一種電場式時柵角位移傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種電場式時柵角位移傳感器，包括轉(zhuǎn)子和定子，轉(zhuǎn)子基體表面覆有一圈等間距的雙正弦形電極；定子基體表面均勻地覆有一圈扇環(huán)形或曲面矩形電極，電極底部有定子引線，電極與引線之間有絕緣層，電極表面覆有絕緣保護層，形成一種多層結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子基體與定子基體同軸安裝，并留有一定間隙δ；轉(zhuǎn)子基體繞軸心相對轉(zhuǎn)動；定子一個周期內(nèi)的4個電極分別連接相位為0°，90°，180°，270°的等幅等頻正弦激勵電壓，轉(zhuǎn)子電極上產(chǎn)生的行波信號Uo與一路相位固定的同頻參考信號Ur進行比相；兩路信號的相位差由插補的時鐘脈沖表示，再通過變換得到角位移值。它結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，對機械安裝精度要求低，可實現(xiàn)任意360°范圍內(nèi)的高精度角位移測量。
【專利說明】一種電場式時柵角位移傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于精密角位移測量傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]在精密角位移測量領(lǐng)域，近年來研制出了一種以時鐘脈沖作為位移測量基準的時柵傳感器，并在此基礎(chǔ)上研制出了一種基于交變電場的時柵角位移傳感器。此傳感器專利于2012年4月25日公開，專利名稱:一種基于交變電場的時柵角位移傳感器，專利文獻號:CN102425987A。
[0003]這種基于交變電場的時柵角位移傳感器采用了單層結(jié)構(gòu)的差動電容作為信號耦合通道，要求通過兩圈電極來形成兩路駐波信號，再由加法電路合成一路行波信號。由于在圓柱端面加工的兩圈電極的長寬比不一致，相應(yīng)地兩路駐波信號的變化規(guī)律有差異，并且兩圈電極信號之間會相互干擾，致使測量誤差增大，阻礙了精度的進一步提高。在加工制造上難以保證兩圈電極的一致性，在安裝上也難以保證兩圈電極的電場耦合強度一致，造成兩路駐波信號振幅不一致，帶來測量誤差，對工業(yè)現(xiàn)場的適應(yīng)性下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于單圈多層結(jié)構(gòu)的電場式時柵角位移傳感器，它采用基于單圈多層結(jié)構(gòu)的電極，解決兩圈之間的信號相互干擾及電極長寬比不一致問題，避免加工及安裝導(dǎo)致的兩圈電場耦合強度不一致的問題；利用電場耦合原理直接獲取行波信號，無需加法電路；因而可以減小測量誤差，降低對安裝精度的要求，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]基于單圈多層結(jié)構(gòu)的電場式時柵角位移傳感器，包括轉(zhuǎn)子和定子兩部分，轉(zhuǎn)子基體和定子基體可以采用圓柱體或圓柱環(huán)兩種實現(xiàn)方式。
[0007]所述傳感器的第一種實現(xiàn)方式是利用圓柱體或圓柱環(huán)的上下端面來布置電極:轉(zhuǎn)子基體和定子基體均采用圓柱體或圓柱環(huán)，轉(zhuǎn)子基體下表面(即圓柱端面)覆有兩個正弦上下對稱形成的雙正弦形(其為沿圓周方向展開后的形狀)的轉(zhuǎn)子電極，轉(zhuǎn)子電極數(shù)量為m，均布為一圈，轉(zhuǎn)子電極之間由引線連接。在定子基體上表面(即圓柱端面)依次覆有4層介質(zhì)膜，第一層為金屬膜，加工4條激勵信號引線；第二層為絕緣膜；第三層為金屬膜，力口工定子電極，其形狀為扇環(huán)形(即沿圓周方向展開后為矩形)，且大小相同，相鄰兩電極之間保持一定的絕緣間距，定子電極的數(shù)量為4m，它們均勻分布一圈；第四層為絕緣保護膜。轉(zhuǎn)子基體與定子基體同軸安裝，轉(zhuǎn)子基體的下表面與定子基體的上表面相對平行放置，使得轉(zhuǎn)子電極與定子電極正對，并留有一定間隙δ，形成耦合電容。
[0008]所述傳感器的第二種實現(xiàn)方式是圓柱體或圓柱環(huán)的內(nèi)外柱面來布置電極:轉(zhuǎn)子基體采用圓柱體，在轉(zhuǎn)子基體外圓柱面覆有兩個正弦上下對稱形成的雙正弦形(其為沿圓周方向展開后的形狀)的轉(zhuǎn)子電極，轉(zhuǎn)子電極數(shù)量為m，均布為一圈，轉(zhuǎn)子電極之間由引線連接。定子基體采用圓柱環(huán)，在其內(nèi)圓柱面依次覆有4層介質(zhì)膜，第一層為金屬膜，加工4條激勵信號引線；第二層為絕緣膜；第三層為金屬膜，加工定子電極，其形狀為曲面矩形(即沿圓周方向展開后為矩形)且大小相同，相鄰兩電極之間保持一定的絕緣間距，定子電極的數(shù)量為4m，它們均勻分布一圈；第四層為絕緣保護膜。轉(zhuǎn)子基體與定子基體同軸安裝，轉(zhuǎn)子電極與定子電極正對，并留有一定間隙δ，形成耦合電容。
