CN109631735A - 一种基于交变电场的平面二维时栅位移传感器 - Google Patents

一种基于交变电场的平面二维时栅位移传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于交变电场的平面二维时栅位移传感器，包括定尺基体和动尺基体两部分，两者正对平行安装，并留有一定间隙。定尺基体上布置有分别沿X轴和Y轴进行错位编码的正方形激励极片，动尺基体上布置有沿X轴和Y轴相邻排布的感应极片，四个激励相分别施加相位相差90°的同频等幅正弦激励信号，四个感应组通过电场耦合分别输出四路行波信号，采用加法器对相邻输出信号进行求和可同时解耦出两路相位相反、只包含X轴位移量的行波信号和两路相位相反、只包含Y轴位移量的行波信号；对任一方向上两路行波信号通过减法器进行作差可消除共模干扰。本发明结构简单，解耦彻底，可实现大量程高精度的平面二维位移测量。

Description

一种基于交变电场的平面二维时栅位移传感器
技术领域
本发明属于精密直线位移传感器领域，具体涉及一种基于交变电场的平面二维时栅位移传感器。
背景技术
具有多维度运动的精密测量仪器和加工设备往往要求位移传感器在各个维度上都能保证高精度和大量程的位移测量。传统的二维位移测量是通过组合两个单自由度的位移传感器来实现，测量***和机械结构复杂，容易引入阿贝误差和多轴累积误差，难以满足精密位移测量的需求。现有的二维平面位移传感器主要包括二维光栅、二维磁栅和二维容栅，其中二维光栅制造工艺和光路结构复杂，成本过高，而且容易受到环境干扰的影响；二维磁栅和二维容栅由于采用场的耦合方式获取信号，因此两个方向的测量信号互相干扰，导致测量精度不高。
近年来国内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)，这种传感器以高频时钟脉冲作为测量基准，采用平板电容构建的交变电场来直接耦合出测量所需的电行波信号，因此能实现大量程范围内的高精度位移测量。但是，目前的电场式时栅位移传感器只能进行一维直线位移的测量，无法实现平面二维直线位移测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于交变电场的平面二维时栅位移传感器，以实现大量程高精度的平面二维直线位移测量，并且结构简单、解耦彻底、抗干扰能力强。
本发明所述的基于交变电场的平面二维时栅位移传感器，包括定尺基体和动尺基体，动尺基体下表面与定尺基体上表面正对平行安装，并留有间隙。
所述定尺基体上表面并排设置有2m行激励电极，每行激励电极都由相同的n个正方形激励极片沿X轴方向均匀排布组成，相邻两个正方形激励极片间隔的距离Ie大于一个正方形激励极片的宽度Le，相邻两行激励电极沿Y轴方向间隔的距离等于沿X轴方向的起始位置错开(即奇数行激励电极沿X轴方向的起始位置与偶数行激励电极沿X轴方向的起始位置错开)，奇数行激励电极沿X轴方向的起始位置相同，偶数行激励电极沿X轴方向的起始位置相同；其中，n＝4k1、m＝4k2，k1、k2都为正整数。
多个正方形激励极片相连，在X轴方向形成有XA、XB、XC、XD激励组，在Y轴方向形成有YA、YB、YC、YD激励组，XA激励组与YA激励组相连，形成A激励相，XB激励组与YB激励组相连，形成B激励相，XC激励组与YC激励组相连，形成C激励相，XD激励组与YD激励组相连，形成D激励相。
所述动尺基体下表面设置有相同的r个感应单元，相邻两个感应单元间隔的距离为Ii，每个感应单元都由独立且相同的4个感应极片a、b、c、d按照2×2的方式排布组成，感应极片a、c位于同一行，感应极片a、b位于同一列，每个感应极片的长度、宽度都为Li，相邻两个感应极片间隔的距离为Ii，Li+Ii＝2(Le+Ie)，则每个感应单元中沿X轴或Y轴任意相邻的两个感应极片在该方向上空间相差180°，构成差动结构，感应极片的形状为中心对称图形；r个感应单元中的感应极片a相连，形成a感应组，r个感应单元中的感应极片b相连，形成b感应组，r个感应单元中的感应极片c相连，形成c感应组，r个感应单元中的感应极片d相连，形成d感应组。
