一种三自由度直线位移检测方法
【专利摘要】本发明是一种三自由度直线位移检测方法。本发明的技术方案：在一块绝缘基板上有四个矩形传感电极；在另一块绝缘基板上有一长宽比与传感电极相同，但面积小于传感电极的发射电极；将传感电极绝缘基板固定在参照物上并保持传感电极的长宽方向与待检测三自由度位移中两个自由度的位移方向相一致；将发射电极绝缘基板与运动对象固定并保持发射电极的长宽方向与传感电极长宽方向平行、发射电极绝缘基板与传感电极绝缘基板间的间隙均匀；将一幅值、频率固定的正弦交流信号源连接至发射电极，将四个传感电极分别连接至四路信号处理电路以提取各自输出信号的幅值，通过判断四路信号处理电路输出值的相对关系可检测目标物体沿传感电极长、宽方向的位移。
【专利说明】
一种三自由度直线位移检测方法
技术领域
[0001 ]本发明属于电气方法类，具体是一种三自由度直线位移检测方法。
【背景技术】
[0002]精密位移检测是实现工业自动化的关键基础技术，被广泛用于数控机械加工装备、工业机器人、精密分析仪器等领域。根据运动类型，位移检测可分为直线位移检测与旋转角度检测。根据运动自由度，位移检测又可分为单自由度和多自由度检测，其中以基于笛卡尔坐标系的三自由度直线位移检测应用最为广泛，如用于多轴加工中心、三坐标测量机、3D打印设备等。为此，当前的主流方案是通过三个直线位移传感器的正交组合加以实现，所用的直线位移传感器有光栅传感器、激光干涉仪等。受到正交组合装配偏差的影响，该方式不仅易引入测量误差，而且常发生组合后尺寸过大、信号电缆连接复杂等问题。
[0003]为了实现多自由直线位移的一体化检测，德国海德汉公司设计制造了一种平面光栅器件，但由于价格昂贵一般只用于超精密机床的定位控制或精密机械的精度校准;公开号为CN103308045A的中国专利申请提出采用微传感器实现三维空间位置检测的方法，但精度有限;公开号为CN102221323A的中国专利提出了平面矩形电极阵列和多方向传感电极组的多自由度变电容位置检测方法，但其不同测量方向间的耦合关系复杂；公开号为CN104697424A的中国专利提出了平面四象限发射电极和单传感电极的平面位置检测方法，但需采用混合频率信号激励发射电极，且检测精度受极板间隙变化的影响较大。目前，在多自由度直线位移检测领域尚缺少高精度、低成本、结构简单且易实现的检测方法及测量装置。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术的不足，提供一种结构简单、方案合理、测量精度高的三自由度直线位移检测方法。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]一种三自由度直线位移检测方法，其特征在于:在一块绝缘基板上有四个矩形传感电极;在另一块绝缘基板上有一长宽比与传感电极相同，但面积小于传感电极的发射电极;将传感电极绝缘基板固定在参照物上并保持传感电极的长宽方向与待检测三自由度位移中两个自由度的位移方向相一致;将发射电极绝缘基板与运动对象固定并保持发射电极的长宽方向与传感电极长宽方向平行、发射电极绝缘基板与传感电极绝缘基板间的间隙均匀;将一幅值、频率固定的正弦交流信号源连接至发射电极，将四个传感电极分别连接至四路信号处理电路以提取各自输出信号的幅值;进行三自由度直线位移检测时，运动对象带动发射电极沿传感电极长、宽边方向及与传感电极面垂直的方向作三自由度平移运动，导致发射电极与四个传感电极重叠区域的面积及间距产生变化，进而使得四个传感电极输出信号的幅值发生相应变化，进而通过判断四路信号处理电路输出值之和的大小可检测目标物体沿传感电极面垂直方向的位移，通过判断四路信号处理电路输出值的相对关系可检测目标物体沿传感电极长、宽方向的位移。
[0007]在所述的一种三自由度直线位移检测方法中，与四个传感电极连接的四路信号处理电路具有完全一致的结构及参数，其中任意一个传感电极输出的原始信号，先通过同相缓冲器增强，继而通过中心频率与所述正弦交流信号源频率相同的带通滤波器滤波，而后连接至有效值变换器，从而得到该传感电极的输出幅值信号；四个传感电极的输出幅值信号连接至位移检测控制器;位移检测控制器通过对四路幅值信号进行四则运算得到运动对象沿传感电极长、宽方向的位移，通过查表法得到运动对象沿传感电极面垂直方向的位移，从而实现对运动对象三自由度直线位移的精密检测。
