[發明專利]一種基于交變電場的時柵角位移傳感器

有效

• 申請號: 201110257491.4
• 申請日: 2011-09-02
• 公開（公告）號: CN102425987A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: 劉小康;彭東林;楊繼森;周啟武;彭凱
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: G01B7/30
• 分類號: G01B7/30
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明屬于精密角位移測量傳感器。

背景技術

精密角位移測量領域主要采用光柵、磁柵和容柵等柵式傳感器，其測量基準采用的是按空間均分的周期性柵線，通過對柵線的計數而得到位移量。精密測量要求能夠測出????????????????????????????????????????????????的角位移，為了達到測量的精度和分辨力要求，單靠精密刻線本身無法實現，需要采用高精度電子細分技術，從而使這些柵式傳感器的制造工藝要求苛刻，成本高，抗干擾力差。

近年來國內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。而現有的時柵角位移傳感器是基于電磁感應原理進行測量，定子線圈連接激勵電源，利用感應線圈作為動測頭獲取感應信號；在動測頭移動過程中，因磁通量變化而使感應信號相位相應移動。為了實現高精度測量，這種時柵角位移傳感器的定子線圈和感應線圈基體要求采用導磁材料，造成傳感器質量較重；制作工藝需要繞線，生產效率低；另外，需要對激勵電源進行功率放大才能驅動定子線圈，以獲取幅值足夠大的感應信號，造成時柵角位移傳感器的功耗較大。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提出一種基于交變電場的時柵角位移傳感器，它不用精密刻線，不用電阻細分箱，而采用差動平板電容式結構，利用電場耦合原理獲取信號，以時鐘脈沖作為位移計量基準；因而功耗低，重量輕，分辨力高，成本低。

本發明的技術方案如下：

一種基于交變電場的時柵角位移傳感器，包括測頭基體和定盤基體兩部分；?

所述測頭基體下表面覆有內、外兩圈均勻分布的電極；所述定盤基體上表面覆有內、外兩圈均勻分布的電極，定盤內圈電極的起始位置與定盤外圈電極的起始位置相差1/2電極圓心角，定盤內圈電極的奇數號電極連成一組，偶數號電極連成一組，兩組電極組成一個A激勵相，定盤外圈電極的奇數號電極連成一組，偶數號電極連成一組，兩組電極組成一個B激勵相；測頭基體的下表面與定盤基體的上表面相對放置，測頭基體的測頭內圈電極與定盤內圈電極正對，測頭基體的測頭外圈電極與定盤外圈電極正對，并留有一定間隙δ，形成內、外兩圈差動電容；

測頭基體與定盤基體同軸安裝并可相對轉動；定盤內圈的A激勵相與定盤外圈的B激勵相分別連接相位相差90°的等幅等頻正弦激勵電壓Ua、Ub，測頭內圈電極與測頭外圈電極產生的兩路電場耦合信號Uoa、Uob經加法電路合成為一路行波信號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表示，再經過標度變換得到測頭基體相對于定盤基體的角位移值。

進一步，所述定盤內圈電極和定盤外圈電極為徑向高度相同圓心角大小相等的扇環形；所述測頭內圈電極和測頭外圈電極沿圓弧方向展開后的形狀為一條[0,π]區間的正弦曲線圍成的區域形狀，以獲得幅值按正弦規律調制的電場耦合信號；測頭內圈電極與定盤內圈電極的寬度相同圓心角大小相等且徑向高度也相同，測頭外圈電極與定盤外圈電極的寬度相同圓心角大小相等且徑向高度也相同。

進一步，所述定盤內圈電極的奇數號電極與測頭內圈電極形成差動電容C₁，偶數號電極與測頭內圈電極形成差動電容C₂；所述定盤外圈電極的奇數號電極與測頭外圈電極形成差動電容C₃，偶數號電極與測頭外圈電極形成差動電容C₄；所述差動電容C₁和差動電容C₂構成一組交流電橋，輸出測量信號Ua₁、Ua₂；所述差動電容C₃和差動電容C₄構成另一組交流電橋，輸出測量信號Ub₁、Ub₂。