感应单元与正对的正方形激励极片之间形成耦合电容。测量时，在A、B、C、D激励相上分别施加四路相位依次相差90°的同频等幅正弦激励信号，当动尺基体相对定尺基体产生平面移动时，a、b、c、d感应组通过电场耦合分别产生Ua、Ub、Uc、Ud四路电信号，每路电信号均由只包含X轴和Y轴位移量的两个行波信号组成，由于每个感应单元中X轴和Y轴方向上任意两相邻感应极片在该方向上空间相差180°，因此这两个行波信号的大小和频率相等、相位相反；Ua和Ub，Uc和Ud分别通过加法器求和，得到两路相位相反、只包含X轴位移量的行波信号UX+和UX-；Ua和Uc，Ub和Ud分别通过加法器求和，得到两路相位相反、只包含Y轴位移量的行波信号UY+和UY-；UX+和UX-通过减法器作差，得到X轴正弦行波信号UX，UY+和UY-通过减法器作差，得到Y轴正弦行波信号UY；X轴正弦行波信号UX经处理后得到动尺基体相对于定尺基体在X轴方向的直线位移(即将X轴正弦行波信号UX与同频基准信号进行鉴相处理，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到动尺基体相对于定尺基体在X轴方向的直线位移)，Y轴正弦行波信号UY经处理后得到动尺基体相对于定尺基体在Y轴方向的直线位移(即将Y轴正弦行波信号UY与同频基准信号进行鉴相处理，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到动尺基体相对于定尺基体在Y轴方向的直线位移)。
所述XA、XB、XC、XD激励组的形成方式为：X轴方向偶数列上的m个正方形激励极片相连，形成n个X激励单元，第4j1+1个X激励单元连成一组，组成XA激励组，第4j1+2个X激励单元连成一组，组成XB激励组，第4j1+3个X激励单元连成一组，组成XC激励组，第4j1+4个X激励单元连成一组，组成XD激励组，j1依次取0至k1-1的所有整数。
所述YA、YB、YC、YD激励组的形成方式为：Y轴方向偶数行上的n个正方形激励极片相连，形成m个Y激励单元，第4j2+1个Y激励单元连成一组，组成YA激励组，第4j2+2个Y激励单元连成一组，组成YB激励组，第4j2+3个Y激励单元连成一组，组成YC激励组，第4j2+4个Y激励单元连成一组，组成YD激励组，j2依次取0至k2-1的所有整数。
所述感应极片a、b、c、d的形状优选为正方形或者圆形或者菱形。
本发明采用正方形激励极片错位排布的方式实现了在同一平面上X轴方向和Y轴方向同时进行编码，同一感应单元中采用两相邻感应极片按差动结构排布的方式来拾取信号，通过加法器对两相邻感应组输出信号求和的方式滤除了非测量方向上的耦合信号，通过减法器对差动信号作差的方式消除了共模干扰，从而进一步提高了信号解耦能力，解耦彻底、抗干扰能力强，从而实现了大量程高精度的平面二维位移测量，并且结构简单。
附图说明
图1为实施例1中定尺基体与动尺基体的对应关系示意图。
图2为实施例1中定尺基体的结构示意图。
图3为实施例1中动尺基体的结构示意图。
图4为实施例1的信号处理示意图。
图5为实施例2中动尺基体的结构示意图。
图6为实施例3中动尺基体的结构示意图。
图7为实施例4中动尺基体的结构示意图。
图8为实施例5中动尺基体的结构示意图。
图9为实施例6中定尺基体的结构示意图。
图10为实施例7中动尺基体的结构示意图。
图11为实施例8中动尺基体的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
实施例1：如图1至图4所示的基于交变电场的平面二维时栅位移传感器，包括定尺基体1和动尺基体2，动尺基体2下表面与定尺基体1上表面正对平行安装，并留有d＝1mm间隙。
如图2所示，定尺基体1上表面并排设置有24行(即m＝12)激励电极，每行激励电极都由相同的12个(即n＝12)正方形激励极片11沿X轴方向均匀排布组成，相邻两个正方形激励极片11间隔的距离Ie＝6mm，一个正方形激励极片11的宽度Le＝4mm，相邻两行激励电极沿Y轴方向间隔的距离等于1mm，奇数行激励电极(即第1行、第3行、…、第21行、第23行激励电极)沿X轴方向的起始位置相同，偶数行激励电极(即第2行、第4行、…第22行、第24行激励电极)沿X轴方向的起始位置相同，奇数行激励电极沿X轴方向的起始位置与偶数行激励电极沿X轴方向的起始位置错开5mm。