一種三自由度直線位移檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種三自由度直線位移檢測(cè)方法。本發(fā)明的技術(shù)方案：在一塊絕緣基板上有四個(gè)矩形傳感電極；在另一塊絕緣基板上有一長(zhǎng)寬比與傳感電極相同，但面積小于傳感電極的發(fā)射電極；將傳感電極絕緣基板固定在參照物上并保持傳感電極的長(zhǎng)寬方向與待檢測(cè)三自由度位移中兩個(gè)自由度的位移方向相一致；將發(fā)射電極絕緣基板與運(yùn)動(dòng)對(duì)象固定并保持發(fā)射電極的長(zhǎng)寬方向與傳感電極長(zhǎng)寬方向平行、發(fā)射電極絕緣基板與傳感電極絕緣基板間的間隙均勻；將一幅值、頻率固定的正弦交流信號(hào)源連接至發(fā)射電極，將四個(gè)傳感電極分別連接至四路信號(hào)處理電路以提取各自輸出信號(hào)的幅值，通過判斷四路信號(hào)處理電路輸出值的相對(duì)關(guān)系可檢測(cè)目標(biāo)物體沿傳感電極長(zhǎng)、寬方向的位移。
【專利說明】
一種三自由度直線位移檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于電氣方法類，具體是一種三自由度直線位移檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]精密位移檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，被廣泛用于數(shù)控機(jī)械加工裝備、工業(yè)機(jī)器人、精密分析儀器等領(lǐng)域。根據(jù)運(yùn)動(dòng)類型，位移檢測(cè)可分為直線位移檢測(cè)與旋轉(zhuǎn)角度檢測(cè)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)自由度，位移檢測(cè)又可分為單自由度和多自由度檢測(cè)，其中以基于笛卡爾坐標(biāo)系的三自由度直線位移檢測(cè)應(yīng)用最為廣泛，如用于多軸加工中心、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、3D打印設(shè)備等。為此，當(dāng)前的主流方案是通過三個(gè)直線位移傳感器的正交組合加以實(shí)現(xiàn)，所用的直線位移傳感器有光柵傳感器、激光干涉儀等。受到正交組合裝配偏差的影響，該方式不僅易引入測(cè)量誤差，而且常發(fā)生組合后尺寸過大、信號(hào)電纜連接復(fù)雜等問題。
[0003]為了實(shí)現(xiàn)多自由直線位移的一體化檢測(cè)，德國海德漢公司設(shè)計(jì)制造了一種平面光柵器件，但由于價(jià)格昂貴一般只用于超精密機(jī)床的定位控制或精密機(jī)械的精度校準(zhǔn);公開號(hào)為CN103308045A的中國專利申請(qǐng)?zhí)岢霾捎梦鞲衅鲗?shí)現(xiàn)三維空間位置檢測(cè)的方法，但精度有限;公開號(hào)為CN102221323A的中國專利提出了平面矩形電極陣列和多方向傳感電極組的多自由度變電容位置檢測(cè)方法，但其不同測(cè)量方向間的耦合關(guān)系復(fù)雜；公開號(hào)為CN104697424A的中國專利提出了平面四象限發(fā)射電極和單傳感電極的平面位置檢測(cè)方法，但需采用混合頻率信號(hào)激勵(lì)發(fā)射電極，且檢測(cè)精度受極板間隙變化的影響較大。目前，在多自由度直線位移檢測(cè)領(lǐng)域尚缺少高精度、低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)方法及測(cè)量裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方案合理、測(cè)量精度高的三自由度直線位移檢測(cè)方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]一種三自由度直線位移檢測(cè)方法，其特征在于:在一塊絕緣基板上有四個(gè)矩形傳感電極;在另一塊絕緣基板上有一長(zhǎng)寬比與傳感電極相同，但面積小于傳感電極的發(fā)射電極;將傳感電極絕緣基板固定在參照物上并保持傳感電極的長(zhǎng)寬方向與待檢測(cè)三自由度位移中兩個(gè)自由度的位移方向相一致;將發(fā)射電極絕緣基板與運(yùn)動(dòng)對(duì)象固定并保持發(fā)射電極的長(zhǎng)寬方向與傳感電極長(zhǎng)寬方向平行、發(fā)射電極絕緣基板與傳感電極絕緣基板間的間隙均勻;將一幅值、頻率固定的正弦交流信號(hào)源連接至發(fā)射電極，將四個(gè)傳感電極分別連接至四路信號(hào)處理電路以提取各自輸