雙頻激勵的電容位移精密測量裝置製造方法

2023-10-31 06:06:42

雙頻激勵的電容位移精密測量裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種雙頻激勵的電容位移精密測量裝置，所訴雙頻激勵的電容位移精密測量裝置包括發射電極絕緣基板1和接收電極絕緣基板9。採用低頻6、高頻5正弦電壓源疊加耦合4激勵絕緣基板1發射電極8，通過電容耦合效應，接收電極19將極距間隙20變化轉換為雙頻調幅信號，並通過高阻抗緩衝解耦電路12、帶通濾波放大電路13、精密整流電路14獲得雙路位移調製電壓信號。通過判斷雙路位移調製電壓信號幅值的相對關係即可精確計算接收電極相對發射電極的位移、運動速度和方向。這種電容位移精密測量過程不依賴接收電極單路輸出信號的瞬時幅值；裝置方案靈活，測量精度高，傳感原件安裝精度要求低，易於在低成本自動化裝置中推廣應用。
【專利說明】雙頻激勵的電容位移精密測量裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種電氣方法檢測設備，具體是一種雙頻激勵的電容位移精密測量裝置。

【背景技術】
[0002]隨著現代工業和科學技術的迅猛發展，精密及超精密測量在精密機械技術、微電子技術、超精密加工技術等領域的應用越來越廣泛。位移的精密測量是幾何測量中的最主要的研究方向之一，隨著加工精度的提高促使著更高精度的測量技術和方法的創新，實際應用中已經有利用光柵、磁柵、雷射等方法的測量儀器，極大地豐富了測量的手段，同時也推動著位移測量技術往高精度、大量程、多維位移測量的方向發展。目前工業和生活中應用較多的精密位移測量技術手段主要有:差動變壓器式位移傳感器、雙頻雷射幹涉儀、雷射位移傳感器、光柵尺、顯微鏡測試技術和電容式位移傳感器等。
[0003]目前的精密位移測量領域，電容式位移傳感器尤其是通過極板間距變化導致靜電電容量變化的電容效應位移傳感器，因具有結構簡單、動態響應好、成本低、穩定性好、測量精度高、能實現非接觸式測量等特點而被廣泛應用於各個領域。由於電容傳感器兩極板間的靜電電容值較小，隨著激勵信號頻率的不斷提高，耦合信號不僅衰減嚴重、易受幹擾，且前端電路的線性度很難保證。採用低頻激勵時，驅動信號強度雖然較大，但對動態位移，特別是振動信號的響應速度很難滿足要求；採用恆定電流驅動方式，可以提高位移響應速度和精度，但輸出信號中含有較大直流偏置；採用雙電極模型可減小信號偏置和漂移，提高信噪比，但檢測電路抗幹擾性能較差；採用高頻驅動方式雖可提高有效輸出信號的靈敏度，但位移測量範圍受限。上述因素使得目前的電容位移精密測量裝置在總量龐大的一般性生產裝備和各種日用裝置中應用受限。


