[发明专利]一种基于交变电场的时栅直线位移传感器

说明书

技术领域

本发明属于精密直线位移测量传感器。

技术背景

精密直线位移测量领域主要采用光栅、磁栅和容栅等栅式传感器，其测量基准采用的是按空间均分的周期性栅线，通过对栅线的计数而得到位移量。精密测量要求能够测出1mm~0.1mm的直线位移，为了达到测量的精度和分辨力要求，单靠精密刻线本身无法实现，需要采用高精度电子细分技术，从而使这些栅式传感器的制造工艺要求苛刻，成本高，抗干扰力差。

近年来国内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。而现有的时栅直线位移传感器是基于电磁感应原理进行测量，定子线圈连接激励电源，利用感应线圈作为动测头获取感应信号；在动测头移动过程中，因磁通量变化而使感应信号相位相应移动。为了实现高精度测量，这种时栅直线位移传感器的定子线圈和感应线圈基体要求采用导磁材料，造成传感器质量较重；制作工艺需要绕线，生产效率低；另外，需要对激励电源进行功率放大才能驱动定子线圈，以获取幅值足够大的感应信号，造成时栅直线位移传感器的功耗较大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于交变电场的时栅直线位移传感器，它不用精密刻线，不用电阻细分箱，而采用差动平板电容式结构，利用电场耦合原理获取信号，以时钟脉冲作为位移计量基准，达到功耗低，重量轻，分辨力高，成本低的目的。

本发明的技术方案如下：

一种基于交变电场的时栅直线位移传感器，包括测头基体和定尺基体两部分； 

所述测头基体下表面覆有左、右两个电极；所述定尺基体上表面均匀地覆有左、右两排电极，定尺左排电极的起始位置与定尺右排电极的起始位置相差1/2个电极宽度W，定尺左排电极的奇数号电极连成一组，偶数号电极连成一组，两组电极组成一个A激励相，定尺右排电极的奇数号电极连成一组，偶数号电极连成一组，两组电极组成一个B激励相；测头基体的下表面与定尺基体的上表面相对平行放置，测头基体的测头左电极与定尺左排电极正对，测头基体的测头右电极与定尺右排电极正对，并留有一定间隙δ，形成左、右两组差动电容。

测头基体与定尺基体相对移动，差动电容的相对覆盖面积将由大变小、再由小变大呈周期性变化，电容值也随之相应地呈周期性变化；定尺左排的A激励相与定尺右排的B激励相分别连接相位相差90°的等幅等频正弦激励电压Ua、Ub，测头左电极与测头右电极产生的两路电场耦合信号Uoa、Uob经加法电路合成一路行波信号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测头基体相对于定尺基体的直线位移值。

进一步，所述定尺左排电极和定尺右排电极的形状为方形且大小相同；所述测头左电极和测头右电极的形状为一条[0,π]区间的正弦曲线围成的区域形状，以获得幅值按正弦规律调制的电场耦合信号，且其长度和宽度均与定尺左排电极的每个电极相同。

进一步，所述定尺左排电极的奇数号电极与测头左电极形成差动电容C₁，偶数号电极与测头左电极形成差动电容C₂；所述定尺右排电极的奇数号电极与测头右电极形成差动电容C₃，偶数号电极与测头右电极形成差动电容C₄；所述差动电容C₁和差动电容C₂构成一组交流电桥，输出测量信号Ua₁、Ua₂；所述差动电容C₃和差动电容C₄构成另一组交流电桥，输出测量信号Ub₁、Ub₂。