出信號(hào)的幅值;進(jìn)行三自由度直線位移檢測(cè)時(shí)，運(yùn)動(dòng)對(duì)象帶動(dòng)發(fā)射電極沿傳感電極長(zhǎng)、寬邊方向及與傳感電極面垂直的方向作三自由度平移運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)射電極與四個(gè)傳感電極重疊區(qū)域的面積及間距產(chǎn)生變化，進(jìn)而使得四個(gè)傳感電極輸出信號(hào)的幅值發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)而通過判斷四路信號(hào)處理電路輸出值之和的大小可檢測(cè)目標(biāo)物體沿傳感電極面垂直方向的位移，通過判斷四路信號(hào)處理電路輸出值的相對(duì)關(guān)系可檢測(cè)目標(biāo)物體沿傳感電極長(zhǎng)、寬方向的位移。
[0007]在所述的一種三自由度直線位移檢測(cè)方法中，與四個(gè)傳感電極連接的四路信號(hào)處理電路具有完全一致的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，其中任意一個(gè)傳感電極輸出的原始信號(hào)，先通過同相緩沖器增強(qiáng)，繼而通過中心頻率與所述正弦交流信號(hào)源頻率相同的帶通濾波器濾波，而后連接至有效值變換器，從而得到該傳感電極的輸出幅值信號(hào)；四個(gè)傳感電極的輸出幅值信號(hào)連接至位移檢測(cè)控制器;位移檢測(cè)控制器通過對(duì)四路幅值信號(hào)進(jìn)行四則運(yùn)算得到運(yùn)動(dòng)對(duì)象沿傳感電極長(zhǎng)、寬方向的位移，通過查表法得到運(yùn)動(dòng)對(duì)象沿傳感電極面垂直方向的位移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象三自由度直線位移的精密檢測(cè)。
[0008]在所述的一種三自由度直線位移檢測(cè)方法中，所述的四個(gè)矩形傳感電極尺寸相同，在傳感電極絕緣基板上按中心對(duì)稱方式排列，四個(gè)傳感電極任意兩兩之間均有尺寸相同的絕緣間距；以傳感電極絕緣基板的水平中心線作為X軸、豎直中心線作為Y軸，并從X軸、Y軸的交點(diǎn)O引OXY坐標(biāo)平面的垂直線為Z軸，構(gòu)建空間直角坐標(biāo)系，則四個(gè)傳感電極分別位于OXY坐標(biāo)平面的第一象限、第二象限、第三象限及第四象限;運(yùn)動(dòng)對(duì)象處于測(cè)量原點(diǎn)時(shí)，發(fā)射電極中心與坐標(biāo)原點(diǎn)O重疊，四個(gè)傳感電極的輸出幅值信號(hào)大小相等;運(yùn)動(dòng)對(duì)象帶動(dòng)發(fā)射電極發(fā)生三自由度平移時(shí)，將第一、第二、第三、第四象限傳感電極輸出幅值信號(hào)分別表示為￥1、￥2、￥3、￥4，則運(yùn)動(dòng)對(duì)象的乂軸位移等比于(￥1+￥4-￥2-￥3)/(￥1+￥2+￥3+￥4)，￥軸位移等比于(V1+V2-V3-V4)/(V1+V2+V3+V4)，Z軸位移反比于(V1+V2+V3+V4)。
[0009]本發(fā)明中運(yùn)動(dòng)對(duì)象沿Z軸移動(dòng)時(shí)，四個(gè)傳感電極輸出幅值信號(hào)的變化規(guī)律相同，不影響X軸位移和Y軸位移的檢測(cè)結(jié)果，并且運(yùn)動(dòng)對(duì)象位于測(cè)量原點(diǎn)時(shí)，四個(gè)傳感電極的輸出幅值均顯著大于零，因此在測(cè)量原點(diǎn)附近無信號(hào)死區(qū)、位移檢測(cè)線性度好。
[0010]本發(fā)明電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制作、信號(hào)處理過程少、位移檢測(cè)精度高，易于在高精度定位裝置中推廣應(yīng)用。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)射電極、傳感電極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)射電極及傳感電極配合方式示意圖。
[0013]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的信號(hào)連接關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作詳細(xì)描述。
[0015]如圖1-3所示，一種三自由度直線位移檢測(cè)方法，
