一种基于交变电场的差极反射型绝对式时栅角位移传感器的制作方法

本发明涉及精密角位移传感器，具体涉及一种基于交变电场的差极反射型绝对式时栅角位移传感器。

背景技术：

角位移传感器分为增量式和绝对式两种。相比增量式，绝对式角位移传感器具有开机无需复位，立刻获得绝对角度信息和无累计误差等优势，提高了工作效率和可靠性，因而逐渐成为角位移传感器的发展趋势。目前使用广泛的是绝对式光电编码器，它主要通过编码实现绝对定位，但是编码解码过程复杂。另外，需要利用精密刻线作为空间基准来实现精密测量，但是刻线的宽度受到光学衍射极限的限制。近年来研制出一种以时钟脉冲作为位移测量基准的时栅传感器，并在此基础上研制出了一种电场式时栅角位移传感器(公开号为cn103968750a)，这种传感器以高频时钟脉冲作为测量基准，采用平行电容板构建交变电场进行精密位移测量，虽然能够实现精密测量，但是其仍然存在如下问题：(1)采用增量计数方式，存在累计误差；(2)激励信号从传感器的定子基体上的激励电极接入，感应信号从转子基体上的转子电极输出，转子基体上需要引信号输出线，有些场合不能使用，应用范围窄。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于交变电场的差极反射型绝对式时栅角位移传感器，以实现绝对角位移测量，同时扩大应用范围，增强工业适应性。

本发明所述的基于交变电场的差极反射型绝对式时栅角位移传感器，包括定子基体和与定子基体同轴安装的转子基体，转子基体下表面与定子基体上表面正对平行，并留有间隙，转子基体下表面设有差动式的感应电极ⅰ，定子基体上表面设有与感应电极ⅰ正对的激励电极ⅰ，所述激励电极ⅰ由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片ⅰ沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第4n1+1号扇环形极片ⅰ连成一组，组成a1激励相，第4n1+2号扇环形极片ⅰ连成一组，组成b1激励相，第4n1+3号扇环形极片ⅰ连成一组，组成c1激励相，第4n1+4号扇环形极片ⅰ连成一组，组成d1激励相，n1依次取0至m1-1的所有整数，m1表示激励电极ⅰ的对极数。

所述定子基体上表面设有激励电极ⅱ、差动式的接收电极ⅰ和差动式的接收电极ⅱ，所述转子基体下表面设有差动式的感应电极ⅱ、差动式的反射电极ⅰ和差动式的反射电极ⅱ，感应电极ⅱ与激励电极ⅱ正对，反射电极ⅰ与接收电极ⅰ正对且与感应电极ⅰ相连，反射电极ⅱ与接收电极ⅱ正对且与感应电极ⅱ相连。

所述接收电极ⅰ位于激励电极ⅰ的内侧，接收电极ⅱ位于接收电极ⅰ的内侧，激励电极ⅱ位于接收电极ⅱ的内侧。

所述激励电极ⅱ由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片ⅱ沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第4n2+1号扇环形极片ⅱ连成一组，组成a2激励相，第4n2+2号扇环形极片ⅱ连成一组，组成b2激励相，第4n2+3号扇环形极片ⅱ连成一组，组成c2激励相，第4n2+4号扇环形极片ⅱ连成一组，组成d2激励相，n2依次取0至m2-1的所有整数，m2表示激励电极ⅱ的对极数，m2＝m1-1。

所述感应电极ⅰ由一圈相同的双正弦形极片ⅰ沿圆周方向等间隔排布组成，该双正弦形极片ⅰ所对的圆心角等于所述扇环形极片ⅰ所对的圆心角，则相邻两双正弦形极片ⅰ之间间隔的圆心角等于相邻两奇数号(或偶数号)扇环形极片ⅰ之间间隔的圆心角；其中，第2n3+1号(即奇数号)双正弦形极片ⅰ连成一组，组成a1感应组，第2n3+2号(即偶数号)双正弦形极片ⅰ连成一组，组成b1感应组，n3依次取0至m1-1的所有整数(即感应电极ⅰ的对极数与激励电极ⅰ的对极数相同为m1)。

所述感应电极ⅱ由一圈相同的双正弦形极片ⅱ沿圆周方向等间隔排布组成，该双正弦形极片ⅱ所对的圆心角等于所述扇环形极片ⅱ所对的圆心角，则相邻两双正弦形极片ⅱ之间间隔的圆心角等于相邻两奇数号(或偶数号)扇环形极片ⅱ之间间隔的圆心角；其中，第2n4+1号(即奇数号)双正弦形极片ⅱ连成一组，组成a2感应组，第2n4+2号(即偶数号)双正弦形极片ⅱ连成一组，组成b2感应组，n4依次取0至m2-1的所有整数(即感应电极ⅱ的对极数与激励电极ⅱ的对极数相同为m2)。