[0008]在所述的一种三自由度直线位移检测方法中，所述的四个矩形传感电极尺寸相同，在传感电极绝缘基板上按中心对称方式排列，四个传感电极任意两两之间均有尺寸相同的绝缘间距；以传感电极绝缘基板的水平中心线作为X轴、竖直中心线作为Y轴，并从X轴、Y轴的交点O引OXY坐标平面的垂直线为Z轴，构建空间直角坐标系，则四个传感电极分别位于OXY坐标平面的第一象限、第二象限、第三象限及第四象限;运动对象处于测量原点时，发射电极中心与坐标原点O重叠，四个传感电极的输出幅值信号大小相等;运动对象带动发射电极发生三自由度平移时，将第一、第二、第三、第四象限传感电极输出幅值信号分别表示为￥1、￥2、￥3、￥4，则运动对象的乂轴位移等比于(￥1+￥4-￥2-￥3)/(￥1+￥2+￥3+￥4)，￥轴位移等比于(V1+V2-V3-V4)/(V1+V2+V3+V4)，Z轴位移反比于(V1+V2+V3+V4)。
[0009]本发明中运动对象沿Z轴移动时，四个传感电极输出幅值信号的变化规律相同，不影响X轴位移和Y轴位移的检测结果，并且运动对象位于测量原点时，四个传感电极的输出幅值均显著大于零，因此在测量原点附近无信号死区、位移检测线性度好。
[0010]本发明电极结构简单、易制作、信号处理过程少、位移检测精度高，易于在高精度定位装置中推广应用。
【附图说明】
[0011]图1为本发明实施例的发射电极、传感电极结构示意图。
[0012]图2为本发明实施例的发射电极及传感电极配合方式示意图。
[0013]图3为本发明实施例的信号连接关系示意图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本发明实施例作详细描述。
[0015]如图1-3所示，一种三自由度直线位移检测方法，
[0016]如图1所示，在传感电极绝缘基板5上制备尺寸一致的矩形的传感电极一1、传感电极二2、传感电极三3、传感电极四4，四个传感电极间有宽度相等的电气绝缘间隙8，所述的电气绝缘间隙为0.1毫米，以传感电机绝缘基板5的水平中心线6为X轴，竖直中心线7为Y轴建立平面直角坐标系0ΧΥ，传感电极一 1、传感电极二 2、传感电极三3、传感电极四4以坐标原点O为中心，对称分布在OXY坐标平面的第一至第四象限内；在发射电极绝缘基板9上制备矩形发射电极10，发射电极10与传感电极一 1、传感电极二 2、传感电极三3、传感电极四4的长宽比相同但面积小于传感电极；
[0017]在图2中，将传感电极绝缘基板5固定在参照物12上;发射电极绝缘基板9平行悬浮在传感电极绝缘基板5的上方，且保持发射电极1的长、宽边与四个传感电极的长、宽边平行;从OXY坐标平面的原点O沿垂直OXY坐标平面的方向引出直线11作为Z轴，则X、Y、Z三轴所示方向即为测量三自由度直线位移的参考方向；运动对象带动发射电极绝缘基板9沿X轴和Y轴方向平移时，其最大移动范围必须保证发射电极10与下方的四个传感电极均有重叠部分;运动对象带动发射电极绝缘基板9沿Z轴方向靠近传感电极绝缘基板5时，两者间的最小距离必须保证发射电极10与四个传感电极处于非接触状态;运动对象带动发射电极绝缘基板9沿Z轴方向远离传感电极绝缘基板5时，两者间的最大距离必须保证发射电极10与四个传感电极能维持良好的电容耦合关系；
[0018]图3中，发射电极10与正弦交流信号源34连接，正弦交流信号源34的频率为F1、幅值保持恒定;传感电极一 I与同相缓冲器一 21、带通滤波器一 25、有效值变换器一 29依次相连，传感电极二 2与同相缓冲器二 22、带通滤波器二 26、有效值变换器二 30依次相连，传感电极三3与同相缓冲器三23、带通滤波器三27、有效值变换器三31依次相连，传感电极四4与同相缓冲器四24、带通滤波器四28、有效值变换器四32依次相连，有效值变换器一 29、有效值变换器二30、有效值变换器三31、有效值变换器四32共同连接至位移检测控制器33;同相缓冲器一21、同相缓冲器二22、同相缓冲器三23、同相缓冲器四24结构及参数相同，带通滤波器一25、带通滤波器二26、带通滤波器27三、带通滤波器四28结构及参数相同、中心频率均为Fl，有效值变换器一29、有效值变换器二30、有效值变换器三31、有效值变换器四32结构及参数相同；