[0016]如圖1所示，在傳感電極絕緣基板5上制備尺寸一致的矩形的傳感電極一1、傳感電極二2、傳感電極三3、傳感電極四4，四個(gè)傳感電極間有寬度相等的電氣絕緣間隙8，所述的電氣絕緣間隙為0.1毫米，以傳感電機(jī)絕緣基板5的水平中心線6為X軸，豎直中心線7為Y軸建立平面直角坐標(biāo)系0ΧΥ，傳感電極一 1、傳感電極二 2、傳感電極三3、傳感電極四4以坐標(biāo)原點(diǎn)O為中心，對(duì)稱分布在OXY坐標(biāo)平面的第一至第四象限內(nèi)；在發(fā)射電極絕緣基板9上制備矩形發(fā)射電極10，發(fā)射電極10與傳感電極一 1、傳感電極二 2、傳感電極三3、傳感電極四4的長(zhǎng)寬比相同但面積小于傳感電極；
[0017]在圖2中，將傳感電極絕緣基板5固定在參照物12上;發(fā)射電極絕緣基板9平行懸浮在傳感電極絕緣基板5的上方，且保持發(fā)射電極1的長(zhǎng)、寬邊與四個(gè)傳感電極的長(zhǎng)、寬邊平行;從OXY坐標(biāo)平面的原點(diǎn)O沿垂直O(jiān)XY坐標(biāo)平面的方向引出直線11作為Z軸，則X、Y、Z三軸所示方向即為測(cè)量三自由度直線位移的參考方向；運(yùn)動(dòng)對(duì)象帶動(dòng)發(fā)射電極絕緣基板9沿X軸和Y軸方向平移時(shí)，其最大移動(dòng)范圍必須保證發(fā)射電極10與下方的四個(gè)傳感電極均有重疊部分;運(yùn)動(dòng)對(duì)象帶動(dòng)發(fā)射電極絕緣基板9沿Z軸方向靠近傳感電極絕緣基板5時(shí)，兩者間的最小距離必須保證發(fā)射電極10與四個(gè)傳感電極處于非接觸狀態(tài);運(yùn)動(dòng)對(duì)象帶動(dòng)發(fā)射電極絕緣基板9沿Z軸方向遠(yuǎn)離傳感電極絕緣基板5時(shí)，兩者間的最大距離必須保證發(fā)射電極10與四個(gè)傳感電極能維持良好的電容耦合關(guān)系；
[0018]圖3中，發(fā)射電極10與正弦交流信號(hào)源34連接，正弦交流信號(hào)源34的頻率為F1、幅值保持恒定;傳感電極一 I與同相緩沖器一 21、帶通濾波器一 25、有效值變換器一 29依次相連，傳感電極二 2與同相緩沖器二 22、帶通濾波器二 26、有效值變換器二 30依次相連，傳感電極三3與同相緩沖器三23、帶通濾波器三27、有效值變換器三31依次相連，傳感電極四4與同相緩沖器四24、帶通濾波器四28、有效值變換器四32依次相連，有效值變換器一 29、有效值變換器二30、有效值變換器三31、有效值變換器四32共同連接至位移檢測(cè)控制器33;同相緩沖器一21、同相緩沖器二22、同相緩沖器三23、同相緩沖器四24結(jié)構(gòu)及參數(shù)相同，帶通濾波器一25、帶通濾波器二26、帶通濾波器27三、帶通濾波器四28結(jié)構(gòu)及參數(shù)相同、中心頻率均為Fl，有效值變換器一29、有效值變換器二30、有效值變換器三31、有效值變換器四32結(jié)構(gòu)及參數(shù)相同；
[0019]圖3中，將有效值變換器一29、有效值變換器二30、有效值變換器三31、有效值變換器四32的輸出值分別表示為V1、V2、V3、V4，則Vl等比于發(fā)射電極10與傳感電極一 I的重疊面積、V2等比于發(fā)射電極10與傳感電極二 2的重疊面積、V3等比于發(fā)射電極10與傳感電極三3的重疊面積、V4等比于發(fā)射電極10與傳感電極四4的重疊面積;位置檢測(cè)控制器33通過計(jì)算“(V1+V4-V2-V3)/(V1+V2+V3+V4)”的值即可得到運(yùn)動(dòng)對(duì)象在X軸方向的位移，通過計(jì)算“(VI+V2-V3-V4)/(V1+V2+V3+V4)”的值即可獲得運(yùn)動(dòng)對(duì)象在Y軸方向的位移，通過計(jì)算“(V1+V2+V3+V4)”的值即可獲得運(yùn)動(dòng)對(duì)象在Z軸方向的位移。
[0020]本發(fā)明采用第一、四象限傳感電極與第二、三象限傳感電極輸出信號(hào)的幅值差檢測(cè)運(yùn)動(dòng)對(duì)象在X軸方向的位移，并通過將該差值與四個(gè)象限傳感電極輸出信號(hào)幅值總和相除，消除Z軸方向位移對(duì)X軸位移檢測(cè)值的影響;采用第一、二象限傳感電極與第三、四象限傳感電極輸出信號(hào)的幅值差檢測(cè)運(yùn)動(dòng)對(duì)象在Y軸方向的位移，并通過將該差值與四個(gè)象限傳感電極輸出信號(hào)幅值總和相除，消除Z軸方向位移對(duì)Y軸位移檢測(cè)值的影響；因此對(duì)X軸和Y軸方向位移的檢測(cè)精度高。