X轴方向每偶数列上的12个正方形激励极片11通过激励信号引线相连，一共形成12个X激励单元，沿X轴正方向依次编号为1、2、3、…、12，第1个、第5个、第9个X激励单元通过激励信号引线连成一组，组成XA激励组，第2个、第6个、第10个X激励单元通过激励信号引线连成一组，组成XB激励组，第3个、第7个、第11个X激励单元通过激励信号引线连成一组，组成XC激励组，第4个、第8个、第12个X激励单元通过激励信号引线连成一组，组成XD激励组；Y轴方向每偶数行上的12个正方形激励极片11通过激励信号引线相连，一共形成12个Y激励单元，沿Y轴正方向依次编号为1、2、3、…、12，第1个、第5个、第9个Y激励单元通过激励信号引线连成一组，组成YA激励组，第2个、第6个、第10个Y激励单元通过激励信号引线连成一组，组成YB激励组，第3个、第7个、第11个Y激励单元通过激励信号引线连成一组，组成YC激励组，第4个、第8个、第12个Y激励单元通过激励信号引线连成一组，组成YD激励组。XA激励组与YA激励组通过激励信号引线相连，形成A激励相，XB激励组与YB激励组通过激励信号引线相连，形成B激励相，XC激励组与YC激励组通过激励信号引线相连，形成C激励相，XD激励组与YD激励组通过激励信号引线相连，形成D激励相。X轴方向或者Y轴方向每经过四个正方形激励极片11为一个对极，对极宽度W＝4(Le+Ie)＝40mm，因此，X轴方向有3个对极，Y轴方向也有3个对极。
如图3所示，动尺基体2下表面设置有1个感应单元，该感应单元由独立且相同的4个感应极片a、b、c、d按照2×2的方式排布组成，感应极片a、c位于同一行，感应极片a、b位于同一列，感应极片a、b、c、d的形状为正方形，感应极片a、b、c、d的长度、宽度都为Li＝19mm，相邻两个感应极片在X轴方向间隔的距离为Ii＝1mm，在Y轴方向间隔的距离为Ii＝1mm，一个感应极片a构成a感应组，一个感应极片b构成b感应组，一个感应极片c构成c感应组，一个感应极片d构成d感应组。
动尺基体2下表面的感应单元与正对的定尺基体1上表面的正方形激励极片11之间形成耦合电容。测量时，在A、B、C、D激励相上分别施加正弦激励信号UA＝Umsinωt、UB＝Umcosωt、UC＝-Umsinωt、UD＝-Umcosωt，其中激励信号的幅值Um＝5V，频率f＝40KHz，角频率ω＝2πf＝8×104π。当动尺基体2相对定尺基体1产生平面移动时，a、b、c、d感应组通过电场耦合分别产生Ua、Ub、Uc、Ud四路电信号，表达式为：
式中，Ke为电场耦合系数，x和y分别为动尺基体2相对于定尺基体1在X轴方向和在Y轴方向上的直线位移。
信号处理方式如图4所示，将Ua和Ub，Uc和Ud分别通过加法器求和，得两路相位相反、只包含X轴位移量的行波信号UX+和UX-，将Ua和Uc，Ub和Ud分别通过加法器求和，得两路相位相反、只包含Y轴位移量的行波信号UY+和UY-，表达式为：
将UX+和UX-，UY+和UY-分别通过减法器作差，最终得到X轴正弦行波信号UX和Y轴正弦行波信号UY，表达式为：
将X轴正弦行波信号UX和Y轴正弦行波信号UY经整形电路整形成方波后，同时送入FPGA中进行鉴相处理，与一同频基准方波进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到动尺基体2相对于定尺基体1在X轴方向的直线位移x和在Y轴方向的直线位移y。
实施例2：本实施例的基于交变电场的平面二维时栅位移传感器，其测量原理以及大部分结构与实施例1相同，不同之处在于：如图5所示，动尺基体2下表面设置有相同的4个感应单元，信号强度更好，4个感应单元按照2×2的方式排布，在X轴方向相邻的两个感应单元间隔的距离为1mm，在Y轴方向相邻的两个感应单元间隔的距离为1mm，4个感应单元中的感应极片a通过感应信号引线相连(即4个感应极片a通过感应信号引线相连)，形成a感应组，4个感应单元中的感应极片b通过感应信号引线相连(即4个感应极片b通过感应信号引线相连)，形成b感应组，4个感应单元中的感应极片c通过感应信号引线相连(即4个感应极片c通过感应信号引线相连)，形成c感应组，4个感应单元中的感应极片d通过感应信号引线相连(即4个感应极片d通过感应信号引线相连)，形成d感应组。
