一种基于交变电场的绝对式时栅直线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直线位移传感器，包括动尺基体和定尺基体，动尺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；定尺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直线位移值，将精测直线位移值与粗测对极定位值相结合得到绝对直线位移值。该传感器的粗测信号与精测信号差异性较小，能更容易实现绝对定位，同时应用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种基于交变电场的绝对式时栅直线位移传感器
本专利技术涉及精密直线位移传感器，具体涉及一种基于交变电场的绝对式时栅直线位移传感器。
技术介绍
在精密直线测量领域中普遍采用的大量程精密位移测量仪器主要是激光干涉仪和以光栅为代表的栅式位移传感器。激光干涉仪采用激光波长作为测量基准，对长度进行直接复现，是目前精度最高的大量程纳米测量仪器，但其对环境要求极为严苛且价格十分昂贵，工业应用受限。工业应用较为广泛的精密位移测量仪器主要是光栅，它采用精密刻划的栅线作为测量基准，与激光干涉仪相比它具有较强的抗干扰能力优势，但栅距较小难以实现大量程。近年来研制出一种以时钟信号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基于单排多层结构的电场式时栅直线位移传感器(公开号为CN103822571A)，虽然这种传感器能够实现纳米测量，但采用的是增量计数测量方式，只能识别一个周期内的位移量，而无法识别在哪个周期，断电后位置不能储存，开机需清零，不能实现绝对测量，在工程应用上很多地方受到限制。为了实现直线位移的绝对测量，又研制出了一种基于交变电场的绝对式直线时栅位移传感器(公开号为CN106197240A)，其不需要零位基准，断电后数据不丢失，能实现大量程范围内的高精度绝对位移测量，但是其仍然存在如下问题：(1)感应信号是从测头基体上的双正弦形精测电极、矩形粗测电极Ⅰ和矩形粗测电极Ⅱ上输出，测头基体上需要引信号输出线，有些场合不能使用，应用范围窄；(2)采用矩形粗测电极Ⅰ和矩形粗测电极Ⅱ上输出的信号进行粗测定位，采用双正弦形精测电极上输出的信号进行精测测量，粗测信号与精测信号的差异性较大。
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直线位移传感器，以减小粗测信号与精测信号的差异性，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直线位移传感器，包括动尺基体和定尺基体，动尺基体下表面与定尺基体上表面正对平行，并留有间隙，动尺基体下表面设有感应电极，定尺基体上表面设有与感应电极正对的激励电极，所述激励电极由一排大小相同、极距为W的矩形极片沿测量方向等间距排列组成，其中，第4n1+1号矩形极片连成一组，组成A激励相，第4n1+2号矩形极片连成一组，组成B激励相，第4n1+3号矩形极片连成一组，组成C激励相，第4n1+4号矩形极片连成一组，组成D激励相，n1依次取0至M1-1的所有整数，M1表示激励电极的总对极数。所述定尺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位于激励电极的一侧，接收电极Ⅱ位于激励电极的另一侧，接收电极Ⅰ、接收电极Ⅱ的起始端与激励电极的起始端对齐，接收电极Ⅰ、接收电极Ⅱ沿测量方向的长度大于或者等于激励电极沿测量方向的长度，所述动尺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位于感应电极的一侧，反射电极Ⅱ位于感应电极的另一侧)；所述感应电极由一排大小相同、极距为W且高度略小于矩形极片高度的双正弦形极片沿测量方向等间距排列组成，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表示感应电极的总对极数；所述反射电极Ⅰ由四个大小相同且分别与A、B、C、D感应组相连的反射组Ⅰ组成，所述反射电极Ⅱ由四个大小相同且分别与A、B、C、D感应组相连的反射组Ⅱ组成。测量时，动尺基体与定尺基体相对平行移动，对定尺基体的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直线位移值，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，将精测直线位移值与粗测对极定位值相结合得到绝对直线位移值。