[发明专利]基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器有效
申请号: | 201310750794.9 | 申请日: | 2013-12-30 |
公开(公告)号: | CN103743330A | 公开(公告)日: | 2014-04-23 |
发明(设计)人: | 相奎;王文;卢科青;张敏;陈子辰 | 申请(专利权)人: | 浙江大学;杭州电子科技大学 |
主分类号: | G01B7/00 | 分类号: | G01B7/00 |
代理公司: | 杭州求是专利事务所有限公司 33200 | 代理人: | 林怀禹 |
地址: | 310027 浙*** | 国省代码: | 浙江;33 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 基于 电容 测量 原理 梳齿 柱面 传感器 | ||
技术领域
本发明涉及一种高精密轴系转子的测量装置,尤其是涉及一种基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器。
背景技术
现代机电装备在不断追求高效率、高精度、高品质和极限功能的进程中,催生了一系列结构复杂、工况极端、信息融通、和精确稳定的复杂机电系统。对机电系统的检测与控制,传感器将成为信息获取的重要组成部分。
高精密轴系作为精密加工中心、高端数控机床、硬盘驱动器、微纳机械陀螺、大型轴流压缩机等超精密装备或大型复杂机电装备的关键部件,轴系转子的运动误差对整机的工作精度、稳定性有着直接的影响。针对精密轴系转子运动误差的检测与控制,对于提高整机的工作精度和保证其长期稳定运行,有着重要意义。
目前应用于精密轴系转子运动误差的检测方法主要有基于激光干涉仪的光学检测法,利用电容传感器或电涡流传感器进行的非接触式测量方法等。采用激光干涉的方法存在着要求足够大的安装空间、使用环境要求高、成本高等问题,且对被测表面粗糙度较为敏感;电涡流传感器由于信噪比较低而难以获得较高的分辨率;目前常用的电容传感器虽然测量分辨率和精度都很高,但都属于一维测量器件,只能用于单自由度位移检测;有美国学者M.H.Cheng采用整体环式电容传感器对旋转机械转子的偏心运动进行测量;韩国学者Ahn Hyeong-Joon提出了可实现转子径向两自由度运动误差检测的柱状电容位移传感器,并对其在测量过程中产生的非线性进行分析。上述学者的测量方法中目标转子均作为电容传感器的另一电极进行配置,不利于传感器的集成化和小型化。上海交通大学张卫平采用同心盘片式互电容传感器实现对静电悬浮转子微陀螺的转子位姿的检测,但仅限于微小角位移检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器,用于高精密轴系转子运动误差的动态实时测量。构成互电容测量单元的梳齿式电容极板均分布于传感器(定子)绝缘基质层上,有效简化了传感器的配置形式,同时测量不受转子材料限制,为在线实时测量高精密轴系转子的运动误差提供了一种简单有效的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
本发明由外到内依次为传感器外壳、绝缘基质层和结构相同的四组互电容测量单元,三者同轴布置且轴向长度相等;位于绝缘基质层内圆柱面的四组互电容测量单元,依次分布于四个象限内且沿X、Y轴相互对称,相邻互电容测量单元的圆周间距均为互电容测量单元圆周张角的1/2;每组互电容测量单元均包括第一梳齿式电容极板和第二梳齿式电容极板;第一梳齿式电容极板的N个弧形长条齿形电极和第二梳齿式电容极板的N个弧形长条齿形电极相互交叉嵌入对方齿槽中,嵌入深度为l,齿形电极顶部距齿槽底部的距离为齿形电极的宽度w;相互交叉嵌入对方齿槽中的齿形电极位于每个齿槽的轴向中心线上,沿圆弧方向的齿槽宽度为齿形电极宽度w的3倍。
所述的互电容测量单元中任意一对相邻的长条齿形电极都构成互电容测量的基本配置,长条齿形电极的宽度w大于长条齿形电极的厚度t。
本发明具有的有益效果是:
1)本发明可以实现高精密轴系转子径向X、Y两自由度运动误差的同时在线测量;
2)采用互电容测量原理,构成互电容测量单元的梳齿式电容极板均分布于传感器(定子)绝缘基质层上,转子只作为被测对象而不含在传感器的结构配置中,简化了传感器的配置形式;
3)对被测转子的构成材料无特殊要求,导电材料或电介质材料均可,应用范围广。
附图说明
图1是基于互电容测量原理的梳齿式柱面电容传感器整体效果图;
图2是传感器整体结构径向剖视图;
图3是图2中C处局部放大图;
图4是互电容测量单元的展开视图;
图5是第一至第四组互电容测量单元总体电容值分布示意图;
图6是互电容测量基本配置示意图;
图7是转子径向跳动位移测量示意图;
图8是测量导电材料转子的等效电路原理图;
图9是测量电介质材料转子的等效电路原理图。
图中:1、被测转子,2、传感器(定子),3、传感器外壳,4、绝缘基质层,5、互电容测量单元,6、第一梳齿式电容极板Ea,7、第二梳齿式电容极板Eb,8、齿形电极Ea1,9、齿形电极Eb1;L为互电容测量单元的轴向长度,w为齿形电极圆弧方向宽度,l为齿形电极的嵌入深度,t为齿形电极厚度。
具体实施方式
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