【發明內容】

[0004]本實用新型針對現有技術的不足，提供一種方案靈活、測量精度高，抗幹擾能力強，應用簡便的雙頻激勵電容位移精密測量裝置。
[0005]本實用新型的技術方案如下:
[0006]一種雙頻激勵的電容位移精密測量裝置，其特徵在於:在一絕緣基板底面製備發射電極，發射電極為一圓形電極，電極中心通過一過孔至正面與主線相連；在另一絕緣基板上製備接收電極，同時為了減小幹擾以及電場邊緣效應對測量結果的影響，接收電極被一等位環結構緊密包圍，兩者之間保持電氣絕緣，接收電極與等位環的整體尺寸與發射電極尺寸一致；在絕緣基板發射電極和接收電極的另一表面製備屏蔽層，屏蔽層完整覆蓋下表面的全部電極；進行位移精密測量時，將發射電極絕緣基板安裝在固定參照物上，將接收電極絕緣基板安裝在移動物體上，保持接收電極絕緣基板與發射電極絕緣基板平行、發射電極與接收電極中心對齊，發射電極與接收電極之間有一空氣間隙，用幅值相等的高頻、低頻兩種正弦電壓源混合疊加後激勵發射電極，將接收電極中心通過過孔引出的主線連接至電壓信號檢測電路，通過DSP計算分析接收電極兩路輸出位移調製電壓信號得出被測量物體相對固定參照物的位移、動態響應以及檢測解析度。
[0007]本實用新型的發射電極接入兩個幅值一致的高頻、低頻正弦交流電壓源疊加信號；接收電極在正對發射電極上方豎直移動時，接收電極耦合的高頻、低頻正弦交流電壓信號，其幅值隨上下移動的距離變化而產生變化，通過相應的C/V轉換電路，可得到距離與電壓的對應關係。
[0008]本實用新型將高頻激勵信號、低頻激勵信號疊加後共用一個電極發射信號，通過接收電極端解耦電路將信號還原為與原信號相同頻率的高頻、低頻濾波信號。通過後續放大電路、精密整流電路可得到兩路不同的直流信號。高頻激勵方式能在響應速度上體現優勢；低頻激勵方式在位移解析度、測量範圍、線性度、抗幹擾等指標上性能較優。
[0009]本實用新型的接收電極尺寸設計適中，保證了輸出信號的強度；發射電極與接收電極之間為空氣間隙，位移測量過程是非接觸工作方式，測量過程不發生機械摩擦和損耗。
[0010]本實用新型的接收絕緣基板與發射絕緣基板之間氣隙大小、介電常數變化導致的接收電極與發射電極耦合電容發生變化時，接收電極輸出的高頻、低頻電壓信號的幅值同步變化，通過判斷兩組電壓信號幅值的相對關係即可精確計算接收電極相對發射電極的位移、運動速度和運動方向。
[0011]本實用新型的位移測量過程不依賴接收電極單路輸出信號的瞬時幅值；本實用新型方案靈活，測量精度高，傳感原件安裝精度要求低，易於在低成本自動化裝置中推廣應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型示意圖。
[0013]圖2為發射電極絕緣基板的上表面I示意圖。
[0014]圖3為發射電極絕緣基板的下表面7示意圖。
[0015]圖4為接收電極絕緣基板的上表面9示意圖。
[0016]圖5為接收電極絕緣基板的下表面17示意圖。

