一种电容式旋变位移传感器的制作方法

本发明涉及一种位移传感器，特别是关于一种电容式旋变位移传感器，属于位移传感器领域。

背景技术：

随着科学技术的不断发展，高精度位移测量和非接触测量的需求越来越多，电容测微技术的应用面也越来越宽，随着电容传感器存在的分布电容和非线性等缺点得到克服，高精度、高稳定性的电容测微产品相继问世，高精度电容测微仪可实现的分辨率极高，且具有较好的频响特性，因此近年来成为高精度微动平台反馈控制的几种主要检测传感器之一。

但是现有的电容式位移传感器仍然存在量程小和动态特性差等缺点，尤其是不能兼顾高精度和大量程。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够兼顾高精度和大量程的电容式旋变位移传感器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种电容式旋变位移传感器，其特征在于，该位移传感器包括敏感结构和解调电路；所述敏感结构包括平行设置的动尺和定尺，所述动尺包括两正弦敏感电极和一耦合电极，所述定尺包括两采集电极和一激励电极；所述动尺的内侧平行设置周期个数不同且没有公约数的所述两正弦敏感电极，所述两正弦敏感电极之间设置所述耦合电极，且所述两正弦敏感电极和耦合电极为等势体；所述定尺的内侧平行设置所述两采集电极，所述两采集电极之间设置所述激励电极；所述两采集电极和两正弦敏感电极正对形成粗测量电容和细测量电容，所述激励电极和耦合电极正对形成耦合电容；所述解调电路包括旋变解调模块、C-V转换模块、差分放大模块、误差补偿模块和电源模块；所述旋变解调模块将输出的载波信号经处理后发送到所述激励电极，并通过所述耦合电容作用到所述耦合电极，所述耦合电极将载波信号传递到所述两正弦敏感电极，并分别通过粗测量电容和细测量电容作用到所述两采集电极得到粗测量电容信号和细测量电容信号，粗测量电容信号和细测量电容信号分别依次经所述C-V转换模块和差分放大模块得到粗测量正交旋变信号和细测量正交旋变信号，粗测量正交旋变信号和细测量正交旋变信号经所述旋变解调模块得到粗测量位移和细测量位移，所述误差补偿模块对粗测量位移和细测量位移进行误差补偿后通过计算得到绝对位移，所述电源模块用于为各部件进行供电。

进一步地，所述解调电路还包括放大模块、前置低通滤波模块、载波信号调理模块和后置低通滤波模块；所述放大模块用于对所述旋变解调模块输出的载波信号进行放大处理；所述前置低通滤波模块用于对经所述前置放大模块输出的信号进行滤波处理；所述载波信号调理模块用于对经所述前置低通滤波模块输出的信号进行调理；所述后置低通滤波模块用于对经所述差分放大模块输出的信号进行滤波处理。

进一步地，所述动尺与定尺的相对位移信息通过粗测量电容和细测量电容转换为四路粗测量电容信号和四路细测量电容信号，具体过程为：所述两正弦敏感电极均为函数f₁(x)＝d+τ(sin(2πN*x/D+1))和函数f₂(x)＝d+τ(sin(2πN*x/D-1))围成的带形区域，其中，d表示所述正弦敏感电极中心偏离所述耦合电极的距离，τ表示所述正弦敏感电极宽度的一半，N表示带形区域内所包含的正弦周期个数，D表示N个正弦周期对应的长度；在所述正弦敏感电极的一个正弦周期内，每间隔90°将正对的所述采集电极分割成一矩形区域，一个正弦周期内分割成的四个矩形区域分别表示为S₀、S₉₀、S₁₈₀和S₂₇₀，四个矩形区域又被所述正弦敏感电极的中心线上下分割成八个矩形区域，分别表示为S_0上、S_90上、S_180上、S_270上、S_0下、S_90下、S_180下和S_270下，将区域S_0上连接区域S_180下、区域S_90上连接区域S_270下、区域S_180上连接区域S_0下以及区域S_270上连接区域S_90下获得所述正弦敏感电极和采集电极的正对面积随所述动尺与定尺相对位移变化的四个正对区域S₁、S₂、S₃和S₄，分别表示为：