所述感应电极中的双正弦形极片的形状为两根幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的封闭轴对称图形。上述绝对式时栅直线位移传感器有两种优选的结构形式：第一种结构的接收电极Ⅰ由两个面积相等的正弦电极Ⅰ在垂直于测量方向上间隔排列组成，第一个正弦电极Ⅰ垂直于测量方向的起止边为直线段，沿测量方向的外边为直线段、内边为多周期的正弦曲线段第二个正弦电极Ⅰ垂直于测量方向的起止边为直线段，沿测量方向的内边为多周期的正弦曲线段外边为直线段，第一个正弦电极Ⅰ的内边与第二个正弦电极Ⅰ的内边间隔对齐，使接收电极Ⅰ整体呈具有间隙的矩形，第一个正弦电极Ⅰ作为第一行波信号的输出电极，第二个正弦电极Ⅰ作为第二行波信号的输出电极；其中，N1表示正弦曲线段一个周期长度所对应的激励电极的对极数，A1表示该正弦曲线段的幅值，表示该正弦曲线段的相位。第一种结构的接收电极Ⅱ由两个面积相等的正弦电极Ⅱ在垂直于测量方向上间隔排列组成，第一个正弦电极Ⅱ垂直于测量方向的起止边为直线段，沿测量方向的外边为直线段、内边为多周期的正弦曲线段第二个正弦电极Ⅱ垂直于测量方向的起止边为直线段，沿测量方向的内边为多周期的正弦曲线段外边为直线段，第一个正弦电极Ⅱ的内边与第二个正弦电极Ⅱ的内边间隔对齐，使接收电极Ⅱ整体呈具有间隙的矩形，第一个正弦电极Ⅱ作为第三行波信号的输出电极，第二个正弦电极Ⅱ作为第四行波信号的输出电极；其中，N2表示正弦曲线段一个周期长度所对应的激励电极的对极数，N2＞N1，A2表示该正弦曲线段的幅值，表示该正弦曲线段的相位。第一种结构的反射电极Ⅰ中的四个所述的反射组Ⅰ为沿测量方向等间距排列且极距为N1W、高度略大于接收电极Ⅰ的整体高度的四个矩形极片Ⅰ，四个矩形极片Ⅰ分别与A、B、C、D感应组相连。第一种结构的反射电极Ⅱ中的四个所述的反射组Ⅱ为沿测量方向等间距排列且极距为N2W、高度略大于接收电极Ⅱ的整体高度的四个矩形极片Ⅱ，四个矩形极片Ⅱ分别与A、B、C、D感应组相连。第二种结构的接收电极Ⅰ由一排大小相同、极距为2N3W的双正弦形极片Ⅰ沿测量方向等间距排列组成，其中，第2n3+1号双正弦形极片Ⅰ连成一组，作为第一行波信号的输出电极，第2n3+2号双正弦形极片Ⅰ连成一组，作为第二行波信号的输出电极，n3依次取0至M3-1的所有整数，M3表示接收电极Ⅰ的总对极数，N3表示双正弦形极片Ⅰ的两个极距长度所对应的激励电极的对极数。第二种结构的接收电极Ⅱ由一排大小相同、极距为2N4W的双正弦形极片Ⅱ沿测量方向等间距排列组成，其中，第2n4+1号双正弦形极片Ⅱ连成一组，作为第三行波信号的输出电极，第2n4+2号双正弦形极片Ⅱ连成一组，作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于交变电场的绝对式时栅直线位移传感器，包括动尺基体(1)和定尺基体(2)，动尺基体下表面与定尺基体上表面正对平行，并留有间隙，动尺基体下表面设有感应电极(1‑1)，定尺基体上表面设有与感应电极(1‑1)正对的激励电极(2‑1)，所述激励电极(2‑1)由一排大小相同、极距为W的矩形极片沿测量方向等间距排列组成，其中，第4n1+1号矩形极片连成一组，组成A激励相，第4n1+2号矩形极片连成一组，组成B激励相，第4n1+3号矩形极片连成一组，组成C激励相，第4n1+4号矩形极片连成一组，组成D激励相，n1依次取0至M1‑1的所有整数，M1表示激励电极的总对极数；其特征是：所述定尺基体上表面设有差动式的接收电极Ⅰ(2‑2)和差动式的接收电极Ⅱ(2‑3)，接收电极Ⅰ(2‑2)位于激励电极(2‑1)的一侧，接收电极Ⅱ(2‑3)位于激励电极的另一侧，接收电极Ⅰ、接收电极Ⅱ的起始端与激励电极(2‑1)的起始端对齐，接收电极Ⅰ、接收电极Ⅱ沿测量方向的长度大于或者等于激励电极沿测量方向的长度，所述动尺基体下表面设有与接收电极Ⅰ正对的反射电极Ⅰ(1‑2)和与接收电极Ⅱ正对的反射电极Ⅱ(1‑3)；所述感应电极(1‑1)由一排大小相同、极距为W且高度小于矩形极片高度的双正弦形极片沿测量方向等间距排列组成，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表示感应电极的总对极数；所述反射电极Ⅰ(1‑2)由四个大小相同且分别与A、B、C、D感应组相连的反射组Ⅰ组成，所述反射电极Ⅱ(1‑3)由四个大小相同且分别与A、B、C、D感应组相连的反射组Ⅱ组成；测量时，动尺基体与定尺基体相对平行移动，对定尺基体的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直线位移值，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，将精测直线位移值与粗测对极定位值相结合得到绝对直线位移值。...

