(1-2)形成差動(dòng)電容C4 ；所述差動(dòng)電容C1和差動(dòng)電容C2構(gòu)成一組交流電橋，輸出測量信號(hào)Ua1, Ua2 ；所述差動(dòng)電容C3和差動(dòng)電容C4構(gòu)成另一組交流電橋，輸出測量信號(hào)他、Ub20
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于交變電場的時(shí)柵直線位移傳感器，其特征是所述測量信號(hào)Uai、Ua2通過第一儀表放大器Ul輸出電場耦合信號(hào)Uoa ；所述測量信號(hào)Ubn Ub2通過第二儀表放大器U2輸出電場耦合信號(hào)Uob ；輸出的兩路電場耦合信號(hào)Uoa、Uob通過加法器 U3合成輸出一路行波信號(hào)Uo0
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于交變電場的時(shí)柵直線位移傳感器，其特征是所述行波信號(hào)Uo與同頻率參考信號(hào)Ur經(jīng)整形電路整形成方波后，再進(jìn)行比相。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于交變電場的時(shí)柵直線位移傳感器，包括測頭基體和定尺基體兩部分；測頭基體下表面覆有左、右兩個(gè)電極；定尺基體上表面均勻地覆有左、右兩排電極，定尺左、右兩排電極的起始位置相差1/2個(gè)電極寬度；測頭基體的下表面與定尺基體的上表面相對(duì)平行放置，并留有一定間隙δ，形成左、右兩組差動(dòng)電容；測頭基體與定尺基體相對(duì)移動(dòng)；定尺左、右兩排電極分別連接相位相差90°的等幅等頻正弦激勵(lì)電壓，測頭左、右電極分別產(chǎn)生的兩路電場耦合信號(hào)經(jīng)加法電路合成一路行波信號(hào)Uo，與一路相位固定的同頻參考信號(hào)Ur整形后，進(jìn)行比相；兩路信號(hào)的相位差由插補(bǔ)的時(shí)鐘脈沖表示，再通過變換得到直線位移值。它功耗低，重量輕，分辨力高，成本低。
文檔編號(hào)G01B7/02GK102288100SQ20111014596
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月1日
發(fā)明者劉小康, 彭東林, 彭凱, 朱革, 王先全 申請(qǐng)人:重慶理工大學(xué)