工作时，转子基体与定子基体相对平行转动，先对激励电极ⅱ的a2、b2、c2、d2激励相分别施加相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励电信号，此时激励电极ⅰ不工作，四路同频等幅正弦激励电信号经感应电极ⅱ与激励电极ⅱ之间的耦合电场产生两路同频等幅相位相差180°的正弦行波信号，该两路正弦行波信号经反射电极ⅱ反射回接收电极ⅱ，在接收电极ⅱ上输出相位相差180°的同频等幅的第一、第二行波信号，经减法电路后获得第一路差动正弦行波信号uo1并存储；然后迅速将所述的四路同频等幅正弦激励电信号切换到激励电极ⅰ的a1、b1、c1、d1激励相上，此时激励电极ⅱ不工作，该四路同频等幅正弦激励电信号经感应电极ⅰ与激励电极ⅰ之间的耦合电场产生两路同频等幅相位相差180°的正弦行波信号，该两路正弦行波信号经反射电极ⅰ反射回接收电极ⅰ，在接收电极ⅰ上输出相位相差180°的同频等幅的第三、第四行波信号，经减法电路后获得第二路差动正弦行波信号uo2；第二路差动正弦行波信号uo2经处理后得到精测角位移值，第一路差动正弦行波信号uo1与第二路差动正弦行波信号uo2比相后的相位差经处理后得到粗测对极定位值，将精测角位移值与粗测对极定位值相结合得到绝对角位移值。

所述感应电极ⅰ中的双正弦形极片ⅰ沿圆周方向展开后的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的全封闭轴对称图形ⅰ；所述感应电极ⅱ中的双正弦形极片ⅱ沿圆周方向展开后的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的全封闭轴对称图形ⅱ。

所述反射电极ⅰ由同心的第一圆环形反射极片与第二圆环形反射极片间隔组成，第一圆环形反射极片与a1感应组相连，第二圆环形反射极片与b1感应组相连。所述反射电极ⅱ由同心的第三圆环形反射极片与第四圆环形反射极片间隔组成，第三圆环形反射极片与a2感应组相连，第四圆环形反射极片与b2感应组相连。

所述接收电极ⅰ由同心的第一圆环形接收极片与第二圆环形接收极片间隔组成，第一圆环形接收极片与第一圆环形反射极片正对，作为所述第三行波信号的输出电极，第二圆环形接收极片与第二圆环形反射极片正对，作为所述第四行波信号的输出电极。所述接收电极ⅱ由同心的第三圆环形接收极片与第四圆环形接收极片间隔组成，第三圆环形接收极片与第三圆环形反射极片正对，作为所述第一行波信号的输出电极，第四圆环形接收极片与第四圆环形反射极片正对，作为所述第二行波信号的输出电极。反射电极ⅰ、ⅱ与接收电极ⅰ、ⅱ是对感应电极ⅰ、ⅱ的信号进行直接反射与接收，将第二路差动正弦行波信号uo2作为角位移精测信号，角位移精测信号与感应电极ⅰ输出信号的特性完全相同，不会带来精度损失，从而使得精测部分角位移精度得到了提高，利用第一路差动正弦行波信号uo1与第二路差动正弦行波信号uo2进行粗测定位，第一路差动正弦行波信号uo1与感应电极ⅱ输出信号的特性完全相同，第二路差动正弦行波信号uo2与感应电极ⅰ输出信号的特性完全相同，信号精度损失小，更容易实现绝对定位。

本发明具有如下效果：

(1)将感应电极ⅰ、ⅱ感应到的行波信号通过反射电极直接反射回接收电极，由接收电极输出行波信号，输入输出信号均在定子基体上，转子基体无需引线，应用范围更广。

(2)感应电极ⅰ、感应电极ⅱ、反射电极ⅰ、反射电极ⅱ和接收电极ⅰ、接收电极ⅱ均采用差动结构，抑制了共模干扰，能提高信噪比，从而提高了信号质量，由此带来传感器的信号稳定性和抗干扰能力得到了极大地提升，环境适应能力更强，工业适应性更强。

(3)激励电极ⅰ工作时激励电极ⅱ不工作，激励电极ⅱ工作时激励电极ⅰ不工作，采用分时工作的方式进行绝对测量，减小实时工作时之间的相互干扰，定位更准确，精度更高。

附图说明

图1为实施例中定子基体上的电极与转子基体上的电极示意图。

图2为实施例中定子基体与转子基体的对应关系示意图。

图3为实施例中定子基体的引线示意图。

图4为实施例中转子基体的引线示意图。

图5为实施例的信号处理原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1至图4所示的基于交变电场的差极反射型绝对式时栅角位移传感器，包括定子基体1和与定子基体1同轴安装的转子基体2，转子基体2下表面与定子基体1上表面正对平行，并留有0.5mm间隙，定子基体1、转子基体2均采用陶瓷作为基体材料，通过在陶瓷表面喷镀一层铁镍合金作为电极的极片。

