一种基于交变电场的绝对式时栅角位移传感器制造技术

本发明专利技术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反射电极Ⅰ、感应电极、反射电极Ⅱ，反射电极Ⅰ、Ⅱ分别与感应电极相连；定子基体上表面设有接收电极Ⅰ、激励电极和接收电极Ⅱ，激励电极的四个激励相分别连接四路激励信号，接收电极Ⅰ输出第一路精测正弦行波信号，接收电极Ⅱ输出第二路精测正弦行波信号，利用第一路与第二路精测正弦行波信号的相位差计算粗测对极定位值，利用第一路或者第二路精测正弦行波信号计算精测角位移值，将精测角位移值与粗测对极定位值相结合得到绝对角位移值。该传感器能实现绝对角位移测量，同时扩大应用范围，增强工业适应性。

An absolute time grating angular displacement sensor based on alternating electric field

The invention discloses an absolute time grating angular displacement sensor based on alternating electric field, which comprises a rotor base and a stator base. A reflection electrode I, an induction electrode and a reflection electrode II are arranged on the bottom surface of the rotor base, and the reflection electrodes I and II are connected with the induction electrodes respectively. A receiving electrode I, an excitation electrode and a receiving electrode II are arranged on the surface of the stator base, and four excitations of the excitation electrode are arranged on the surface of the stator base. The excitation phase is connected with four excitation signals separately. The receiving electrode I outputs the first precise sinusoidal traveling wave signal, the receiving electrode II outputs the second precise sinusoidal traveling wave signal, uses the phase difference between the first and the second precise sinusoidal traveling wave signal to calculate the roughly measured polar positioning value, and uses the first or second precise sinusoidal traveling wave signal to calculate the precisely measured angular displacement value. The absolute angular displacement can be obtained by combining with the crude measurements. The sensor can realize absolute angular displacement measurement, expand the scope of application and enhance industrial adaptability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于交变电场的绝对式时栅角位移传感器
本专利技术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。
技术介绍
传统的精密位移测量主要是采用光栅、磁栅和容栅等栅式传感器，其测量基准采用的是空间均分的周期性栅线，通过对栅线的计数而得到角位移量。为了提高测量精度和分辨率，这些栅式传感器采用精密刻线且需要依靠高精度电子细分技术，复杂严苛的刻线工艺和电子细分电路，从而造成传感器的成本高，抗干扰能力差。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，但是其仍然存在如下问题：(1)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；(2)感应信号是从转子基体上的转子电极输出，转子基体上需要引信号输出线，有些场合不能使用，应用范围窄。
技术实现思路
本专利技术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，以实现绝对角位移测量，同时扩大应用范围，增强工业适应性。本专利技术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，定子基体上表面设有与感应电极正对的激励电极，所述激励电极由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第4n1+1号扇环形极片连成一组，组成A激励相，第4n1+2号扇环形极片连成一组，组成B激励相，第4n1+3号扇环形极片连成一组，组成C激励相，第4n1+4号扇环形极片连成一组，组成D激励相，n1依次取0至M1-1的所有整数，M1表示激励电极的对极数。