基於交變電場的絕對式直線時柵位移傳感器的製作方法

2023-05-20 16:36:51

本發明屬於精密直線位移傳感器，具體是一種基於交變電場的絕對式直線時柵位移傳感器。

技術背景

傳統的精密直線位移測量主要是柵式傳感器，典型的以光柵、磁柵、容柵等柵式傳感器為代表，其共同的特點都是以空間均分的柵線作為測量基準。為了提高測量精度和解析度，這些柵式傳感器採用精密刻線且需要依靠高精度電子細分技術，複雜嚴苛的刻線工藝和電子細分電路造成傳感器的成本高，抗幹擾能力差。近年來國內研製出一種以時鐘脈衝作為位移測量基準的時柵傳感器，並在此基礎上研製了一種基於交變電場的時柵位移傳感器，專利號：201110145967.5。在後續研究中又申請了基於單排多層結構的電場式時柵直線位移傳感器，專利申請號：CN201410102437.6，公開號：CN103822571A。這種傳感器以高頻時鐘脈衝作為測量基準，採用平行電容板構建的交變電場進行精密位移測量。雖然這兩種電場式時柵位移傳感器能實現精密測量，但採用的是增量計數方式，存在累計誤差且只能識別一個周期內的位移量。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對上述現有技術的不足，提出一種基於交變電場的絕對式直線時柵位移傳感器，它採用粗測和精測相結合的方式實現絕對位移測量，其能在系統上電時立刻獲得當前位置信息而無需歸零操作，斷電後數據不丟失，簡化了控制系統設計，其結構簡單，功耗低，對機械安裝精度要求低，可實現大量程範圍內的高精度絕對位移測量。

本發明技術方案如下：

一種基於交變電場的絕對式直線時柵位移傳感器，包括測頭基體和定尺基體兩部分。定尺基體上設有一排等寬等間距的矩形激勵電極，其中第4n+1號電極連成一組，組成A激勵電極組，第4n+2號電極連成一組，組成B激勵電極組，第4n+3號電極連成一組，組成C激勵電極組，第4n+4號電極連成一組，組成D激勵電極組，每組激勵電極的所有矩形激勵電極高度的頂點連線形成的包絡線為周期不大於2π的正弦曲線，A,B,C,D激勵電極組的正弦曲線相位依次相差90°。

具體地，在定尺基體表面依次覆有4層介質膜，第一層為金屬膜，噴塗4條激勵信號引線；第二層為絕緣膜；第三層為金屬膜，噴塗定尺電極即A,B,C,D激勵電極組；第四層為絕緣保護膜。第三層中A,B,C,D激勵電極組的各組矩形激勵電極高度的頂點連線所形成的包絡線分別為相位依次相差90°周期不大於2π的正弦曲線，A,B,C,D激勵電極組各個矩形激勵電極的高度在一個基礎高度h的基礎上向矩形激勵電極頂點兩端進行延伸，所述基礎高度h為所有矩形激勵電極的共有高度，其延伸的高度為：

A激勵電極組延伸的高度：

B激勵電極組延伸的高度：

C激勵電極組延伸的高度：

D激勵電極組延伸的高度：

其中i∈N*，φ∈(0,2π]

上述所有公式，其中，i為對極數序號，hi取值的正負表示方向，延伸高度為其絕對值；A為延伸部分正弦曲線的幅值高度，W為激勵電極的極距，b為單個極片寬度，L為定尺所有電極排列長度之和，φ∈(0,2π]為定尺長度L所對應的相角，為初始相位角。

測頭基體下表面中間設有一排大小相同等間距的雙正弦形精測電極，精測電極的左右兩側分別是大小相同的矩形粗測電極Ⅰ和矩形粗測電極Ⅱ。

具體地，所述測頭基體表面有4層介質膜，第一層為金屬膜，噴塗一條精測電極引線；第二層為絕緣膜；第三層為金屬膜，噴塗測頭電極即雙正弦形精測電極、矩形粗測電極Ⅰ和矩形粗測電極Ⅱ；第四層為絕緣保護膜。第三層中測頭中間是沿測頭基體直線位移方向的一排大小相同等間距的雙正弦形精測電極，電極寬度為W，測頭精測電極由底部引線把各個精測電極連接起來；精測電極兩側是大小相同的矩形粗測電極Ⅰ和矩形粗測電極Ⅱ，粗測電極沿測頭基體直線位移方向的長度為L/2，寬度為A。