实施例3：本实施例的基于交变电场的平面二维时栅位移传感器，其测量原理以及大部分结构与实施例1相同，不同之处在于：如图6所示，动尺基体2下表面设置有相同的2个感应单元，信号强度更好，2个感应单元沿X轴方向布置且间隔的距离为1mm，2个感应单元中的感应极片a通过感应信号引线相连(即2个感应极片a通过感应信号引线相连)，形成a感应组，2个感应单元中的感应极片b通过感应信号引线相连(即2个感应极片b通过感应信号引线相连)，形成b感应组，2个感应单元中的感应极片c通过感应信号引线相连(即2个感应极片c通过感应信号引线相连)，形成c感应组，2个感应单元中的感应极片d通过感应信号引线相连(即2个感应极片d通过感应信号引线相连)，形成d感应组。
实施例4：本实施例的基于交变电场的平面二维时栅位移传感器，其测量原理以及大部分结构与实施例1相同，不同之处在于：如图7所示，感应极片a、b、c、d的形状为圆形。
实施例5：本实施例的基于交变电场的平面二维时栅位移传感器，其测量原理以及大部分结构与实施例1相同，不同之处在于：如图8所示，感应极片a、b、c、d的形状为菱形。
实施例6：本实施例的基于交变电场的平面二维时栅位移传感器，其测量原理以及大部分结构与实施例1相同，不同之处在于：如图9所示，定尺基体1上表面并排设置有32行(即m＝16)激励电极，每行激励电极都由相同的12个(即n＝12)正方形激励极片11沿X轴方向均匀排布组成，相邻两个正方形激励极片11间隔的距离Ie＝6mm，一个正方形激励极片11的宽度Le＝4mm，相邻两行激励电极沿Y轴方向间隔的距离等于1mm，奇数行激励电极(即第1行、第3行、…、第29行、第31行激励电极)沿X轴方向的起始位置相同，偶数行激励电极(即第2行、第4行、…第30行、第32行激励电极)沿X轴方向的起始位置相同，奇数行激励电极沿X轴方向的起始位置与偶数行激励电极沿X轴方向的起始位置错开5mm。X轴方向每偶数列上的16个正方形激励极片11通过激励信号引线相连，一共形成12个X激励单元，沿X轴正方向依次编号为1、2、3、…、12，第1个、第5个、第9个X激励单元通过激励信号引线连成一组，组成XA激励组，第2个、第6个、第10个X激励单元通过激励信号引线连成一组，组成XB激励组，第3个、第7个、第11个X激励单元通过激励信号引线连成一组，组成XC激励组，第4个、第8个、第12个X激励单元通过激励信号引线连成一组，组成XD激励组；Y轴方向每偶数行上的12个正方形激励极片11通过激励信号引线相连，一共形成16个Y激励单元，沿Y轴正方向依次编号为1、2、3、…、16，第1个、第5个、第9个、第13个Y激励单元通过激励信号引线连成一组，组成YA激励组，第2个、第6个、第10个、第14个Y激励单元通过激励信号引线连成一组，组成YB激励组，第3个、第7个、第11个、第15个Y激励单元通过激励信号引线连成一组，组成YC激励组，第4个、第8个、第12个、第16个Y激励单元通过激励信号引线连成一组，组成YD激励组。X轴方向或者Y轴方向每经过四个正方形激励极片11为一个对极，对极宽度W＝4(Le+Ie)＝40mm，因此，X轴方向有3个对极，Y轴方向有4个对极。
实施例7：本实施例的基于交变电场的平面二维时栅位移传感器，其测量原理以及大部分结构与实施例1相同，不同之处在于：如图10所示，动尺基体2下表面设置有相同的4个感应单元，信号强度更好，4个感应单元按照2×2的方式排布，在X轴方向相邻的两个感应单元间隔的距离为1mm，在Y轴方向相邻的两个感应单元间隔的距离为1mm，每个感应单元中的感应极片a、b、c、d的形状为菱形，4个感应单元中的感应极片a通过感应信号引线相连(即4个感应极片a通过感应信号引线相连)，形成a感应组，4个感应单元中的感应极片b通过感应信号引线相连(即4个感应极片b通过感应信号引线相连)，形成b感应组，4个感应单元中的感应极片c通过感应信号引线相连(即4个感应极片c通过感应信号引线相连)，形成c感应组，4个感应单元中的感应极片d通过感应信号引线相连(即4个感应极片d通过感应信号引线相连)，形成d感应组。