S₁＝A+B sin(2πN*x/D)；

S₂＝A-B sin(2πN*x/D)；

S₃＝A+B cos(2πN*x/D)；

S₄＝A-B cos(2πN*x/D)，

其中，A表示所述正弦敏感电极的直流分量，B表示所述正弦敏感电极的幅度。将每一正弦周期中所述正弦敏感电极和采集电极形成的四个正对区域相应连接得到：

S₁＝N*(A+B sin(2πN*x/D))；

S₂＝N*(A-B sin(2πN*x/D))；

S₃＝N*(A+B cos(2πN*x/D))；

S₄＝N*(A-B cos(2πN*x/D))，

将一个正弦周期内的四个正对区域形成的多级电容分别表示为C₁、C₂、C₃和C₄，并将所述两正弦敏感电极中N个正弦周期的多级电容C₁、C₂、C₃和C₄均相应连接得到四路粗测量电容信号C_N1、C_N2、C_N3和C_N4，以及四路细测量电容信号C_N1、C_N2、C_N3和C_N4。

进一步地，四路粗测量电容信号和四路细测量电容信号经所述C-V转换模块和差分放大模块后得到两路粗测量正弦旋变信号和两路细测量正弦旋变信号，具体过程为：四路粗测量电容信号和四路细测量电容信号通过所述C-V转换模块转换成的四路电压信号均可以表示为：

U₁＝U sin(wt)*(A+B sin(2πN*x/D))；

U₂＝U sin(wt)*(A-B sin(2πN*x/D))；

U₃＝U sin(wt)*(A+B cos(2πN*x/D))；

U₄＝U sin(wt)*(A-B cos(2πN*x/D))，

其中，U表示输出电压的幅度，sin(wt)表示所述旋变解调模块输出的频率为w的正弦激励信号；四路粗测量电压信号和四路细测量电压信号输入所述差分放大模块中得到两路粗测量正弦旋变信号和两路细测量正弦旋变信号，分别表示为：

U_粗sin＝U sin(wt)sin(2πN₂*x_粗/D)；

U_粗cos＝U sin(wt)cos(2πN₂*x_粗/D)；

U_细sin＝U sin(wt)sin(2πN₁*x_细/D)；

U_细cos＝U sin(wt)cos(2πN₁*x_细/D)，

其中，N₁和N₂分别表示粗测量电容和细测量电容中所述正弦敏感电极的正弦个数，且N₁和N₂没有公约数，x_粗表示解算得到的粗测量位移，x_细表示解算得到的细测量位移。

进一步地，所述误差补偿模块对粗测量位移和细测量位移进行误差补偿得到绝对位移，具体表示为：通过所述差分放大模块获得的两路正弦旋变信号的正弦波和余弦波表示为：

其中，x表示动尺1-1与定尺1-2相对位移的测量点与原点的距离；A₀和B₀表示正交弦变信号的直流分量；A_m和B_m表示正交弦变信号的幅值，和为信号幅值误差源；和表示高次谐波之和，为谐波分量误差来源；δ_e表示电噪音，为噪声来源；经所述误差补偿模块补偿后的补偿函数表示为：

x_R＝x_C+(A cos(2πN*x/D)+B cos(4πN*x/D)+C cos(8πN*x/D))

其中，x_R为补偿后的位移值，x_C为补偿前的位移值，A、B和C为补偿函数的参数，x_粗和x_细经补偿后得到x_R粗和x_R细，然后由公式x_R粗≈n*x_R细计算出细测量位移相对于粗测量位移重复的周期个数n，并通过公式x_实＝n*x_R细计算得到绝对位移。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于旋变解调技术实现位移的测量，相比现有的非接触式电容位移传感器，在单激励作用下可以更加容易实现高精度和大量程测量，其动态跟踪能力更加突出。2、本发明通过两路测量经旋变解调模块获得细测位移和粗测位移，进而通过误差补偿模块进行误差补偿后根据同余定理获得绝对位移，电路结构简单且操作方便，对物理和机械污染表现优异，可以广泛应用于非接触式电容位移传感器中。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明中定尺与动尺的结构示意图；

图3是图2的剖面结构示意图；

图4是本发明中动尺的电极分布示意图；

图5是本发明中定尺的电极分布示意图；

图6是本发明中测量电容的连接示意图；

图7是本发明的等效电路图；

图8是本发明中敏感结构经调制后输出的标准COS函数波形图；

图9是本发明中敏感结构经调制后输出的标准SIN函数波形图；

图10是本发明输出的细测量信号和粗测量信号的波形图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1～5所示，本发明的电容式旋变位移传感器包括敏感结构1和解调电路2，敏感结构1包括一动尺1-1和一定尺1-2，解调电路2包括一旋变解调模块2-1、一放大模块2-2、一前置低通滤波模块2-3、一载波信号调理模块2-4、四C-V转换模块2-5、两差分放大模块2-6、一后置低通滤波模块2-7、一误差补偿模块2-8、一主处理器模块2-9和一电源模块2-10，其中，动尺1-1和定尺1-2平行设置，动尺1-1包括两正弦敏感电极1-1-1和一耦合电极1-1-2，定尺1-2包括两采集电极1-2-1和一激励电极1-2-2。

