一种基于交变电场的反射型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反射型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输出第一路差动正弦行波信号，接收电极Ⅱ输出第二路差动正弦行波信号，利用第一路差动正弦行波信号计算精测角位移值，利用第一路与第二路差动正弦行波信号的相位差计算粗测对极定位值，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。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。

A Reflective Absolute Time-grating Angular Displacement Sensor Based on Alternating Electric Field

The invention discloses a reflective 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 respectively connected with the induction electrode; and a receiving electrode I, an excitation electrode and a receiving electrode II are arranged on the surface of the stator base. Four excitation phases are connected with four excitation signals, receiving electrode I outputs the first differential sinusoidal traveling wave signal, receiving electrode II outputs the second differential sinusoidal traveling wave signal, calculates the precise angular displacement value by using the first differential sinusoidal traveling wave signal, calculates the rough positioning value by using the phase difference between the first differential sinusoidal traveling wave signal and the second differential sinusoidal traveling wave signal, and calculates the precise angular displacement value and the rough positioning value. The absolute angular displacement can be obtained by combining the measured extreme positioning values. 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反射型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反射型绝对式时栅角位移传感器。
技术介绍
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，但是其仍然存在如下问题：(1)采用增量计数方式，存在累计误差；(2)激励信号从传感器的定子基体上的激励电极接入，感应信号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反射型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反射型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表示感应电极的对极数，M2＝M1。所述反射电极Ⅰ由同心的第一圆环形反射极片与第二圆环形反射极片间隔组成，第一、第二圆环形反射极片分别与A、C感应组或者B、D感应组相连；所述反射电极Ⅱ由径向高度相同、圆心角相等的四个扇环形反射极片沿圆周方向等间隔排布组成，四个扇环形反射极片分别与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，其中两路相位相差180°的电信号经反射电极Ⅰ直接反射到接收电极Ⅰ上，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，经减法电路后获得第一路差动正弦行波信号Uo1，这四路电信号(即在感应电极上产生的四路同频等幅相位相差90°的电信号)经反射电极Ⅱ与接收电极Ⅱ之间的二次耦合电场，在接收电极Ⅱ上产生相位相差180°的同频等幅的第三、第四行波信号，经减法电路后获得第二路差动正弦行波信号Uo2，第一路差动正弦行波信号Uo1经处理后得到精测角位移值(即对极内角位移值)，第一路差动正弦行波信号Uo1与第二路差动正弦行波信号Uo2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。所述接收电极Ⅰ由同心的第一圆环形接收极片与第二圆环形接收极片间隔组成，第一圆环形接收极片与第一圆环形反射极片正对，作为所述第一行波信号的输出电极，第二圆环形接收极片与第二圆环形反射极片正对，作为所述第二行波信号的输出电极。所述接收电极Ⅱ有两种结构形式：第一种接收电极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三、第四行波信号的输出电极。第二种接收电极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三、第四行波信号的输出电极。本专利技术具有如下效果：(1)将感应电极感应到的其中两路行波信号通过反射电极Ⅰ直接反射回接收电极Ⅰ，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Ⅱ反射回接收电极Ⅱ(即通过重合面积的变化对感应电极感应到的四路行波信号进行空间上的二次调制)，由接收电极Ⅰ、Ⅱ输出行波信号，输入输出信号均在定子基体上，转子基体无需引信号输出线，应用范围更广。(2)反射电极Ⅰ由同心的第一、第二圆环形反射极片间隔组成，接收电极Ⅰ由同心的第一、第二圆环形接收极片间隔组成，反射电极Ⅰ与接收电极Ⅰ是对感应电极的信号进行直接反射与接收，将接收电极Ⅰ输出的第一路差动正弦行波信号Uo1作为角位移精测信号，角位移精测信号与感应电极输出信号的特性完全相同，不会带来精度损失，从而使得精测部分角位移精度得到了提高。(3)接收电极Ⅰ、Ⅱ均采用差动结构，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，环境适应能力更强，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2中定子基体上的电极与转子基体上的电极示意图。图6为实施例2中定子基体与转子基体的对应关系示意图。图7为实施例2中定子基体的引线示意图。图8为实施例2中转子基体的引线示意图。图9为实施例1、实施例2的信号处理原理框图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作详细说明。实施例1：如图1至图4所示的基于交变电场的反射型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上表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于交变电场的反射型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(21)，定子基体上表面设有与感应电极(21)正对的激励电极(11)，所述激励电极(11)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和差动式的接收电极II(13)，接收电极I位于激励电极的外侧，接收电极II(13)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(23)；所述感应电极(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表示感应电极的对极数，M2＝M1；所述反射电极I由同心的第一圆环形反射极片(221)与第二圆环形反射极片(222)间隔组成，第一、第二圆环形反射极片分别与A、C感应组或者B、D感应组相连；所述反射电极II(23)由径向高度相同、圆心角相等的四个扇环形反射极片沿圆周方向等间隔排布组成，四个扇环形反射极片分别与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，经减法电路后获得第一路差动正弦行波信号Uo1，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，经减法电路后获得第二路差动正弦行波信号Uo2，第一路差动正弦行波信号Uo1经处理后得到精测角位移值，第一路差动正弦行波信号Uo1与第二路差动正弦行波信号Uo2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反射型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(21)，定子基体上表面设有与感应电极(21)正对的激励电极(11)，所述激励电极(11)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和差动式的接收电极II(13)，接收电极I位于激励电极的外侧，接收电极II(13)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(23)；所述感应电极(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表示感应电极的对极数，M2＝M1；所述反射电极I由同心的第一圆环形反射极片(221)与第二圆环形反射极片(222)间隔组成，第一、第二圆环形反射极片分别与A、C感应组或者B、D感应组相连；所述反射电极II(23)由径向高度相同、圆心角相等的四个扇环形反射极片沿圆周方向等间隔排布组成，四个扇环形反射极片分别与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...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭凯，刘小康，于治成，蒲红吉，陈自然，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50