一種一維位移精密測量方法
【專利摘要】本發明屬于測量方法類，具體是一種一維位移精密測量方法，其特征在于：將發射電極絕緣基板安裝在固定參照物上，將接收電極絕緣基板安裝在移動物體上，保持發射電極與接收電極平行，發射電極與接收電極之間有一微小空氣間隙，用一頻率、幅值穩定的高頻正弦電壓源激勵發射電極的奇數電極互聯母線，用同樣頻率和幅值、相位相反的高頻正弦電壓源激勵發射電極的偶數電極互聯母線，將接收電極的兩個互聯母線分別連接至信號檢測電路，通過判斷接收電極兩路輸出高頻電壓信號的幅值以及相位的相對關系計算得出被測量物體相對固定參照物的位移、運動速度以及運動方向。本發明方案靈活，測量精度高，傳感原件安裝精度要求低，易于在低成本自動化裝置中推廣應用。
【專利說明】一種一維位移精密測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于測量方法類，具體是一種一維位移精密測量方法。
【背景技術】
[0002] 在生產、生活以及科學研究領域，經常需要對各種裝置的直線位移、角度位移、以 及空間位移等進行精確測量。無論是空間位移、角度位移、直線位移的測量均可通過單個或 多個一維位移測量裝置的合理組合予以實現。傳統的一維位移測量方法包括線性可變差分 變壓器檢測、線性電阻檢測、光柵檢測、磁柵檢測、電容柵檢測等，對應到一維直線位移檢測 應用中即為長度計或基準尺，對應到一維旋轉位移應用中即為旋轉編碼器或角度基準尺。
[0003] 目前的精密位移測量領域，微小位移測量應用中，通過極板間距變化導致靜電電 容量變化的電容效應位移傳感器和通過磁芯位置變化導致電感變化的電感效應位移傳感 器占據了主導地位，其具有結構簡單、成本低、分辨率高的顯著優勢，但也存在易受電磁環 境干擾影響而產生測量誤差和漂移的局限。在大尺度位移測量應用中，基于光柵測量方法 的光柵尺和旋轉編碼器占據了主導地位，其具有抗電磁干擾能力強，測量精度高以及穩定 性好等優點，但也存在成本高、對環境污染敏感的局限，例如油污染、水污染、粉塵污染等。 上述因素使得目前的位移精密測量裝置主要應用在科學研究領域以及少數高端制造裝備 中，在總量龐大的一般性生產裝備和各種日用裝置中，位移精密測量裝置還鮮有應用。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種方案靈活、測量精度高、應用簡便 的一維位移精密測量方法。
[0005] 本發明的技術方案如下：
[0006] -種一維位移精密測量方法，其特征在于：在一絕緣基板上制備發射電極，發射 電極為一組寬度一致的矩形電極，相鄰電極間距與矩形電極寬度一致，奇數電極與偶數電 極分別通過兩條獨立的互聯母線連接；在另一絕緣基板上制備接收電極，單個接收電極與 單個發射電極寬度一致，接收電極由多對并聯而成，每一對接收電極由兩個緊密相鄰的接 收電極構成，它們之間保持電氣絕緣，接收電極對與對之間的間距為兩倍電極寬度，對與對 之間通過兩條獨立的互聯母線連接為一組；進行位移精密測量時，將發射電極絕緣基板安 裝在固定參照物上，將接收電極絕緣基板安裝在移動物體上，保持接收電極絕緣基板與發 射電極絕緣基板平行、發射電極與接收電極平行，發射電極與接收電極之間有一空氣間隙， 用一頻率、幅值穩定的高頻正弦電壓源激勵發射電極的奇數電極互聯母線，用同樣頻率和 幅值、相位相反的高頻正弦電壓源激勵發射電極的偶數電極互聯母線，將接收電極的兩個 互聯母線分別連接至電壓信號檢測電路，通過判斷接收電極兩路輸出信號中與激勵信號同 頻率信號的幅值與相位計算得出被測量物體相對固定參照物的位移、運動速度以及運動方 向。
[0007] 本發明的任意相鄰發射電極連接的高頻正弦交流電壓源均為頻率一致、幅值一致 而相位相反的信號；任意接收電極在發射電極上方橫向移動時，接收電極耦合的高頻正弦 交流電壓信號，其幅值連續變化，相位在0度與180度之間交替變換。