所述定子基体上表面设有差动式的接收电极Ⅰ和差动式的接收电极Ⅱ，接收电极Ⅰ位于激励电极的外侧，接收电极Ⅱ位于激励电极的内侧，所述转子基体下表面设有与接收电极Ⅰ正对的反射电极Ⅰ和与接收电极Ⅱ正对的反射电极Ⅱ(即反射电极Ⅰ位于感应电极的外侧，反射电极Ⅱ位于感应电极的内侧)；所述感应电极由一圈相同的双余弦形极片沿圆周方向等间隔排布组成，该双余弦形极片的径向高度小于所述扇环形极片的径向高度，其中，第4n2+1号双余弦形极片连成一组，组成A感应组，第4n2+2号双余弦形极片连成一组，组成B感应组，第4n2+3号双余弦形极片连成一组，组成C感应组，第4n2+4号双余弦形极片连成一组，组成D感应组，n2依次取0至M2-1的所有整数，M2表示感应电极的对极数；所述反射电极Ⅰ具有A1反射组、B1反射组、C1反射组和D1反射组，A1、B1、C1、D1反射组分别与对应的A、B、C、D感应组相连，所述反射电极Ⅱ具有A2反射组、B2反射组、C2反射组和D2反射组，A2、B2、C2、D2反射组分别与对应的A、B、C、D感应组相连。测量时，转子基体与定子基体相对平行转动，对定子基体的A、B、C、D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，激励信号经激励电极与感应电极之间的一次耦合电场，在感应电极上产生四路同频等幅相位相差90°的电信号，这四路电信号经反射电极Ⅰ与接收电极Ⅰ以及反射电极Ⅱ与接收电极Ⅱ之间的二次耦合电场，在接收电极Ⅰ上产生相位相差180°的同频等幅的第一、第二行波信号，在接收电极Ⅱ上产生相位相差180°的同频等幅的第三、第四行波信号，第一行波信号与第二行波信号经减法电路合成第一路精测正弦行波信号，第三行波信号与第四行波信号经减法电路合成第二路精测正弦行波信号，第一路精测正弦行波信号或者第二路精测正弦行波信号经处理后得到精测角位移值(即对极内角位移值)，第一路精测正弦行波信号与第二路精测正弦行波信号比相后的相位差经处理后得到粗测对极定位值，将精测角位移值与粗测对极定位值相结合得到绝对角位移值。所述感应电极中的双余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°的余弦曲线在[-π,π]区间围成的全封闭轴对称图形。所述激励电极中的相邻两个扇环形极片之间间隔的圆心角等于一个扇环形极片的圆心角。所述反射电极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4n3+1号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成所述A1反射组，第4n3+2号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成所述B1反射组，第4n3+3号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成所述C1反射组，第4n3+4号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成所述D1反射组，n3依次取0至M3-1的所有整数，M3表示反射电极Ⅰ的对极数；A1反射组与A感应组相连，B1反射组与B感应组相连，C1反射组与C感应组相连，D1反射组与D感应组相连。反射电极Ⅱ由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片Ⅱ沿圆周方向等间隔排布组成；其中，第4n4+1号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成所述A2反射组，第4n4+2号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成所述B2反射组，第4n4+3号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成所述C2反射组，第4n4+4号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成所述D2反射组，n4依次取0至M4-1的所有整数，M4表示反射电极Ⅱ的对极数；A2反射组与A感应组相连，B2反射组与B感应组相连，C2反射组与C感应组相连，D2反射组与D感应组相连。接收电极Ⅰ由一圈相同的扇叶形极片Ⅰ沿圆周方向间隔相等的弧长排布组成，该扇叶形极片Ⅰ的径向高度小于扇环形极片Ⅰ的径向高度，该扇叶形极片Ⅰ的形状为[-π,0]区间的两条相同的余弦极坐标曲线段Ⅰ在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的全封闭图形Ⅰ，所述的两条相同的余弦极坐标曲线段Ⅰ的起始点所夹的圆心角为α；其中，第2n5+1号扇叶形极片Ⅰ连成一组，作为第一行波信号的输出电极，第2n5+2号扇叶形极片Ⅰ连成一组，作为第二行波信号的输出电极，n5依次取0至M5-1的所有整数，M5表示接收电极Ⅰ的对极数，M5＝M3。接收电极Ⅱ由一圈相同的扇叶形极片Ⅱ沿圆周方向间隔相等的弧长排布组成，该扇叶形极片Ⅱ的径向高度小于扇环形极片Ⅱ的径向高度，该扇叶形极片Ⅱ的形状为[-π,0]区间的两条相同的余弦极坐标曲线段Ⅱ在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的全封闭图形Ⅱ，所述的两条相同的余弦极坐标曲线段Ⅱ的起始点所夹的圆心角为β；其中，第2n6+1号扇叶形极片Ⅱ连成一组，作为第三行波信号的输出电极，第2n6+2号扇叶形极片Ⅱ连成一组，作为第四行波信号的输出电极，n6依次取0至M6-1的所有整数，M6表示接收电极Ⅱ的对极数，M6＝M4。本专利技术具有如下效果：(1)将感应电极感应到的四路行波信号作为二次耦合调制的激励信号，二次耦合调制的激励信号经反射电极Ⅰ、Ⅱ反射回接收电极Ⅰ、Ⅱ，由接收电极Ⅰ、Ⅱ输出行波信号，转子基体无需引信号输出线，应用范围更广。(2)对第一路精测正弦行波信号或者第二路精测正弦行波信号进行处理得到精测角位移值，将第一路精测正弦行波信号与第二路精测正弦行波信号比相后的相位差进行处理得到粗测对极定位值；粗测定位与精测均采用第一路、第二路精测正弦行波信号，“粗测+精测”相结合的方式，既实现了绝对角位移测量，又减小了信号的差异性，进而保证了测量精度。(3)接收电极Ⅰ、Ⅱ采用对称的差本文档来自技高网...