如图1至图3所示，定子基体1上表面由外圈到内圈依次设有激励电极ⅰ11、差动式的接收电极ⅰ、差动式的接收电极ⅱ和激励电极ⅱ12。

激励电极ⅰ11由一圈内圆半径为37.5mm、径向高度为7mm、圆心角为3.75°的扇环形极片ⅰ沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个扇环形极片ⅰ之间间隔的圆心角)为3.75°，激励电极ⅰ11的对极数m1＝12，每相邻的四个扇环形极片ⅰ形成一个对极，则总共有48个扇环形极片ⅰ；其中，沿圆周顺时针方向第4n1+1号扇环形极片ⅰ通过第一根激励信号连接线连成一组，组成a1激励相，第4n1+2号扇环形极片ⅰ通过第二根激励信号连接线连成一组，组成b1激励相，第4n1+3号扇环形极片ⅰ通过第三根激励信号连接线连成一组，组成c1激励相，第4n1+4号扇环形极片ⅰ通过第四根激励信号连接线连成一组，组成d1激励相，n1依次取0至11的所有整数。

接收电极ⅰ由同心的第一圆环形接收极片131与第二圆环形接收极片132间隔0.2mm组成，第一圆环形接收极片131的内圆半径为31mm、外圆半径为33.4mm，第二圆环形接收极片132的内圆半径为33.6mm、外圆半径为36mm，第一圆环形接收极片131作为第三行波信号的输出电极(即在激励作用下可输出第三行波信号)，第二圆环形接收极片132作为第四行波信号的输出电极(即在激励作用下可输出第四行波信号)。

接收电极ⅱ由同心的第三圆环形接收极片141与第四圆环形接收极片142间隔0.2mm组成，第三圆环形接收极片141的内圆半径为23mm、外圆半径为25.4mm，第四圆环形接收极片142的内圆半径为25.6mm、外圆半径为28mm，第三圆环形接收极片141作为第一行波信号的输出电极(即在激励作用下可输出第一行波信号)，第四圆环形接收极片142作为第二行波信号的输出电极(即在激励作用下可输出第二行波信号)。

激励电极ⅱ12由一圈内圆半径为14.5mm、径向高度为7mm、圆心角为4.09°的扇环形极片ⅱ沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个扇环形极片ⅱ之间间隔的圆心角)为4.09°，激励电极ⅱ12的对极数m2＝11，每相邻的四个扇环形极片ⅱ形成一个对极，则总共有44个扇环形极片ⅱ；其中，沿圆周顺时针方向第4n2+1号扇环形极片ⅱ通过第五根激励信号连接线连成一组，组成a2激励相，第4n2+2号扇环形极片ⅱ通过第六根激励信号连接线连成一组，组成b2激励相，第4n2+3号扇环形极片ⅱ通过第七根激励信号连接线连成一组，组成c2激励相，第4n2+4号扇环形极片ⅱ通过第八根激励信号连接线连成一组，组成d2激励相，n2依次取0至10的所有整数。

如图1、图2、图4所示，转子基体2下表面由外圈到内圈依次设有差动式的感应电极ⅰ21、差动式的反射电极ⅰ、差动式的反射电极ⅱ和差动式的感应电极ⅱ22，感应电极ⅰ21与激励电极ⅰ11正对，反射电极ⅰ与接收电极ⅰ正对，反射电极ⅱ与接收电极ⅱ正对，感应电极ⅱ22与激励电极ⅱ12正对。

感应电极ⅰ21由一圈相同的双正弦形极片ⅰ沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个双正弦形极片ⅰ之间间隔的圆心角)为11.25°，感应电极ⅰ21的对极数为12，每相邻的两个双正弦形极片ⅰ形成一个对极，则总共有24个双正弦形极片ⅰ，双正弦形极片ⅰ沿圆周方向展开后的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的全封闭轴对称图形ⅰ，每个双正弦形极片ⅰ的中心到圆心的距离(即每个双正弦形极片ⅰ的中心所在的圆的半径)为41mm，每个双正弦形极片ⅰ的径向高度为6mm、所对的圆心角为3.75°；其中，沿圆周顺时针方向第2n3+1号(即奇数号)双正弦形极片ⅰ通过第一根感应信号连接线连成一组，组成a1感应组，第2n3+2号(即偶数号)双正弦形极片ⅰ通过第二根感应信号连接线连成一组，组成b1感应组，n3依次取0至11的所有整数。

