[发明专利]一种基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器

说明书

本发明公开了一种基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，包括转子基体和定子基体，两者同心安装，并留有间隙。转子基体上布置有沿轴向和周向进行错位编码的激励极片，形成四个激励相，定子基体上布置有沿轴向和周向相邻排布的感应极片，形成四个感应组。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；通过采用加法器对相邻两感应组输出信号进行求和可同时解耦出两路相位相反、只包含轴向直线位移量的行波信号和两路相位相反、只包含周向角位移量的行波信号；对任一方向上两路行波信号通过减法器进行作差消除共模干扰。本发明解耦彻底，可实现高精度的大量程直线位移和360°角位移测量。

技术领域

本发明属于精密位移传感器领域，具体涉及一种基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器。

背景技术

齿轮测量中心、精密加工中心、工业机器人等复杂的测量仪器和加工设备同时具有大量程直线运动和360°圆周运动，因此对两个自由度的位移测量是通过组合单自由度的直线位移传感器和角度位移传感器来实现，测量系统和机械结构复杂，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。现有的二维位移传感器主要包括二维光栅、二维磁栅和二维容栅，均只能实现平面二维位移测量。

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)和电场式时栅角位移传感器(公开号为CNl03968750A)。这类传感器以高频时钟脉冲作为测量基准，采用平板电容阵列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。但目前的电场式时栅位移传感器只能进行一维直线位移或角位移的测量，无法实现二维位移测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于交变电场的柱状二维时栅位移传感器，以实现高精度的大量程直线位移和360°角位移测量，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柱状二维时栅位移传感器，包括转子基体和定子基体。

所述转子基体的外圆柱面上沿周向均匀设置有2n列激励电极，每列激励电极都由相同的m个激励极片沿轴向均匀排布组成，每个激励极片沿轴向的长度为L_e、沿周向的弧长为L_e，相邻两个激励极片沿轴向间隔的距离I_e大于L_e，相邻两列激励电极沿周向间隔的弧长等于沿轴向的起始位置错开(即奇数列激励电极沿轴向的起始位置与偶数列激励电极沿轴向的起始位置错开)，奇数列激励电极沿轴向的起始位置相同，偶数列激励电极沿轴向的起始位置相同，其中，n＝4k₁、m＝4k₂，n(L_e+I_e)＝2πR_e，k₁、k₂都为正整数，R_e表示转子基体的外圆柱面的半径；转子基体的外圆柱面沿母线展开并铺平后，其上的激励极片的形状为正方形。多个激励极片相连，在周向形成有CA、CB、CC、CD激励组，在轴向形成有ZA、ZB、ZC、ZD激励组，CA激励组与ZA激励组相连，形成A激励相，CB激励组与ZB激励组相连，形成B激励相，CC激励组与ZC激励组相连，形成C激励相，CD激励组与ZD激励组相连，形成D激励相。