【技术特征摘要】
1.一种基于交变电场的绝对式时栅直线位移传感器，包括动尺基体(1)和定尺基体(2)，动尺基体下表面与定尺基体上表面正对平行，并留有间隙，动尺基体下表面设有感应电极(1-1)，定尺基体上表面设有与感应电极(1-1)正对的激励电极(2-1)，所述激励电极(2-1)由一排大小相同、极距为W的矩形极片沿测量方向等间距排列组成，其中，第4n1+1号矩形极片连成一组，组成A激励相，第4n1+2号矩形极片连成一组，组成B激励相，第4n1+3号矩形极片连成一组，组成C激励相，第4n1+4号矩形极片连成一组，组成D激励相，n1依次取0至M1-1的所有整数，M1表示激励电极的总对极数；其特征是：所述定尺基体上表面设有差动式的接收电极Ⅰ(2-2)和差动式的接收电极Ⅱ(2-3)，接收电极Ⅰ(2-2)位于激励电极(2-1)的一侧，接收电极Ⅱ(2-3)位于激励电极的另一侧，接收电极Ⅰ、接收电极Ⅱ的起始端与激励电极(2-1)的起始端对齐，接收电极Ⅰ、接收电极Ⅱ沿测量方向的长度大于或者等于激励电极沿测量方向的长度，所述动尺基体下表面设有与接收电极Ⅰ正对的反射电极Ⅰ(1-2)和与接收电极Ⅱ正对的反射电极Ⅱ(1-3)；所述感应电极(1-1)由一排大小相同、极距为W且高度小于矩形极片高度的双正弦形极片沿测量方向等间距排列组成，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表示感应电极的总对极数；所述反射电极Ⅰ(1-2)由四个大小相同且分别与A、B、C、D感应组相连的反射组Ⅰ组成，所述反射电极Ⅱ(1-3)由四个大小相同且分别与A、B、C、D感应组相连的反射组Ⅱ组成；测量时，动尺基体与定尺基体相对平行移动，对定尺基体的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直线位移值，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，将精测直线位移值与粗测对极定位值相结合得到绝对直线位移值。2.根据权利要求1所述的基于交变电场的绝对式时栅直线位移传感器，其特征是：所述接收电极Ⅰ(2-2)由两个面积相等的正弦电极Ⅰ在垂直于测量方向上间隔排列组成，第一个正弦电极Ⅰ垂直于测量方向的起止边为直线段，沿测量方向的外边为直线段、内边为多周期的正弦曲线段第二个正弦电极Ⅰ垂直于测量方向的起止边为直线段，沿测量方向的内边为多周期的正弦曲线段外边为直线段，第一个正弦电极Ⅰ的内边与第二个正弦电极Ⅰ的内边间隔对齐，第一个正弦电极Ⅰ作为第一行波信号的输出电极，第二个正弦电极Ⅰ作为第二行波信号的...

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