具體地，所述測頭基體的精測電極的形狀為兩個正弦上下對稱形成的雙正弦形，由此獲得正對面積按正弦規律變化的耦合電容，進一步獲取位移調製信號。其正弦極片的寬度為W，高度略小於h，相鄰極片之間的絕緣距離相等為3W。粗測電極Ⅰ和粗測電極Ⅱ為大小相同的矩形，長度為L/2，寬度為A，精測電極底部有一條精測電極引線，分別把各個精測電極連接起來。

測頭基體的下表面與定尺基體的上表面相對平行放置，測頭基體的下表面精測電極與定尺基體的上表面激勵電極正對，並留有一定間隙δ，形成耦合電容。

測量時，測頭基體與定尺基體相平行對移動，定尺的A,B,C,D四個激勵電極分別連接相位依次相差90°的同頻等幅正弦激勵電壓Ua,Ub,Uc,Ud，在測頭的精測電極產生一路正弦行波信號Uo1，Uo1與同頻參考信號Ur經整形電路整形成方波後由比相電路比相，比相後得到的相位差由高頻插補脈衝時鐘脈衝表示，再通過標度變換得到測頭基體相對於定尺基體的精測直線位移值，即對極內位移值；在粗測電極Ⅰ和粗測電極Ⅱ上產生符號相反的兩路同頻等幅正弦行波信號和兩路正弦行波信號經差動電路形成一路正弦行波信號Uo2，Uo2與同頻參考信號Ur經整形電路整形成方波後由比相電路比相，比相後得到的相位差由高頻插補脈衝時鐘脈衝表示，再通過標度變換得到測頭基體相對於定尺基體的粗測直 線位移值，即對極定位；將粗測和精測相結合的測量方式實現大量程範圍內的絕對位移測量。

具體地，精測部分是由定尺A,B,C,D激勵電極的共有高度極片部分與測頭雙正弦精測電極形成的耦合電場進行測量，測頭雙正弦精測電極相對於定尺A,B,C,D激勵電極的運動，等同於定尺A,B,C,D激勵電極的共有高度極片部分在測頭雙正弦精測電極的運動；粗測部分是由定尺A,B,C,D激勵電極延長部分電極與測頭矩形粗測電極形成的耦合電場進行測量，A,B,C,D激勵電極組的矩形激勵電極高度的頂點連線形成4條正弦曲線，4條正弦曲線的頻率f和幅值A均相等；A,B,C,D激勵電極組頂點連線形成的包絡線為相位依次相差90°周期不大於2π的正弦曲線，測頭基體矩形粗測電極相對於定尺A,B,C,D激勵電極延長部分電極的運動等同於測頭矩形粗測電極在離散的正弦曲線上的運動。

本發明的技術方案是採用電場耦合直接形成電行波然後整形比相處理得到精測直線位移值，即對極內測量；同時通過定尺延長部分高度的頂點連線形成的正弦形包絡線與測頭基體矩形粗測電極之間形成的耦合電場耦合到電行波，電行波經整形比相處理得粗測直線位移值，即對極定位。採用「粗測+精測」相結合的方式實現絕對位移測量，融合了現有的多種柵式位移傳感器的優點。

本發明的有益效果是：採用激勵電極延長部分離散型矩形極片高度的頂點連線形成的正弦形包絡線與測頭基體矩形粗測電極之間的耦合電場直接感應電行波，進行對極定位；利用雙正弦形的精測電極與定尺矩形極片之間的耦合電場直接感應電行波進行精度測量；採用對稱的差動結構提高測量的穩定性，抑制共模幹擾，增強信號幅值；而且，本傳感器結構簡單，功耗低，可實現大量程範圍的絕對位移測量，對機械安裝精度要求低，工業適應性更強。

