CN109211095B - 一种基于交变电场的绝对式时栅角位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于交变电场的绝对式时栅角位移传感器，包括转子基体和定子基体，转子基体下表面设有独立的感应电极Ⅰ、感应电极Ⅱ，定子基体上表面设有独立的激励电极Ⅰ和激励电极Ⅱ，激励电极Ⅰ、Ⅱ的四个激励相分别输入四路激励信号，感应电极Ⅰ输出精测正弦行波信号Uo1，感应电极Ⅱ输出差动正弦行波信号Uo2，利用精测正弦行波信号Uo1计算精测角位移值，利用差动正弦行波信号Uo2计算粗测对极位置值，将精测角位移值与粗测对极位置值相结合得到绝对角位移值。该传感器能实现高精度的绝对角位移测量。
Description
技术领域
本发明涉及精密角位移传感器，具体涉及一种基于交变电场的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。相比增量式，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。近年来研制出一种以时钟脉冲作为位移测量基准的时栅传感器，并在此基础上研制出了一种电场式时栅角位移传感器(公开号为CN103968750A)，这种传感器以高频时钟脉冲作为测量基准，采用平行电容板构建交变电场进行精密位移测量，虽然能够实现精密测量，但是其采用增量计数方式，存在累计误差且只能识别一个周期内的角位移量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于交变电场的绝对式时栅角位移传感器，以实现高精度的绝对角位移测量。
本发明所述的基于交变电场的绝对式时栅角位移传感器，包括定子基体和与定子基体同轴安装的转子基体，转子基体下表面与定子基体上表面正对平行，并留有间隙，转子基体下表面设有感应电极Ⅰ，定子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，其中，第4n1+1号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成A1激励相，第4n1+2号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成B1激励相，第4n1+3号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成C1激励相，第4n1+4号扇环形极片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。
所述定子基体上表面设有激励电极Ⅱ，激励电极Ⅱ位于激励电极Ⅰ的内侧，所述转子基体下表面设有差动式的感应电极Ⅱ，感应电极Ⅱ与激励电极Ⅱ正对(即感应电极Ⅱ位于感应电极Ⅰ的内侧)。
所述感应电极Ⅰ由一圈相同的双正弦形极片沿圆周方向等间隔排布组成，该双正弦形极片所对的圆心角等于所述扇环形极片Ⅰ所对的圆心角，其中，第4n2+1号双正弦形极片连成一组，组成A感应组，第4n2+2号双正弦形极片连成一组，组成B感应组，第4n2+3号双正弦形极片连成一组，组成C感应组，第4n2+4号双正弦形极片连成一组，组成D感应组，n2依次取0至M2-1的所有整数，M2表示感应电极Ⅰ的对极数，M2＝M1。
所述激励电极Ⅱ由径向高度相同、圆心角相等的四个扇环形极片Ⅱ沿圆周方向等间隔排布组成，所述的四个扇环形极片Ⅱ分别独立构成A2、B2、C2、D2激励相(即第1号扇环形极片Ⅱ构成A2激励相，第2号扇环形极片Ⅱ构成B2激励相，第3号扇环形极片Ⅱ构成C2激励相，第4号扇环形极片Ⅱ构成D2激励相)。
测量时，转子基体与定子基体相对平行转动，对A1、B1、C1、D1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，同时对A2、B2、C2、D2激励相也分别施加所述相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励电压，感应电极Ⅰ的A、B、C、D感应组产生四路相位相差90°的同频等幅行波信号，经求和平均后获得精测正弦行波信号Uo1，感应电极Ⅱ上产生相位相差180°的同频等幅的第一、第二行波信号，经减法电路后获得差动正弦行波信号Uo2，精测正弦行波信号Uo1经处理后得到精测角位移值(即对极内角位移值)，差动正弦行波信号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绝对角位移值。
所述感应电极Ⅰ中的双正弦形极片沿圆周方向展开后的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的全封闭轴对称图形。
所述感应电极Ⅱ有两种结构形式：
第一种感应电极Ⅱ的整体形状为圆环，圆环由半径为b的内圆与半径为a的外圆围成，并被一条周期为360°、线宽为d的封闭正弦极坐标曲线剖成相互绝缘的两块极片，两块极片分别作为所述第一、第二行波信号的输出电极。
第二种感应电极Ⅱ由相同的两个扇叶形极片沿圆周方向间隔相等的弧长排布组成，该扇叶形极片的形状为[-π,0]区间的两条相同的余弦极坐标曲线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的全封闭图形，所述的两条相同的余弦极坐标曲线段的起始点所夹的圆心角为β，两个扇叶形极片分别作为所述第一、第二行波信号的输出电极。
本发明具有如下效果：
(1)各电极布局更紧凑，信号处理电路简单易行，适合小型化、集成化发展。
(2)精测信号为多对极的感应电极Ⅰ输出的精测正弦行波信号Uo1，利用多路求和平均的信号处理方式，大大提高了信号的质量和相位稳定性。