反射电极ⅰ由同心的第一圆环形反射极片231与第二圆环形反射极片232间隔0.2mm组成，第一圆环形反射极片231的内圆半径为31mm、外圆半径为33.4mm，第二圆环形反射极片232的内圆半径为33.6mm、外圆半径为36mm，第一圆环形反射极片231与第一圆环形接收极片131正对，第二圆环形反射极片232与第二圆环形接收极片132正对。第一圆环形反射极片231通过信号引线与a1感应组相连，第二圆环形反射极片232通过信号引线与b1感应组相连。

反射电极ⅱ由同心的第三圆环形反射极片241与第四圆环形反射极片242间隔0.2mm组成，第三圆环形反射极片241的内圆半径为23mm、外圆半径为25.4mm，第四圆环形反射极片242的内圆半径为25.6mm、外圆半径为28mm，第三圆环形反射极片241与第三圆环形接收极片141正对，第四圆环形反射极片242与第四圆环形接收极片142正对。第三圆环形反射极片241通过信号引线与a2感应组相连，第四圆环形反射极片242通过信号引线与b2感应组相连。

感应电极ⅱ22由一圈相同的双正弦形极片ⅱ沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个双正弦形极片ⅱ之间间隔的圆心角)为12.27°，感应电极ⅱ22的对极数为11，每相邻的两个双正弦形极片ⅱ形成一个对极，则总共有22个双正弦形极片ⅱ，双正弦形极片ⅱ沿圆周方向展开后的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的全封闭轴对称图形ⅱ，每个双正弦形极片ⅱ的中心到圆心的距离(即每个双正弦形极片ⅱ的中心所在的圆的半径)为18mm，每个双正弦形极片ⅱ的径向高度为6mm、所对的圆心角为4.09°；其中，沿圆周顺时针方向第2n4+1号(即奇数号)双正弦形极片ⅱ通过第三根感应信号连接线连成一组，组成a2感应组，第2n4+2号(即偶数号)双正弦形极片ⅱ通过第四根感应信号连接线连成一组，组成b2感应组，n4依次取0至10的所有整数。

测量时，转子基体2与定子基体1相对平行转动，先对激励电极ⅱ12的a2、b2、c2、d2激励相分别施加相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励电信号(即第五至第八根激励信号连接线中分别通入相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励电信号)，此时激励电极ⅰ11不工作，激励信号经激励电极ⅱ12与感应电极ⅱ22之间的耦合电场，在感应电极ⅱ22的a2、b2感应组上产生两路同频等幅相位相差180°的正弦行波信号，这两路正弦行波信号经第三圆环形反射极片241、第四圆环形反射极片242直接反射到第三圆环形接收极片141、第四圆环形接收极片142上，在第三圆环形接收极片141上输出第一行波信号，在第四圆环形接收极片142上输出第二行波信号。

第一、第二行波信号经减法电路合成第一路差动正弦行波信号uo1：

uo1＝keumsin[ωt+11θ]；

第一路差动正弦行波信号uo1经整形电路整形成方波后存储在fpga信号处理系统的ram中。

然后在1ms内将前述相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励电压切换到激励电极ⅰ11的a1、b1、c1、d1激励相上(即第一至第四根激励信号连接线中分别通入相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励电信号)，此时激励电极ⅱ12不工作，激励信号经激励电极ⅰ11与感应电极ⅰ21之间的耦合电场，在感应电极ⅰ21的a1、b1感应组上产生两路同频等幅相位相差180°的正弦行波信号，这两路正弦行波信号经第一圆环形反射极片231、第二圆环形反射极片232直接反射到第一圆环形接收极片131、第二圆环形接收极片132上，在第一圆环形接收极片131上输出第三行波信号，在第二圆环形接收极片132上输出第四行波信号。

第三、第四行波信号经减法电路合成第二路差动正弦行波信号uo2：

uo2＝keumsin[ωt+12θ]；

其中，激励信号的幅值um＝5v，频率f＝40khz，角频率ω＝2πf＝8×10⁴π，ke为电场耦合系数，θ为精测角位移值。

第二路差动正弦行波信号uo2与一路相位固定的同频参考正弦信号ur经整形电路整形成方波后送入fpga信号处理系统中进行比相，比相后的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，并经变换后得到精测角位移值；第二路差动正弦行波信号uo2经整形电路整形成方波后送入fpga信号处理系统中，与整形成方波的uo1进行比相，比相后的相位差与一路整形成方波的相位固定的同频参考信号ur再进行比相，比相后的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，并经变换后得到粗测对极定位值，fpga信号处理系统将精测角位移值与粗测对极定位值相结合得到绝对角位移值(参见图5)。