[0021]本發(fā)明對(duì)X軸、Y軸方向位移的檢測(cè)為絕對(duì)測(cè)量方式，X軸和Y軸位移的檢測(cè)基準(zhǔn)是OXY坐標(biāo)平面的原點(diǎn)O;本發(fā)明對(duì)Z軸方向位移的檢測(cè)是相對(duì)測(cè)量方式，其檢測(cè)基準(zhǔn)是發(fā)射電極絕緣基板9與傳感電極絕緣基板5處于最小間距時(shí)所對(duì)應(yīng)的Z軸位置。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種三自由度直線位移檢測(cè)方法，其特征在于:在一塊絕緣基板上有四個(gè)矩形傳感電極;在另一塊絕緣基板上有一長(zhǎng)寬比與傳感電極相同，但面積小于傳感電極的發(fā)射電極；將傳感電極絕緣基板固定在參照物上并保持傳感電極的長(zhǎng)寬方向與待檢測(cè)三自由度位移中兩個(gè)自由度的位移方向相一致;將發(fā)射電極絕緣基板與運(yùn)動(dòng)對(duì)象固定并保持發(fā)射電極的長(zhǎng)寬方向與傳感電極長(zhǎng)寬方向平行、發(fā)射電極絕緣基板與傳感電極絕緣基板間的間隙均勻;將一幅值、頻率固定的正弦交流信號(hào)源連接至發(fā)射電極，將四個(gè)傳感電極分別連接至四路信號(hào)處理電路以提取各自輸出信號(hào)的幅值;進(jìn)行三自由度直線位移檢測(cè)時(shí)，運(yùn)動(dòng)對(duì)象帶動(dòng)發(fā)射電極沿傳感電極長(zhǎng)、寬邊方向及與傳感電極面垂直的方向作三自由度平移運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)射電極與四個(gè)傳感電極重疊區(qū)域的面積及間距產(chǎn)生變化，進(jìn)而使得四個(gè)傳感電極輸出信號(hào)的幅值發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)而通過判斷四路信號(hào)處理電路輸出值之和的大小可檢測(cè)目標(biāo)物體沿傳感電極面垂直方向的位移，通過判斷四路信號(hào)處理電路輸出值的相對(duì)關(guān)系可檢測(cè)目標(biāo)物體沿傳感電極長(zhǎng)、寬方向的位移。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三自由度直線位移檢測(cè)方法，其特征在于與所述四個(gè)傳感電極連接的四路信號(hào)處理電路具有完全一致的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，其中任意一個(gè)傳感電極輸出的原始信號(hào)，先通過同相緩沖器增強(qiáng)，繼而通過中心頻率與所述正弦交流信號(hào)源頻率相同的帶通濾波器濾波，而后連接至有效值變換器，從而得到該傳感電極的輸出幅值信號(hào)；四個(gè)傳感電極的輸出幅值信號(hào)連接至位移檢測(cè)控制器;位移檢測(cè)控制器通過對(duì)四路幅值信號(hào)進(jìn)行四則運(yùn)算得到運(yùn)動(dòng)對(duì)象沿傳感電極長(zhǎng)、寬方向的位移，通過查表法得到運(yùn)動(dòng)對(duì)象沿傳感電極面垂直方向的位移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象三自由度直線位移的精密檢測(cè)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種三自由度直線位移檢測(cè)方法，其特征在于所述的四個(gè)矩形傳感電極尺寸相同，在傳感電極絕緣基板上按中心對(duì)稱方式排列，四個(gè)傳感電極任意兩兩之間均有尺寸相同的絕緣間距；以傳感電極絕緣基板的水平中心線作為X軸、豎直中心線作為Y軸，并從X軸、Y軸的交點(diǎn)O引OXY坐標(biāo)平面的垂直線為Z軸，構(gòu)建空間直角坐標(biāo)系，則四個(gè)傳感電極分別位于OXY坐標(biāo)平面的第一象限、第二象限、第三象限及第四象限；運(yùn)動(dòng)對(duì)象處于測(cè)量原點(diǎn)時(shí)，發(fā)射電極中心與坐標(biāo)原點(diǎn)O重疊，四個(gè)傳感電極的輸出幅值信號(hào)大小相等;運(yùn)動(dòng)對(duì)象帶動(dòng)發(fā)射電極發(fā)生三自由度平移時(shí)，將第一、第二、第三、第四象限傳感電極輸出幅值信號(hào)分別表示為￥1、￥2、￥3、￥4，則運(yùn)動(dòng)對(duì)象的乂軸位移等比于(￥1+￥4-￥2-￥3)/(￥1+￥2+V3+V4)，Y軸位移等比于(V1+V2-V3-V4)/(V1+V2+V3+V4)，Z軸位移反比于(V1+V2+V3+V4)。
【文檔編號(hào)】G01B15/00GK105890552SQ201610213860
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月6日
【發(fā)明人】俞紅祥, 張洪力, 胡海磊
【申請(qǐng)人】浙江師范大學(xué)