附圖說明

圖1(a)是定尺基體和測頭基體上的電極示意圖。

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係圖。

圖2是定尺電極的信號連接關係圖。

圖3是測頭電極與定尺電極形成的耦合電容示意圖。

圖4是本發明信號處理原理框圖。

具體實施方式

以下結合附圖進一步詳細說明本發明的結構和工作原理。

如圖1(a)、圖1(b)、圖2、圖3所示，本發明所述的傳感器包括測頭基體(1)和定尺基體(2)兩部分。採用陶瓷作為基體材料，定尺基體上表面依次覆有四層介質膜，第一層為金屬膜，第二層為絕緣膜，第三層為金屬膜，第四層為絕緣保護膜。第一層金屬膜為4條扁平帶狀導線位於電極下面，即4條激勵信號引線(2-2)，分別用於將A,B,C,D各個激勵電極的對應電極條連成一組，第三層金屬膜覆有A,B,C,D四組激勵電極，每個電極條寬度b＝2mm，極距W＝2.2mm，共有高度h＝20mm，A,B,C,D四組激勵電極的高度在一個基礎高度h的基礎上向矩形激勵電極頂點兩端進行延伸，所述基礎高度h為所有矩形激勵電極的共有高度，其延伸的高度為：

A激勵電極組延伸的高度：

B激勵電極組延伸的高度：

C激勵電極組延伸的高度：

D激勵電極組延伸的高度：

其中i∈N*，φ∈(0,2π]

上述所有公式，其中，i為對極數序號，hi取值的正負表示方向，延伸高度為其絕對值；A為延伸部分正弦曲線的幅值高度，W為激勵電極的極距，b為單個極片寬度，L為定尺所有電極排列長度之和，φ∈(0,2π]為定尺長度L所對應的相角，為初始相位角。

在測頭基體(1)下表面依次覆有4層介質膜，第一層為金屬膜，第二層為絕緣膜，第三層為金屬膜，第四層為絕緣保護膜；第一層金屬膜為一條扁平帶狀導線位於電極下面，即精測電極引線(1-4)，第三層金屬膜覆有三排電極，中間覆有一排雙正弦形精測電極，其寬度為2.0mm，高度為20mm，其形狀為兩個正弦上下對稱形成的雙正弦形；測頭粗測電極Ⅰ和粗測電極Ⅱ的大小125mm*20.5mm。

定尺基體激勵電極的第4n+1號電極連成一組，組成A激勵電極，第4n+2號電極連成一組，組成B激勵電極，第4n+3號電極連成一組，組成C激勵電極，第4n+4號電極連成一組，組成D激勵電極。在A激勵電極施加激勵電壓Ua＝+Umsinωt，在B激勵電極施加激勵電壓Ub＝+Um cosωt，在C激勵電極施加激勵電壓Uc＝-Um sinωt，在D激勵電極施加激勵電壓Ud＝-Umcosωt；激勵信號經測頭雙正弦形精測電極與定尺激勵電極形成的耦合電場，在精測電極輸出一路正弦行波信號Uo1，其行波表達式為：

激勵信號經粗測電極Ⅰ和粗測電極Ⅱ與定尺激勵電極延長部分形成的耦合電場，在粗測電極Ⅰ和粗測電極Ⅱ輸出兩路符號相反的同頻等幅正弦行波信號和其行波表達式為：

其中激勵信號的幅值Um＝5V，頻率f＝40KHz，角頻率ω＝2πf＝8×104π，Ke為電場耦合係數，x為測頭和定尺之間的相對位移，W為極距，L為定尺所有排列電極長度之和。

如圖4所示，將測頭基體上雙正弦形精測電極感應到的正弦行波信號Uo1與一路相位固定的同頻參考正弦信號Ur接入整形電路整形後得到方波信號，將兩路同頻方波信號送入比相電路處理，得到的相位差由高頻脈衝插補計數經計算處理後得測頭基體相對於定尺基體的精測直線位移值x，即對極內測量；同理，將測頭基體上方形粗測電極Ⅰ和粗測電極Ⅱ感應 到的行波信號和進行差分處理形成行波信號Uo2，然後將Uo2與一路相位固定的同頻參考正弦信號Ur接入整形電路整形後得到方波信號，將兩路同頻方波信號送入比相電路處理，得到的相位差由高頻脈衝插補計數經計算處理後得測頭基體相對於定尺基體的粗測直線位移值，即進行對極定位。採用先定位測頭基體移動到定尺的對極數N，然後與對極內測量的位移值x相結合的測量方式得動尺基體相對於定尺基體移動的絕對位移值S＝4NW+x。