【具體實施方式】
[0017]如圖1所示，雙頻激勵的電容位移精密測量方法，其特徵在於:
[0018]A、在發射電極絕緣基板的下表面7製備圓形發射電極8，圓形發射電極8的半徑適中，以保證輸出信號的強度；圓形發射電極8的圓心處有一小直徑的過孔2，過孔2與發射電極8之間電氣導通(如圖3所示)；
[0019]B、在發射電極絕緣基板的上表面I製備高頻正弦交流電壓源電路5、低頻正弦交流電壓源電路6以及疊加耦合電路4，高頻正弦交流電壓源電路5和低頻正弦交流電壓源電路6分別與疊加耦合電路4相連，疊加耦合電路4通過主線3與過孔2相連(如圖2所示)；
[0020]C、在接收電極絕緣基板的下表面17製備一圓形接收電極19和一等位環18,等位環18將接收電極19緊密包圍，等位環18和接收電極19之間保持電氣絕緣，等位環18和接收電極19共圓心，等位環18和接收電極19的整體尺寸與發射電極8尺寸一致，圓形接收電極19的圓心處有一小直徑的過孔10，過孔10與接收電極19之間電氣導通(如圖5所示)；
[0021]D、在接收電極絕緣基板的上表面9製備高頻電壓檢測電路15、低頻電壓檢測電路16、整流電路14、放大電路13以及解耦電路12，過孔10通過主線11連接至解耦電路12，解耦電路12與放大電路13相連，放大電路13與整流電路14相連，整流電路14分別連接到高頻電壓檢測電路15和低頻電壓檢測電路16上(如圖4所示)；
[0022]E、將發射電極絕緣基板I通過一個手動調節精密位移臺安裝在一個鋼製基座上，接收電極絕緣基板9通過合金L型夾具固定在位移臺的Z軸平臺上。測試過程中，首先調整位移臺的X軸和Y軸使發射電極8和接收電極19保持中心對齊，位移臺的Z軸用來產生可調氣隙20，即有效位移信號(如圖1所示)；
[0023]F、接收絕緣基板9與發射絕緣基板I之間氣隙大小、介電常數變化導致的接收電極19與發射電極8耦合電容發生變化(如圖1所示)；
[0024]本實用新型接收電極19的耦合信號首先通過由高輸入阻抗放大器和兩組高頻、低頻的RLC串聯諧振濾波電路構成緩衝解耦電路12，從而將混頻信號解耦獲得兩路高頻、低頻調幅信號。RLC濾波器輸出的調幅信號通過放大電路13和精密整流電路14後得到最終的兩路位移調製電壓信號(如圖4、5所示)；
[0025]本實用新型採用針對容性負載的高頻運放晶片驅動發射電極8，高頻正弦交流電壓源電路5和低頻正弦交流電壓源電路6採用了有源晶振多諧振蕩器和RLC串聯諧振帶通濾波器產生正弦信號(如圖1、2所示)；
[0026]本實用新型參考位移信號基於高精度數字脈衝長度計，參考位移信號和接收電極絕緣基板9輸出兩路位移調製電壓信號分別通過DSP晶片的增強正交編碼脈衝(eQEP)模塊和高精度模擬數字轉換晶片(A/D)進行同步採樣和數據分析，得到雙頻位移調製電壓信號和極板間距20的實時數值關係(如圖1所示)；
[0027]本實用新型根據得到的雙頻位移調製電壓信號和極板間距20的實時數值關係，可精確計算接收電極相對發射電極的位移、運動速度和運動方向(如圖1所示)；
[0028]本實用新型採用的高輸入阻抗放大器型號為THS4631，採用的高頻運放晶片型號為 THS4041 (Texas instruments)；
[0029]本實用新型採用的高精度數字脈衝長度計(Magnescale DK812VR Japan)，其量程為12mm，解析度0.1 μ m，滿量程測量精度為I μ m,最大位移響應速度為42m/min ；
[0030]本實用新型採用的DSP晶片為TMS320F28335，採用的高精度模擬數字轉換晶片(A/D)為 AD7606 ；
[0031]本實用新型的絕緣基板採用印刷電路板(Printed Circuit Board-PCB)工藝製作。PCB工藝具有結構簡單、成本低、設計製作周期短、重量輕且易於固定等優點。
【權利要求】
1.一種雙頻激勵的電容位移精密測量裝置，其特徵在於:在一絕緣基板底面製備發射電極，發射電極為一圓形電極，電極中心通過一過孔至正面與主線相連；在另一絕緣基板上製備接收電極，同時為了減小幹擾以及電場邊緣效應對測量結果的影響，接收電極被一等位環結構緊密包圍，兩者之間保持電氣絕緣，接收電極與等位環的整體尺寸與發射電極尺寸一致；在絕緣基板發射電極和接收電極的另一表面製備屏蔽層，屏蔽層完整覆蓋下表面的全部電極；進行位移精密測量時，將發射電極絕緣基板安裝在固定參照物上，將接收電極絕緣基板安裝在移動物體上，保持接收電極絕緣基板與發射電極絕緣基板平行、發射電極與接收電極中心對齊，發射電極與接收電極之間有一空氣間隙，用幅值相等的高頻、低頻兩種正弦電壓源混合疊加後激勵發射電極，將接收電極中心通過過孔引出的主線連接至電壓信號檢測電路，通過DSP計算分析接收電極兩路輸出位移調製電壓信號得出被測量物體相對固定參照物的位移、動態響應以及檢測解析度。
2.根據權利要求1所述的雙頻激勵的電容位移精密測量裝置，其特徵在於:發射電極同時接入兩個幅值一致的高頻、低頻正弦交流電壓源疊加信號。
3.根據權利要求1或2所述的雙頻激勵的電容位移精密測量裝置，其特徵在於:高頻激勵信號、低頻激勵信號疊加後共用一個電極發射信號，通過接收電極端解耦電路將信號還原為與原信號相同頻率的高頻、低頻濾波信號。通過後續放大電路、精密整流電路可得到兩路不同的直流信號。
4.根據權利要求1所述的雙頻激勵的電容位移精密測量裝置，其特徵在於:發射電極與接收電極之間為空氣間隙，位移測量過程是非接觸工作方式，測量過程不發生機械摩擦和損耗。
5.根據權利要求1所述的雙頻激勵的電容位移精密測量裝置，其特徵在於:在絕緣基板發射電極和接收電極的另一表面製備屏蔽層，屏蔽層完整覆蓋下表面的全部電極。
6.根據權利要求1所述的雙頻激勵的電容位移精密測量裝置，其特徵在於:發射電極和接收電極保持中心對齊，接收電極上下方縱向移動時，接收電極解耦放大的高頻、低頻電壓信號的幅值同步變化。
7.根據權利要求1所述的雙頻激勵的電容位移精密測量裝置，其特徵在於:本實用新型的有效測量範圍為0-1.5mm。
【文檔編號】G01B7/02GK204085440SQ201420587419
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月29日 優先權日:2014年9月29日
【發明者】沈孟鋒, 張立鋒, 俞紅祥 申請人:浙江師範大學