[0008] 本發明的任意接收電極連續橫向移動四倍發射電極寬度時，其輸出高頻正弦交流 電壓信號的幅值與相位完成一個變化周期。每個接收電極對中相鄰兩個接收電極輸出的兩 路高頻電壓信號，其幅值和相位變化相差四分之一個變化周期。
[0009] 本發明的接收電極整體由多個電極對并聯而成，以增加輸出信號強度；發射電極 與接收電極之間為空氣間隙，位移測量過程是非接觸工作方式，測量過程不發生機械摩擦 和損耗。
[0010] 本發明的接收絕緣基板與發射絕緣基板之間氣隙大小、介電常數變化導致的接收 電極與發射電極耦合電容發生變化時，兩組接收電極輸出高頻電壓信號的幅值同步變化， 通過判斷兩組電壓信號幅值的相對關系即可精確計算接收電極相對發射電極的位移、運動 速度和運動方向。
[0011] 本發明的位移測量過程不依賴接收電極單路輸出信號的瞬時幅值；本發明方案靈 活，測量精度高，傳感原件安裝精度要求低，易于在低成本自動化裝置中推廣應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發明示意圖。
[0013] 圖2為用于制備發射電極的絕緣基板的下表面示意圖。
[0014] 圖3為用于制備發射電極的絕緣基板的上表面示意圖。
[0015] 圖4為用于制備接收電極的絕緣基板的上表面示意圖。
[0016] 圖5為用于制備接收電極的絕緣基板的下表面示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 如圖1所示，一種一維位移精密測量方法，其特征在于：
[0018] A、在發射電極絕緣基板1的上表面制備發射電極2,發射電極2的寬度與間距相 同，發射電極2與間距的總累計寬度大于待測量一維位移行程，發射電極絕緣基板1下表面 覆蓋有屏蔽電極3 (如圖2、3所示）；
[0019] B、在接收電極絕緣基板4的下表面制備多組接收電極一 5和接收電極二6,接收電 極一 5和接收電極二6的寬度與發射電極2 -致，接收電極一 5和接收電極二6緊密相鄰 并保持相互絕緣，組與組的間距為二倍發射電極間距，接收電極絕緣基板4的上表面覆蓋 有屏蔽電極7 (如圖4、5所示）；
[0020] C、將發射電極絕緣基板1固定安裝在位移測量參照物8上，保持發射電極2的排 列方向與待測量一維位移方向平行，將接收電極絕緣基板4安裝在移動物體9上，保持發射 電極2與接收電極一 5、接收電極二6平行相對安裝關系，發射電極2與接收電極一 5、接收 電極二6之間有一空氣間隙10,移動物體9移動過程中，接收電極一 5、接收電極二6始終 處于發射電極2覆蓋區域(如圖1所示）；
[0021] D、采用互聯母線一 11將發射電極絕緣基板1上的奇數排序發射電極2并聯，采用 互聯母線二12將絕緣基板1上的偶數排序發射電極2并聯，采用互聯母線三13將接收電 極絕緣基板4上的接收電極一 5并聯，采用互聯母線四14將接收電極絕緣基板4上的接收 電極二6并聯(如圖3、5所示）；
[0022] E、用一幅值、頻率恒定的基準高頻正弦電壓信號源15通過放大倍數相同的同相 放大器16和反相放大器17分別連接至互聯母線一 11和互聯母線二12,將互聯母線三13 和互聯母線四14連接至信號處理模塊18,信號處理模塊18輸出的位移信號連接至數顯單 元19和數字控制系統20 (如圖3、5所示）；
[0023] F、開始位移測量前，先通過零點開關21對信號處理模塊18的初始位移值回零(如 圖1、5所示）；
[0024] G、移動物體9移動時，接收電極一 5和接收電極二6在發射電極2形成的高頻交 變電場上方橫向移動，互聯母線三13和互聯母線四14將接收電極一 5和接收電極二6感 應的高頻交流電壓信號傳輸至信號處理模塊18,信號處理模塊18提取兩路高頻交流電壓 信號中的低頻交流分量，并根據低頻交流分量瞬時值的相對關系計算出移動物體9的瞬時 位移值(如圖1、3、5所示)。