[0009]上述兩種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子電極有m個，長度略小于定子電極長度，寬度為定子一個電極寬度與一個絕緣間隔之和，相鄰兩電極之間間隔3個轉(zhuǎn)子電極寬度。具體地，所述轉(zhuǎn)子電極的形狀是由[0，π]區(qū)間上的正弦曲線與X軸圍成的區(qū)域和[π，2π]區(qū)間上的正弦曲線與X軸圍成區(qū)域共同構(gòu)成，由此獲得正對面積按正弦規(guī)律變化的耦合電容，進一步獲取角位移調(diào)制信號。
[0010]所述定子電極有4m個,其中第4η+1 (η = O, 2, 3,, m-1)號電極連成一組,組成A激勵相，第4n+2號電極連成一組,組成B激勵相,第4n+3號電極連成一組,組成C激勵相，第4n+4號電極連成一組，組成D激勵相；定子的A、B、C、D四個激勵相分別連接相位依次相差90°的等幅等頻正弦激勵電壓Ua、Ub、Uc、Ud，轉(zhuǎn)子電極產(chǎn)生一路行波信號Uo，該行波信號與一路相位固定的同頻率參考信號Ur經(jīng)整形電路整形后，由比相電路進行比相；兩路信號的相位差由插補的高頻時鐘脈沖個數(shù)表示，再經(jīng)過標度變換得到轉(zhuǎn)子基體相對于定子基體的角位移值。以上四路激勵電壓和一路同頻率的參考信號Ur是采用數(shù)字波形合成技術(shù)產(chǎn)生。
[0011]當(dāng)轉(zhuǎn)子基體與定子基體相對轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子電極與定子A、B、C、D四個激勵相的正對面積將由無到小、由小變大、由大變小、由小到無呈周期性變化，電容值也隨之相應(yīng)地呈周期性變化。所述定子的A激勵相電極與轉(zhuǎn)子電極形成耦合電容C1, B激勵相號電極與轉(zhuǎn)子電極形成耦合電容C2，C激勵相電極與轉(zhuǎn)子電極形成耦合電容C3，D激勵相電極與轉(zhuǎn)子電極形成耦合電容C4 ;所述耦合電容C1X2X3X4兩兩交替工作，其中兩個電容工作時，另外兩個容值為零，轉(zhuǎn)子電極上輸出行波信號Uo。所述行波信號Uo與同頻率參考信號Ur經(jīng)整形電路整形成方波后，再進行比相，兩路信號的相位差由插補的高頻時鐘脈沖個數(shù)表示，再經(jīng)過標度變換得到轉(zhuǎn)子基體相對于定子基體的角位移值。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案是采用基于單圈多層結(jié)構(gòu)的電場耦合直接形成電行波的方法，融合了現(xiàn)有的多種柵式位移傳感器的優(yōu)點。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:采用多層結(jié)構(gòu)的定子構(gòu)建單圈耦合電場進行測量，利用單圈雙正弦形的傳感器轉(zhuǎn)子電極，直接感應(yīng)電行波，以高頻時鐘脈沖作為位移計量基準；因此，本傳感器功耗低，精度高，結(jié)構(gòu)簡單，對機械安裝精度要求低，對工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性強。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1(a)和圖1(b)是本傳感器的第一種結(jié)構(gòu)形式的示意圖，其電極布置在定子基體和轉(zhuǎn)子基體的圓柱體端面上。
[0015]圖2(a)和圖2(b)是本傳感器的第二種結(jié)構(gòu)形式的示意圖，其電極布置在定子基體和轉(zhuǎn)子基體的圓柱體柱面上。
[0016]圖3是定子基體上的電極與轉(zhuǎn)子基體上的電極的位置關(guān)系圖。[0017]圖4是定子電極的信號連接關(guān)系圖。
[0018]圖5是轉(zhuǎn)子電極與定子電極形成的耦合電容示意圖。
[0019]圖6是本發(fā)明的電路模型原理圖。
[0020]圖7是本發(fā)明信號處理原理框圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0022]如圖1 (a)、圖1 (b)、圖2 (a)、圖2 (b)和圖3所示，本發(fā)明所述的傳感器包括轉(zhuǎn)子基體I和定子基體2兩部分；采用陶瓷作為基體材料，通過在陶瓷表面噴鍍一層鐵鎳合金作為電極，有兩種實施方式。