【技术保护点】
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(2‑1)，定子基体上表面设有与感应电极(2‑1)正对的激励电极(1‑1)，所述激励电极(1‑1)由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第4n1+1号扇环形极片连成一组，组成A激励相，第4n1+2号扇环形极片连成一组，组成B激励相，第4n1+3号扇环形极片连成一组，组成C激励相，第4n1+4号扇环形极片连成一组，组成D激励相，n1依次取0至M1‑1的所有整数，M1表示激励电极的对极数；其特征是：所述定子基体上表面设有差动式的接收电极Ⅰ(1‑2)和差动式的接收电极Ⅱ(1‑3)，接收电极Ⅰ(1‑2)位于激励电极(1‑1)的外侧，接收电极Ⅱ(1‑3)位于激励电极的内侧，所述转子基体下表面设有与接收电极Ⅰ正对的反射电极Ⅰ(2‑2)和与接收电极Ⅱ正对的反射电极Ⅱ(2‑3)；所述感应电极(2‑1)由一圈相同的双余弦形极片沿圆周方向等间隔排布组成，该双余弦形极片的径向高度小于所述扇环形极片的径向高度，其中，第4n2+1号双余弦形极片连成一组，组成A感应组，第4n2+2号双余弦形极片连成一组，组成B感应组，第4n2+3号双余弦形极片连成一组，组成C感应组，第4n2+4号双余弦形极片连成一组，组成D感应组，n2依次取0至M2‑1的所有整数，M2表示感应电极的对极数；所述反射电极Ⅰ(2‑2)具有A1反射组、B1反射组、C1反射组和D1反射组，A1、B1、C1、D1反射组分别与对应的A、B、C、D感应组相连，所述反射电极Ⅱ(2‑3)具有A2反射组、B2反射组、C2反射组和D2反射组，A2、B2、C2、D2反射组分别与对应的A、B、C、D感应组相连；测量时，转子基体与定子基体相对平行转动，对定子基体的A、B、C、D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，接收电极Ⅰ上产生相位相差180°的同频等幅的第一、第二行波信号，接收电极Ⅱ上产生相位相差180°的同频等幅的第三、第四行波信号，第一行波信号与第二行波信号经减法电路合成第一路精测正弦行波信号，第三行波信号与第四行波信号经减法电路合成第二路精测正弦行波信号，第一路精测正弦行波信号或者第二路精测正弦行波信号经处理后得到精测角位移值，第一路精测正弦行波信号与第二路精测正弦行波信号比相后的相位差经处理后得到粗测对极定位值，将精测角位移值与粗测对极定位值相结合得到绝对角位移值。...

【技术特征摘要】
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(2-1)，定子基体上表面设有与感应电极(2-1)正对的激励电极(1-1)，所述激励电极(1-1)由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第4n1+1号扇环形极片连成一组，组成A激励相，第4n1+2号扇环形极片连成一组，组成B激励相，第4n1+3号扇环形极片连成一组，组成C激励相，第4n1+4号扇环形极片连成一组，组成D激励相，n1依次取0至M1-1的所有整数，M1表示激励电极的对极数；其特征是：所述定子基体上表面设有差动式的接收电极Ⅰ(1-2)和差动式的接收电极Ⅱ(1-3)，接收电极Ⅰ(1-2)位于激励电极(1-1)的外侧，接收电极Ⅱ(1-3)位于激励电极的内侧，所述转子基体下表面设有与接收电极Ⅰ正对的反射电极Ⅰ(2-2)和与接收电极Ⅱ正对的反射电极Ⅱ(2-3)；所述感应电极(2-1)由一圈相同的双余弦形极片沿圆周方向等间隔排布组成，该双余弦形极片的径向高度小于所述扇环形极片的径向高度，其中，第4n2+1号双余弦形极片连成一组，组成A感应组，第4n2+2号双余弦形极片连成一组，组成B感应组，第4n2+3号双余弦形极片连成一组，组成C感应组，第4n2+4号双余弦形极片连成一组，组成D感应组，n2依次取0至M2-1的所有整数，M2表示感应电极的对极数；所述反射电极Ⅰ(2-2)具有A1反射组、B1反射组、C1反射组和D1反射组，A1、B1、C1、D1反射组分别与对应的A、B、C、D感应组相连，所述反射电极Ⅱ(2-3)具有A2反射组、B2反射组、C2反射组和D2反射组，A2、B2、C2、D2反射组分别与对应的A、B、C、D感应组相连；测量时，转子基体与定子基体相对平行转动，对定子基体的A、B、C、D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，接收电极Ⅰ上产生相位相差180°的同频等幅的第一、第二行波信号，接收电极Ⅱ上产生相位相差180°的同频等幅的第三、第四行波信号，第一行波信号与第二行波信号经减法电路合成第一路精测正弦行波信号，第三行波信号与第四行波信号经减法电路合成第二路精测正弦行波信号，第一路精测正弦行波信号或者第二路精测正弦行波信号经处理后得到精测角位移值，第一路精测正弦行波信号与第二路精测正弦行波信号比相后的相位差经处理后得到粗测对极定位值，将精测角位移值与粗测对极定位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(...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘小康，于治成，但敏，郑方燕，樊星辰，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50