[0025] 本發明的接收電極一 5和接收電極二6在發射電極2上方連續移動四倍發射電極 2寬度的位移后，其通過互聯母線三13和互聯母線四14輸出的兩路高頻電壓信號，其幅值 和相位變化分別完成一個完整變化周期；
[0026] 本發明的互聯母線三13和互聯母線四14輸出的兩路高頻電壓信號，其其幅值和 相位變化相差四分之一個變化周期，兩路信號幅值與相位變化規律的超前、滯后關系由移 動物體9移動方向決定；
[0027] 本發明的空氣間隙10受到干擾而變化時，或發射電極2與接收電極一 5、接收電極 二6平行關系受到干擾變化時，互聯母線三13和互聯母線四14輸出高頻電壓信號的幅值 與相位同步變化，信號處理模塊18仍可根據兩路高頻電壓信號的瞬時值以及相位的相對 關系精確計算移動物體9的位移值。
[0028] 本發明的發射電極絕緣基板1上發射電極2、接收電極絕緣基板4上接收電極一 5和接收電極二6其排列方向按半徑相同的圓周排列，可用于旋轉角度位移檢測，檢測時發 射電極2排列圓心與接收電極一 5、接收電極二6排列圓心重合，發射電極2與接收電極一 5、接收電極二6平行相對安裝，發射電極2與接收電極一 5、接收電極二6之間有一空氣間 隙10,其它原理與前述直線位移檢測方法一致。
【權利要求】
1. 一種一維位移精密測量方法，其特征在于：在一絕緣基板上制備發射電極，發射電 極為一組寬度一致的矩形電極，相鄰電極間距與矩形電極寬度一致，奇數電極與偶數電極 分別通過兩組相互獨立的互聯母線連接；在另一絕緣基板上制備接收電極，單個接收電極 與單個發射電極寬度一致，接收電極由多對并聯而成，每一對接收電極由兩個緊密相鄰的 接收電極構成，它們之間保持電氣絕緣，接收電極對與對之間的間距為兩倍電極寬度，對與 對之間通過兩組相互獨立的互聯母線連接；進行位移測量時，將發射電極絕緣基板安裝在 固定參照物上，將接收電極絕緣基板安裝在移動物體上，保持發射電極與接收電極平行，發 射電極與接收電極之間有一微小空氣間隙，用一頻率、幅值穩定的高頻正弦電壓源激勵發 射電極的奇數電極互聯母線，用同樣頻率和幅值、相位相反的高頻正弦電壓源激勵發射電 極的偶數電極互聯母線，將接收電極的兩個互聯母線分別連接至信號檢測電路，通過判斷 接收電極兩路輸出高頻電壓信號的幅值以及相位的相對關系計算得出被測量物體相對固 定參照物的位移、運動速度以及運動方向。
2. 根據權利要求1所述的一維位移精密測量方法，其特征在于：任意接收電極在發射 電極上方橫向移動時，接收電極耦合的高頻正弦交流電壓信號，其幅值連續變化，相位在〇 度與180度之間交替變換。
3. 根據權利要求1或2所述的一維位移精密測量方法，其特征在于：任意接收電極連 續橫向移動四倍發射電極寬度時，其輸出高頻正弦交流電壓信號的幅值與相位完成一個變 化周期。
4. 根據權利要求1或2所述的一維位移精密測量方法，其特征在于：每個接收電極對 中相鄰兩個接收電極輸出的兩路高頻電壓信號，其幅值和相位變化相差四分之一個變化周 期。
5. 根據權利要求1所述的一維位移精密測量方法，其特征在于：在絕緣基板另一表面 制備屏蔽層，屏蔽層完整覆蓋上表面的全部電極。
6. 根據權利要求1或2所述的一維位移精密測量方法，其特征在于：保持發射電極排 列方向與待測量一維位移方向平行，發射電極及其間距的累計總寬度超過待測量位移最大 行程。
【文檔編號】G01B7/02GK104215165SQ201310213006
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年5月31日 優先權日:2013年5月31日
【發明者】俞紅祥 申請人:浙江師范大學