动尺1-1的外侧固定连接运动件，动尺1-1的内侧平行设置周期个数不同且没有公约数的两正弦敏感电极1-1-1，两正弦敏感电极1-1-1之间设置耦合电极1-1-2，且两正弦敏感电极1-1-1和耦合电极1-1-2为等势体；定尺1-2的内侧平行设置两采集电极1-2-1，两采集电极1-2-1之间设置激励电极1-2-2；两采集电极1-2-1和两正弦敏感电极1-1-1正对形成粗测量电容和细测量电容，激励电极1-2-2和耦合电极1-1-2正对形成耦合电容。

旋变解调模块2-1将输出的载波信号经放大模块2-2、前置低通滤波模块2-3和载波信号调理模块2-4后发送到激励电极1-2-2，并通过耦合电容作用到耦合电极1-1-2，耦合电极1-1-2将载波信号传递到两正弦敏感电极1-1-1，并分别通过粗测量电容和细测量电容作用到两采集电极1-2-1得到四路粗测量电容信号和四路细测量电容信号(以此为例，不限于此，可以根据实际需要进行确定)，四路粗测量电容信号和四路细测量电容信号分别通过一C-V转换模块2-5转换成电压信号。转换后的四路粗测量电压信号和四路细测量电压信号通过两差分放大模块2-6后获得两路粗测量正交旋变信号和两路细测量正交旋变信号，两路粗测量正交旋变信号和两路细测量正交旋变信号经后置低通滤波模块2-7进行滤波后通过旋变解调模块2-1得到粗测量位移和细测量位移。误差补偿模块2-8对粗测量位移和细测量位移进行误差补偿，并根据同余定理结合补偿后的粗测量位移和细测量位移得到绝对位移并发送到主处理器模块2-9中，电源模块2-10用于为本发明的电容式旋变位移传感器进行供电。

在一个优选的实施例中，本发明中的两正弦敏感电极1-1-1均为函数f₁(x)＝d+τ(sin(2πN*x/D+1))和函数f₂(x)＝d+τ(sin(2πN*x/D-1))围成的带形区域，如图6所示，其中，d表示正弦敏感电极1-1-1中心偏离耦合电极1-1-2的距离，τ表示正弦敏感电极1-1-1宽度的一半，N表示带形区域内所包含的正弦周期个数，D表示N个正弦周期对应的长度。在正弦敏感电极1-1-1的一个正弦周期内，每间隔90°将正对的采集电极1-2-1分割成一矩形区域，一个正弦周期内分割成的四个矩形区域分别表示为S₀、S₉₀、S₁₈₀和S₂₇₀，四个矩形区域又被正弦敏感电极1-1-1的中心线上下分割成八个矩形区域，分别表示为S_0上、S_90上、S_180上、S_270上、S_0下、S_90下、S_180下和S_270下，将区域S_0上连接区域S_180下、区域S_90上连接区域S_270下、区域S_180上连接区域S_0下以及区域S_270上连接区域S_90下获得正弦敏感电极1-1-1和采集电极1-2-1的正对面积随动尺1-1与定尺1-2相对位移变化的四个正对区域S₁、S₂、S₃和S₄，分别表示为：

S₁＝A+B sin(2πN*x/D)；

S₂＝A-B sin(2πN*x/D)；

S₃＝A+B cos(2πN*x/D)；

S₄＝A-B cos(2πN*x/D)，

其中，A表示正弦敏感电极1-1-1的直流分量，B表示正弦敏感电极1-1-1的幅度。将每一正弦周期中正弦敏感电极1-1-1和采集电极1-2-1形成的四个正对区域相应连接得到：

S₁＝N*(A+B sin(2πN*x/D))；

S₂＝N*(A-B sin(2πN*x/D))；

S₃＝N*(A+B cos(2πN*x/D))；

S₄＝N*(A-B cos(2πN*x/D))，

将一个正弦周期内的四个正对区域形成的多级电容分别表示为C₁、C₂、C₃和C₄，并将两正弦敏感电极1-1-1中N个正弦周期的多级电容C₁、C₂、C₃和C₄均相应连接得到四路粗测量电容信号C_N1、C_N2、C_N3和C_N4，以及四路细测量电容信号C_N1、C_N2、C_N3和C_N4，此时，动尺1-1与定尺1-2的相对位移信息通过粗测量电容和细测量电容转换为四路粗测量电容信号和四路细测量电容信号。