(3)感应电极Ⅱ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，工业适应性更强。
附图说明
图1为实施例1中定子基体上的电极与转子基体上的电极示意图。
图2为实施例1中定子基体与转子基体的对应关系示意图。
图3为实施例1中定子基体的引线示意图。
图4为实施例1中转子基体的引线示意图。
图5为实施例1的信号处理原理框图。
图6为实施例2中定子基体上的电极与转子基体上的电极示意图。
图7为实施例2中定子基体与转子基体的对应关系示意图。
图8为实施例2中转子基体的引线示意图。
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所示的基于交变电场的绝对式时栅角位移传感器，包括定子基体1和与定子基体1同轴安装的转子基体2，转子基体2下表面与定子基体1上表面正对平行，并留有0.5mm间隙，定子基体1、转子基体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。
如图1至图3所示，定子基体1上表面由外圈到内圈依次设有激励电极Ⅰ11和激励电极Ⅱ12。
激励电极Ⅰ11由一圈内圆半径为41mm、径向高度为9mm、圆心角为2.25°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2.25°，激励电极Ⅰ11的对极数M1＝20，每相邻的四个扇环形极片Ⅰ形成一个对极，则总共有80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通过第一根激励信号连接线连成一组，组成A1激励相，第4n1+2号扇环形极片Ⅰ通过第二根激励信号连接线连成一组，组成B1激励相，第4n1+3号扇环形极片Ⅰ通过第三根激励信号连接线连成一组，组成C1激励相，第4n1+4号扇环形极片Ⅰ通过第四根激励信号连接线连成一组，组成D1激励相，n1依次取0至19的所有整数。
激励电极Ⅱ12由内圆半径为21mm、径向高度为7mm、圆心角为89.45°的四个扇环形极片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0.55°，该间隔对应的内圆弧长为0.2mm，沿圆周顺时针方向第1号扇环形极片Ⅱ构成A2激励相，第2号扇环形极片Ⅱ构成B2激励相，第3号扇环形极片Ⅱ构成C2激励相，第4号扇环形极片Ⅱ构成D2激励相。
如图1、图2、图4所示，转子基体2下表面由外圈到内圈依次设有感应电极Ⅰ21和差动式的感应电极Ⅱ22，感应电极Ⅰ21与激励电极Ⅰ11正对，感应电极Ⅱ22与激励电机Ⅱ12正对。
感应电极Ⅰ21由一圈相同的双正弦形极片沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个双正弦形极片之间间隔的圆心角)为2.25°，感应电极Ⅰ21的对极数M2＝20，每相邻的四个双正弦形极片形成一个对极，则总共有80个双正弦形极片，双正弦形极片沿圆周方向展开后的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的全封闭轴对称图形，每个双正弦形极片的中心到圆心的距离(即每个双正弦形极片的中心所在的圆的半径)为45.5mm，每个双正弦形极片的径向高度为8mm、所对的圆心角为2.25°；其中，沿圆周顺时针方向其中，第4n2+1号双正弦形极片通过第一根感应信号连接线连成一组，组成A感应组，第4n2+2号双正弦形极片通过第二根感应信号连接线连成一组，组成B感应组，第4n2+3号双正弦形极片通过第三根感应信号连接线连成一组，组成C感应组，第4n2+4号双正弦形极片通过第四根感应信号连接线连成一组，组成D感应组，n2依次取0至19的所有整数，感应电极Ⅰ21的每个对极内的四个双正弦形极片与激励电极Ⅰ11的每个对极内的四个扇环形极片Ⅰ的空间位置一一对应。
感应电极Ⅱ22的整体形状为圆环，圆环由半径为21.25mm的内圆与半径为27.75mm的外圆围成，圆环的径向高度为6.5mm，圆环被一条周期为360°(即只具有一个周期)、线宽为0.2mm的封闭正弦极坐标曲线剖成相互绝缘的两块极片，圆环(即感应电极Ⅱ22)的一块极片作为第一行波信号的输出电极(即在激励作用下可产生第一行波信号)，圆环(即感应电极Ⅱ22)的另一块极片作为第二行波信号的输出电极(即在激励作用下可产生第二行波信号)。
测量时，转子基体2与定子基体1相对平行转动，对A1、B1、C1、D1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(即四根激励信号连接线中分别通入相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励信号)，同时对A2、B2、C2、D2激励相也分别同样施加前述相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励电压，感应电极Ⅰ21的A、B、C、D感应组产生四路相位相差90°的同频等幅行波信号，感应电极Ⅱ22上产生相位相差180°的同频等幅的第一、第二行波信号。
感应电极Ⅰ21的A、B、C、D感应组产生的四路相位相差90°的同频等幅行波信号，经求和平均后得到精测正弦行波信号Uo1：
第一、第二行波信号经减法电路合成差动正弦行波信号Uo2：
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，θ为精测角位移值。