[0019]图3中，将有效值变换器一29、有效值变换器二30、有效值变换器三31、有效值变换器四32的输出值分别表示为V1、V2、V3、V4，则Vl等比于发射电极10与传感电极一 I的重叠面积、V2等比于发射电极10与传感电极二 2的重叠面积、V3等比于发射电极10与传感电极三3的重叠面积、V4等比于发射电极10与传感电极四4的重叠面积;位置检测控制器33通过计算“(V1+V4-V2-V3)/(V1+V2+V3+V4)”的值即可得到运动对象在X轴方向的位移，通过计算“(VI+V2-V3-V4)/(V1+V2+V3+V4)”的值即可获得运动对象在Y轴方向的位移，通过计算“(V1+V2+V3+V4)”的值即可获得运动对象在Z轴方向的位移。
[0020]本发明采用第一、四象限传感电极与第二、三象限传感电极输出信号的幅值差检测运动对象在X轴方向的位移，并通过将该差值与四个象限传感电极输出信号幅值总和相除，消除Z轴方向位移对X轴位移检测值的影响;采用第一、二象限传感电极与第三、四象限传感电极输出信号的幅值差检测运动对象在Y轴方向的位移，并通过将该差值与四个象限传感电极输出信号幅值总和相除，消除Z轴方向位移对Y轴位移检测值的影响；因此对X轴和Y轴方向位移的检测精度高。
[0021]本发明对X轴、Y轴方向位移的检测为绝对测量方式，X轴和Y轴位移的检测基准是OXY坐标平面的原点O;本发明对Z轴方向位移的检测是相对测量方式，其检测基准是发射电极绝缘基板9与传感电极绝缘基板5处于最小间距时所对应的Z轴位置。
【主权项】
1.一种三自由度直线位移检测方法，其特征在于:在一块绝缘基板上有四个矩形传感电极;在另一块绝缘基板上有一长宽比与传感电极相同，但面积小于传感电极的发射电极；将传感电极绝缘基板固定在参照物上并保持传感电极的长宽方向与待检测三自由度位移中两个自由度的位移方向相一致;将发射电极绝缘基板与运动对象固定并保持发射电极的长宽方向与传感电极长宽方向平行、发射电极绝缘基板与传感电极绝缘基板间的间隙均匀;将一幅值、频率固定的正弦交流信号源连接至发射电极，将四个传感电极分别连接至四路信号处理电路以提取各自输出信号的幅值;进行三自由度直线位移检测时，运动对象带动发射电极沿传感电极长、宽边方向及与传感电极面垂直的方向作三自由度平移运动，导致发射电极与四个传感电极重叠区域的面积及间距产生变化，进而使得四个传感电极输出信号的幅值发生相应变化，进而通过判断四路信号处理电路输出值之和的大小可检测目标物体沿传感电极面垂直方向的位移，通过判断四路信号处理电路输出值的相对关系可检测目标物体沿传感电极长、宽方向的位移。2.根据权利要求1所述的一种三自由度直线位移检测方法，其特征在于与所述四个传感电极连接的四路信号处理电路具有完全一致的结构及参数，其中任意一个传感电极输出的原始信号，先通过同相缓冲器增强，继而通过中心频率与所述正弦交流信号源频率相同的带通滤波器滤波，而后连接至有效值变换器，从而得到该传感电极的输出幅值信号；四个传感电极的输出幅值信号连接至位移检测控制器;位移检测控制器通过对四路幅值信号进行四则运算得到运动对象沿传感电极长、宽方向的位移，通过查表法得到运动对象沿传感电极面垂直方向的位移，从而实现对运动对象三自由度直线位移的精密检测。3.根据权利要求1或2所述的一种三自由度直线位移检测方法，其特征在于所述的四个矩形传感电极尺寸相同，在传感电极绝缘基板上按中心对称方式排列，四个传感电极任意两两之间均有尺寸相同的绝缘间距；以传感电极绝缘基板的水平中心线作为X轴、竖直中心线作为Y轴，并从X轴、Y轴的交点O引OXY坐标平面的垂直线为Z轴，构建空间直角坐标系，则四个传感电极分别位于OXY坐标平面的第一象限、第二象限、第三象限及第四象限；运动对象处于测量原点时，发射电极中心与坐标原点O重叠，四个传感电极的输出幅值信号大小相等;运动对象带动发射电极发生三自由度平移时，将第一、第二、第三、第四象限传感电极输出幅值信号分别表示为￥1、￥2、￥3、￥4，则运动对象的乂轴位移等比于(￥1+￥4-￥2-￥3)/(￥1+￥2+V3+V4)，Y轴位移等比于(V1+V2-V3-V4)/(V1+V2+V3+V4)，Z轴位移反比于(V1+V2+V3+V4)。
【文档编号】G01B15/00GK105890552SQ201610213860
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月6日
【发明人】俞红祥, 张洪力, 胡海磊
【申请人】浙江师范大学