在一个优选的实施例中，如图7所示，得到的四路粗测量电容信号和四路细测量电容信号通过C-V转换模块2-5转换成的四路电压信号均可以表示为：

U₁＝U sin(wt)*(A+B sin(2πN*x/D))；

U₂＝U sin(wt)*(A-B sin(2πN*x/D))；

U₃＝U sin(wt)*(A+B cos(2πN*x/D))；

U₄＝U sin(wt)*(A-B cos(2πN*x/D))，

其中，U表示输出电压的幅度，可以通过d、τ和D计算得到，sin(wt)表示旋变解调模块2-1输出的频率为w的正弦激励信号；四路粗测量电压信号和四路细测量电压信号输入两差分放大模块2-6中得到两路粗测量正弦旋变信号和两路细测量正弦旋变信号如图8～10所示，分别表示为：

U_粗sin＝U sin(wt)sin(2πN₂*x_粗/D)；

U_粗cos＝U sin(wt)cos(2πN₂*x_粗/D)；

U_细sin＝U sin(wt)sin(2πN₁*x_细/D)；

U_细cos＝U sin(wt)cos(2πN₁*x_细/D)，

其中，N₁和N₂分别表示粗测量电容和细测量电容中正弦敏感电极1-1-1的正弦个数，为实现绝对测量，设计中N₁和N₂没有公约数，得到的两路粗测量正弦旋变信号和两路细测量正弦旋变信号通过旋变解调模块2-1解算得到粗测量位移x_粗和细测量位移x_细。

在一个优选的实施例中，本发明的电容式旋变位移传感器完成位移测量后需要通过误差补偿模块2-8进行误差补偿，由于各类误差的存在，通过两差分放大模块2-6获得的两路正弦旋变信号的正弦波和余弦波表示为：

其中，x表示动尺1-1与定尺1-2相对位移的测量点与原点的距离，A₀和B₀表示正交弦变信号的直流分量；A_m和B_m表示正交弦变信号的幅值，和为信号幅值误差源；和表示高次谐波之和，为谐波分量误差来源；δ_e表示电噪音，为噪声来源，绝对位移信号由上述四部分组成，建立三角函数模型保护，经误差补偿模块2-8补偿后的补偿函数表示为：

x_R＝x_C+(A cos(2πN*x/D)+B cos(4πN*x/D)+C cos(8πN*x/D))

其中，x_R为补偿后的位移值，x_C为补偿前的位移值，A、B和C为补偿函数的参数，x_粗和x_细经补偿后得到x_R粗和x_R细，然后由公式x_R粗≈n*x_R细计算出细测量位移相对于粗测量位移重复的周期个数n，并通过公式x_实＝n*x_R细计算得到绝对位移并发送到主处理器模块2-9中。在利用误差补偿后的粗测量位移x_粗和细测量位移x_细得到绝对位移的过程中运用了同余定理。

在一个优选的实施例中，动尺1-1和定尺1-2的间距可以设置为1mm。

在一个优选的实施例中，每一C-V转换模块2-5均可以采用10pF的反馈电容和100M的反馈电阻，用于保证高信噪比和最低的误差损失。

下面通过具体实施例详细说明本发明的电容式旋变位移传感器的具体使用过程：

本发明使用时，将待测运动件连接动尺1-1，此时旋变解调模块2-1输出一路载波信号作用于激励电极1-2-2上，激励电极1-2-2和耦合电极1-1-2相互耦合在耦合电极1-1-2上产生电压，进而在两正弦敏感电极1-1-1上均产生一个载波信号，两正弦敏感电极1-1-1和两采集电极1-2-1正对，通过两正弦敏感电极1-1-1正弦周期的调制，在两采集电极1-2-1均获得被位移信息调制的正交信号，正交信号经C-V转换模块2-5、差分放大模块2-6和后置低通滤波模块2-7后转换为正交旋变信号，旋变解调模块2-1通过载波信号完成对正交旋变信号的解调并获得粗测量位移和细测量位移，再通过误差补偿模块2-8对粗测量位移和细测量位移的误差进行补偿，最后根据同余定理结合补偿后的粗测量位移和细测量位移得到绝对位移。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。