[0023]結(jié)構(gòu)形式1，圖1(a)和圖1(b):在轉(zhuǎn)子基體I的圓柱體下端面沿圓周方向等間距地覆有一圈大小和形狀相同的轉(zhuǎn)子電極1-1，共36個，轉(zhuǎn)子電極沿圓周方向展開后的形狀為兩個正弦上下對稱形成的雙正弦形，寬度為1.8mm的引線將各個轉(zhuǎn)子電極相連，雙正弦形電極的兩個頂點和頂點分別位于半徑為37.2mm和49mm的兩個圓周上,每個電極最大寬度處對應(yīng)的圓心角 為2.5°。在定子基體圓柱體上端面依次覆有4層介質(zhì)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條扁平環(huán)狀導(dǎo)線，即激勵信號引線2-2，分別將A、B、C、D各個激勵相的對應(yīng)電極連成一組，第三層金屬膜為一圈徑向高度相同圓心角大小相等的扇環(huán)形電極，即定子電極2-1，共144個，每個電極的內(nèi)環(huán)半徑為36.2mm，外環(huán)半徑為50mm，圓心角為2.4°，相鄰電極之間的絕緣間距為
0.1°。轉(zhuǎn)子基體與定子基體同軸安裝，轉(zhuǎn)子基體I的下端面與定子基體2的上端面相對平行，轉(zhuǎn)子電極1-1與定子電極2-1正對,并留有間隙δ = 0.5mm。沿圓周方向展開后的形狀為矩形，
[0024]結(jié)構(gòu)形式2，圖2(a)、圖2(b):在轉(zhuǎn)子基體I的圓柱體外圓柱面沿圓周方向等間距地覆有一圈大小和形狀相同的轉(zhuǎn)子電極1-1，共36個,轉(zhuǎn)子基體外圓半徑為44.5mm,電極在圓柱軸向上的高度為11.8mm,每個電極在圓柱徑向上的圓心度為2.5° ,轉(zhuǎn)子電極沿圓周方向展開后的形狀為兩個正弦上下對稱形成的雙正弦形，寬度為1.8mm的引線將各個轉(zhuǎn)子電極相連。在定子基體的圓柱環(huán)內(nèi)圓柱面依次覆有4層介質(zhì)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條環(huán)狀導(dǎo)線，即激勵信號引線2-2，分別將A、B、C、D各個激勵相的對應(yīng)電極連成一組，第三層金屬膜為一圈高度相同寬度相等的曲面矩形電極，即定子電極2-1，共144個，定子基體內(nèi)圓半徑為45mm，電極在圓柱軸向上的高度為13.8mm，每個電極在圓柱徑向上的圓心度為2.4°，相鄰電極之間的絕緣間距為0.1°。轉(zhuǎn)子基體與定子基體同軸安裝，轉(zhuǎn)子電極1-1與定子電極2-1正對，并留有間隙S = 0.5_。
[0025]上述兩種實施方式中，轉(zhuǎn)子電極長度略小于定子電極長度，寬度為一個定子電極寬度與一個絕緣間隔之和，相鄰兩轉(zhuǎn)子電極之間間隔3個轉(zhuǎn)子電極寬度。定子電極的第
1,5, 9,......，141號電極通過一條激勵信號引線2-2連成一組,組成A激勵相,在A激勵相
加上Ua = Umsin ω?激勵信號；定子電極的第2，6, 10,......，142號電極通過一條激勵信號
引線2-2連成一組,組成B激勵相,在B激勵相加上Ub = Umcos ω t激勵信號；定子電極的第3，7, 11,......，143號電極通過一條激勵信號引線2-2連成一組,組成C激勵相,在C激勵相加上Uc = -Umsinco t激勵信號；定子電極的第4，8，12，......，144號電極通過一條激勵信
號引線2-2連成一組，組成D激勵相，在D激勵相加上Ud = -Umcoscot激勵信號。其中激勵信號峰值Um = 5V,頻率f = 40KHz，角頻率ω = 23if = 8X1043i。
[0026]如圖5和圖6所示，轉(zhuǎn)子電極1-1與定子基體的A激勵相的電極形成耦合電容Cp轉(zhuǎn)子電極與定子基體的B激勵相的電極形成耦合電容C2。轉(zhuǎn)子電極與定子基體的C激勵相的電極形成耦合電容C3。轉(zhuǎn)子電極與定子基體的D激勵相的電極形成耦合電容C4。當(dāng)轉(zhuǎn)子基體I順時針轉(zhuǎn)動時，C1電容的相對覆蓋面積由大變小，C2電容的相對覆蓋面積由小變大；轉(zhuǎn)動一個轉(zhuǎn)子電極對應(yīng)的角度后，C1電容的相對覆蓋面積變?yōu)榱?，C2電容的相對覆蓋面積開始由大變小，C3電容的相對覆蓋面積由小變大；再轉(zhuǎn)動一個轉(zhuǎn)子電極對應(yīng)的角度后,C2電容的相對覆蓋面積變?yōu)榱?，C3電容的相對覆蓋面積開始由大變小，C4電容的相對覆蓋面積由小變大；又轉(zhuǎn)動一個轉(zhuǎn)子電極對應(yīng)的角度后，C3電容的相對覆蓋面積變?yōu)榱?，C4電容的相對覆蓋面積開始由大變小，C1電容的相對覆蓋面積由小變大；如此完成一個機械周期的轉(zhuǎn)動，C1, C2, C3> C4的電容值也隨之相應(yīng)地呈周期性變化。轉(zhuǎn)子電極輸出行波信號Uo，基波表達式為:
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種電場式時柵角位移傳感器，包括轉(zhuǎn)子和定子兩部分，其特征是: 所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子電極(1-1)數(shù)量為m，它們在轉(zhuǎn)子基體(I)表面等間距地覆有一圈；所述定子的定子電極(2-1)數(shù)量為4m，它們在定子基體(2)表面均勻地覆有一圈，其中定子電極的第4n+l號電極連成一組，組成A激勵相，定子電極的第4n+2號電極連成一組，組成B激勵相，定子電極的第4n+3號電極連成一組，組成C激勵相，定子電極的第4n+4號電極連成一組，組成D激勵相，其中η = O，2，3，...，m-Ι ;定子的A、B、C、D四個激勵相分別連接相位依次相差90°的等幅等頻正弦激勵電壓Ua、Ub、Uc、Ud ;轉(zhuǎn)子基體與定子基體同軸安裝，轉(zhuǎn)子電極(1-1)與定子電極(2-1)正對，并留有一定間隙δ，形成耦合電容； 當(dāng)轉(zhuǎn)子基體與定子基體相對轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)子電極上產(chǎn)生一路行波信號Uo，該行波信號和一路同頻率的參考信號Ur經(jīng)整形電路整形后，由比相電路進行比相；兩路信號的相位差由插補的高頻時鐘脈沖個數(shù)表示，再經(jīng)過標度變換得到轉(zhuǎn)子基體相對于定子基體的角位移值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場式時柵角位移傳感器，其特征是:所述定子電極(2-1)為扇環(huán)形或曲面矩形，它們大小相同，相鄰兩電極之間保持一定的絕緣間距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單圈多層結(jié)構(gòu)的電場式時柵角位移傳感器，其特征是:所述轉(zhuǎn)子電極(1-1)沿圓周方向展開后的形狀為兩個正弦向下相對形成的雙正弦形，相鄰轉(zhuǎn)子電極(1-1)之間通過引線連接，轉(zhuǎn)子電極長度略小于定子電極長度，寬度為一個定子電極寬度與一個絕緣間隔之和，相鄰兩轉(zhuǎn)子電極之間間隔3個轉(zhuǎn)子電極寬度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的電場式時柵角位移傳感器，其特征是:所述轉(zhuǎn)子電極(1-1)的形狀是由[0，π]區(qū)間上的正弦曲線與X軸圍成的區(qū)域和[π，2π]區(qū)間上的正弦曲線與X軸圍成區(qū)域共同構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的電場式時柵角位移傳感器，其特征是:所述定子基體表面依次覆有4層介質(zhì)膜，第一層為金屬膜，加工有4條激勵信號引線(2-2)，分別將Α、B、C、D各個激勵相的對應(yīng)定子電極連成一組；第二層為絕緣膜；第三層為金屬膜，加工成所述定子電極(2-1);第四層為絕緣保護膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的電場式時柵角位移傳感器，其特征是:所述轉(zhuǎn)子基體(I)和定子基體(2)采用圓柱體或圓柱環(huán)，利用其圓柱上下端面或圓柱環(huán)的內(nèi)外柱面來布置電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的電場式時柵角位移傳感器，其特征是:所述定子電極(2-1)的A激勵相與轉(zhuǎn)子電極(1-1)形成耦合電容C1, B激勵相與轉(zhuǎn)子電極形成耦合電容C2, C激勵相與轉(zhuǎn)子電極形成耦合電容C3，D激勵相與轉(zhuǎn)子電極形成耦合電容C4 ;所述循環(huán)交替變化的電容Cp C2, C3、C4兩兩交替工作，構(gòu)成交變電場的耦合通道，使得轉(zhuǎn)子電極輸出行波信號U。。
【文檔編號】G01B7/30GK103968750SQ201410196685
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】劉小康, 黃沛, 彭東林, 周啟武, 蒲紅吉 申請人:重慶理工大學(xué)