精测正弦行波信号Uo1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角位移值；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，并经变换后得到粗测对极位置值；FPGA信号处理系统将精测角位移值与粗测对极位置值相结合得到绝对角位移值(参见图5)。
实施例2：如图6、图7、图8所示，本实施例的基于交变电场的绝对式时栅角位移传感器的大部分结构与实施例1相同，不同之处在于：感应电极Ⅱ22由相同的两个扇叶形极片沿圆周方向间隔0.2mm的弧长排布组成，一个扇叶形极片和一个弧长间隔所对的圆心角为180°，扇叶形极片的形状为[-π,0]区间的两条相同的余弦极坐标曲线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的全封闭图形，即[-π,0]区间的两条相同的余弦极坐标曲线段中的一条在其起始点与内圆弧相交、在其终止点与外圆弧相交，另一条也在其起始点与内圆弧相交、在其终止点与外圆弧相交，从而围成全封闭图形，全封闭图形(相当于扇叶形极片)的内圆半径为21.25mm，径向高度为6.5mm，则其外圆半径为27.75mm，两条相同的余弦极坐标曲线段的起始点所夹的圆心角(即全封闭图形的内圆弧所对的圆心角)β＝179.46°，两个扇叶形极片分别作为第一、第二行波信号的输出电极(即在激励作用下可分别产生第一行波信号、第二行波信号)。
Claims (4)
1.一种基于交变电场的绝对式时栅角位移传感器，包括定子基体(1)和与定子基体(1)同轴安装的转子基体(2)，转子基体下表面与定子基体上表面正对平行，并留有间隙，转子基体下表面设有感应电极Ⅰ(21)，定子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，其中，第4n1+1号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成A1激励相，第4n1+2号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成B1激励相，第4n1+3号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成C1激励相，第4n1+4号扇环形极片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：
所述定子基体上表面设有激励电极Ⅱ(12)，激励电极Ⅱ位于激励电极Ⅰ的内侧，所述转子基体下表面设有差动式的感应电极Ⅱ(22)，感应电极Ⅱ与激励电极Ⅱ正对；
所述感应电极Ⅰ(21)由一圈相同的双正弦形极片沿圆周方向等间隔排布组成，该双正弦形极片所对的圆心角等于所述扇环形极片Ⅰ所对的圆心角，其中，第4n2+1号双正弦形极片连成一组，组成A感应组，第4n2+2号双正弦形极片连成一组，组成B感应组，第4n2+3号双正弦形极片连成一组，组成C感应组，第4n2+4号双正弦形极片连成一组，组成D感应组，n2依次取0至M2-1的所有整数，M2表示感应电极Ⅰ的对极数，M2＝M1；
所述激励电极Ⅱ(12)由径向高度相同、圆心角相等的四个扇环形极片Ⅱ沿圆周方向等间隔排布组成，所述的四个扇环形极片Ⅱ分别独立构成A2、B2、C2、D2激励相；
测量时，转子基体与定子基体相对平行转动，对A1、B1、C1、D1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，同时对A2、B2、C2、D2激励相也分别施加所述相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励电压，感应电极Ⅰ的A、B、C、D感应组产生四路相位相差90°的同频等幅行波信号，经求和平均后获得精测正弦行波信号Uo1，感应电极Ⅱ上产生相位相差180°的同频等幅的第一、第二行波信号，经减法电路后获得差动正弦行波信号Uo2，精测正弦行波信号Uo1经处理后得到精测角位移值，差动正弦行波信号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绝对角位移值。
2.根据权利要求1所述的基于交变电场的绝对式时栅角位移传感器，其特征是：所述感应电极Ⅰ(21)中的双正弦形极片沿圆周方向展开后的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的全封闭轴对称图形。
3.根据权利要求1或2所述的基于交变电场的绝对式时栅角位移传感器，其特征是：所述感应电极Ⅱ(22)的整体形状为圆环，圆环由半径为b的内圆与半径为a的外圆围成，并被一条周期为360°、线宽为d的封闭正弦极坐标曲线剖成相互绝缘的两块极片，两块极片分别作为所述第一、第二行波信号的输出电极。
4.根据权利要求1或2所述的基于交变电场的绝对式时栅角位移传感器，其特征是：所述感应电极Ⅱ(22)由相同的两个扇叶形极片沿圆周方向间隔相等的弧长排布组成，该扇叶形极片的形状为[-π,0]区间的两条相同的余弦极坐标曲线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的全封闭图形，所述的两条相同的余弦极坐标曲线段的起始点所夹的圆心角为β，两个扇叶形极片分别作为所述第一、第二行波信号的输出电极。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器";彭凯等;《仪器仪表学报》;20170331;第38卷(第3期);第734-740页 |
Also Published As
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