实施例8：本实施例的基于交变电场的平面二维时栅位移传感器，其测量原理以及大部分结构与实施例1相同，不同之处在于：如图11所示，动尺基体2下表面设置有相同的2个感应单元，信号强度更好，2个感应单元沿X轴方向布置且间隔的距离为1mm，每个感应单元中的感应极片a、b、c、d的形状为圆形，2个感应单元中的感应极片a通过感应信号引线相连(即2个感应极片a通过感应信号引线相连)，形成a感应组，2个感应单元中的感应极片b通过感应信号引线相连(即2个感应极片b通过感应信号引线相连)，形成b感应组，2个感应单元中的感应极片c通过感应信号引线相连(即2个感应极片c通过感应信号引线相连)，形成c感应组，2个感应单元中的感应极片d通过感应信号引线相连(即2个感应极片d通过感应信号引线相连)，形成d感应组。

Claims (5)

1.一种基于交变电场的平面二维时栅位移传感器，包括定尺基体(1)和动尺基体(2)，动尺基体下表面与定尺基体上表面正对平行安装，并留有间隙；其特征是：
所述定尺基体(1)上表面并排设置有2m行激励电极，每行激励电极都由相同的n个正方形激励极片(11)沿X轴方向均匀排布组成，相邻两个正方形激励极片(11)间隔的距离Ie大于一个正方形激励极片(11)的宽度Le，相邻两行激励电极沿Y轴方向间隔的距离等于沿X轴方向的起始位置错开奇数行激励电极沿X轴方向的起始位置相同，偶数行激励电极沿X轴方向的起始位置相同；其中，n＝4k1、m＝4k2，k1、k2都为正整数；
多个正方形激励极片(11)相连，在X轴方向形成有XA、XB、XC、XD激励组，在Y轴方向形成有YA、YB、YC、YD激励组，XA激励组与YA激励组相连，形成A激励相，XB激励组与YB激励组相连，形成B激励相，XC激励组与YC激励组相连，形成C激励相，XD激励组与YD激励组相连，形成D激励相；
所述动尺基体(2)下表面设置有相同的r个感应单元，相邻两个感应单元间隔的距离为Ii，每个感应单元都由独立且相同的4个感应极片a、b、c、d按照2×2的方式排布组成，感应极片a、c位于同一行，感应极片a、b位于同一列，每个感应极片的长度、宽度都为Li，相邻两个感应极片间隔的距离为Ii，Li+Ii＝2(Le+Ie)，感应极片的形状为中心对称图形；r个感应单元中的感应极片a相连，形成a感应组，r个感应单元中的感应极片b相连，形成b感应组，r个感应单元中的感应极片c相连，形成c感应组，r个感应单元中的感应极片d相连，形成d感应组；
测量时，在A、B、C、D激励相上分别施加四路相位依次相差90°的同频等幅正弦激励信号，当动尺基体相对定尺基体产生平面移动时，a、b、c、d感应组分别产生Ua、Ub、Uc、Ud四路电信号；Ua和Ub，Uc和Ud分别通过加法器求和，得到两路行波信号UX+和UX-；Ua和Uc，Ub和Ud分别通过加法器求和，得到两路行波信号UY+和UY-；UX+和UX-，UY+和UY-分别通过减法器作差，得到X轴正弦行波信号UX和Y轴正弦行波信号UY；X轴正弦行波信号UX和Y轴正弦行波信号UY分别经处理后得到动尺基体相对于定尺基体在X轴方向的直线位移和在Y轴方向的直线位移。
2.根据权利要求1所述的基于交变电场的二维时栅位移传感器，其特征是：
所述XA、XB、XC、XD激励组的形成方式为：X轴方向偶数列上的m个正方形激励极片(11)相连，形成n个X激励单元，第4j1+1个X激励单元连成一组，组成XA激励组，第4j1+2个X激励单元连成一组，组成XB激励组，第4j1+3个X激励单元连成一组，组成XC激励组，第4j1+4个X激励单元连成一组，组成XD激励组，j1依次取0至k1-1的所有整数；
所述YA、YB、YC、YD激励组的形成方式为：Y轴方向偶数行上的n个正方形激励极片(11)相连，形成m个Y激励单元，第4j2+1个Y激励单元连成一组，组成YA激励组，第4j2+2个Y激励单元连成一组，组成YB激励组，第4j2+3个Y激励单元连成一组，组成YC激励组，第4j2+4个Y激励单元连成一组，组成YD激励组，j2依次取0至k2-1的所有整数。
3.根据权利要求1或2所述的基于交变电场的平面二维时栅位移传感器，其特征是：所述感应极片a、b、c、d的形状为正方形。
4.根据权利要求1或2所述的基于交变电场的平面二维时栅位移传感器，其特征是：所述感应极片a、b、c、d的形状为圆形。
5.根据权利要求1或2所述的基于交变电场的平面二维时栅位移传感器，其特征是：所述感应极片a、b、c、d的形状为菱形。
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