[发明专利]一种电场式时栅角位移传感器

说明书

技术领域

本发明属于精密角位移测量传感器。

背景技术

在精密角位移测量领域，近年来研制出了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基于交变电场的时栅角位移传感器。此传感器专利于2012年4月25日公开，专利名称：一种基于交变电场的时栅角位移传感器，专利文献号：CN102425987A。

这种基于交变电场的时栅角位移传感器采用了单层结构的差动电容作为信号耦合通道，要求通过两圈电极来形成两路驻波信号，再由加法电路合成一路行波信号。由于在圆柱端面加工的两圈电极的长宽比不一致，相应地两路驻波信号的变化规律有差异，并且两圈电极信号之间会相互干扰，致使测量误差增大，阻碍了精度的进一步提高。在加工制造上难以保证两圈电极的一致性，在安装上也难以保证两圈电极的电场耦合强度一致，造成两路驻波信号振幅不一致，带来测量误差，对工业现场的适应性下降。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于单圈多层结构的电场式时栅角位移传感器，它采用基于单圈多层结构的电极，解决两圈之间的信号相互干扰及电极长宽比不一致问题，避免加工及安装导致的两圈电场耦合强度不一致的问题；利用电场耦合原理直接获取行波信号，无需加法电路；因而可以减小测量误差，降低对安装精度的要求，简化系统结构。

本发明的技术方案如下：

基于单圈多层结构的电场式时栅角位移传感器，包括转子和定子两部分，转子基体和定子基体可以采用圆柱体或圆柱环两种实现方式。

所述传感器的第一种实现方式是利用圆柱体或圆柱环的上下端面来布置电极：转子基体和定子基体均采用圆柱体或圆柱环，转子基体下表面(即圆柱端面)覆有两个正弦上下对称形成的双正弦形(其为沿圆周方向展开后的形状)的转子电极，转子电极数量为m，均布为一圈，转子电极之间由引线连接。在定子基体上表面(即圆柱端面)依次覆有4层介质膜，第一层为金属膜，加工4条激励信号引线；第二层为绝缘膜；第三层为金属膜，加工定子电极，其形状为扇环形(即沿圆周方向展开后为矩形)，且大小相同，相邻两电极之间保持一定的绝缘间距，定子电极的数量为4m，它们均匀分布一圈；第四层为绝缘保护膜。转子基体与定子基体同轴安装，转子基体的下表面与定子基体的上表面相对平行放置，使得转子电极与定子电极正对，并留有一定间隙δ，形成耦合电容。

所述传感器的第二种实现方式是圆柱体或圆柱环的内外柱面来布置电极：转子基体采用圆柱体，在转子基体外圆柱面覆有两个正弦上下对称形成的双正弦形(其为沿圆周方向展开后的形状)的转子电极，转子电极数量为m，均布为一圈，转子电极之间由引线连接。定子基体采用圆柱环，在其内圆柱面依次覆有4层介质膜，第一层为金属膜，加工4条激励信号引线；第二层为绝缘膜；第三层为金属膜，加工定子电极，其形状为曲面矩形(即沿圆周方向展开后为矩形)且大小相同，相邻两电极之间保持一定的绝缘间距，定子电极的数量为4m，它们均匀分布一圈；第四层为绝缘保护膜。转子基体与定子基体同轴安装，转子电极与定子电极正对，并留有一定间隙δ，形成耦合电容。

上述两种结构中，转子电极有m个，长度略小于定子电极长度，宽度为定子一个电极宽度与一个绝缘间隔之和，相邻两电极之间间隔3个转子电极宽度。具体地，所述转子电极的形状是由[0,π]区间上的正弦曲线与x轴围成的区域和[π,2π]区间上的正弦曲线与x轴围成区域共同构成，由此获得正对面积按正弦规律变化的耦合电容，进一步获取角位移调制信号。

所述定子电极有4m个，其中第4n+1(n＝0,2,3,...,m-1)号电极连成一组，组成A激励相，第4n+2号电极连成一组，组成B激励相，第4n+3号电极连成一组，组成C激励相，第4n+4号电极连成一组，组成D激励相；定子的A、B、C、D四个激励相分别连接相位依次相差90°的等幅等频正弦激励电压Ua、Ub、Uc、Ud，转子电极产生一路行波信号Uo，该行波信号与一路相位固定的同频率参考信号Ur经整形电路整形后，由比相电路进行比相；两路信号的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经过标度变换得到转子基体相对于定子基体的角位移值。以上四路激励电压和一路同频率的参考信号Ur是采用数字波形合成技术产生。