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一种基于容栅的非接触式位移传感器
申请号	CN201810149270.7	申请日	2018-02-13	公开(公告)号	CN108362206A	公开(公告)日	2018-08-03
申请人	江门市银象科技有限公司;			发明人	伍活民; 陈文锡;
摘要	本发明公开了一种基于容栅的非接触式位移传感器，将传统容栅位移传感器的定极板作为静栅单元，将动极板作为动栅单元，与高精度位移传感器集成于读数头中，在结构上相当于读数头与静栅单元组成容栅位移传感器，控制器同时获取容栅位移测量数据和高精度位移测量数据，以容栅的数据作为基准加插高精度位移传感器的位移数据提高测量精度，因此本发明既可以做到高精度位移传感器的高速高精度性能，也可以做到容栅位移传感器的绝对值输出数和快速响应功能，实现切换绝对值和非绝对值输出，且本发明以电容变化、位移量或磁感为基础测量，对测量环境中的灰尘和强光不敏感，具有很高的可靠性。
权利要求	1.一种基于容栅的非接触式位移传感器，其特征在于：包括静栅单元(1)和用于获取位移数据的读数头(2)，所述读数头(2)包括动栅单元(3)、高精度位移传感器(4)和用于读取所述动栅单元(3)及高精度位移传感器(4)的测量值的控制器(5)，所述动栅单元(3)和高精度位移传感器(4)分别与所述控制器(5)电连接，所述动栅单元(3)与所述静栅单元(1)非接触的相向设置组成容栅位移传感器，所述高精度位移传感器(4)的工作窗口(41)非接触的朝向所述静栅单元(1)；所述读数头(2)沿所述静栅单元(1)表面移动，所述动栅单元(3)和高精度位移传感器(4)分别测量位移信息并发送到控制器(5)，由控制器(5)输出。 2.根据权利要求1所述的一种基于容栅的非接触式位移传感器，其特征在于：所述静栅单元(1)包括反射极(11)和屏蔽极(13)，所述反射极(11)排列成栅状结构，设置于所述静栅单元(1)表面且与所述动栅单元(3)及高精度位移传感器(4)的工作窗口(41)相对，所述屏蔽极(13)接地。 3.根据权利要求2所述的一种基于容栅的非接触式位移传感器，其特征在于：所述静栅单元(1)为印刷电路板，所述反射极(11)印刷于电路板表面。 4.根据权利要求3所述的一种基于容栅的非接触式位移传感器，其特征在于：所述高精度位移传感器(4)为激光位移传感器，所述静栅单元(1)还包括便于所述激光位移传感器分辨位移的磨砂绝缘片(12)，所述磨砂绝缘片(12)覆盖于所述反射极(11)表面。 5.根据权利要求3所述的一种基于容栅的非接触式位移传感器，其特征在于：所述高精度位移传感器(4)为磁栅位移传感器，所述静栅单元(1)还包括便于所述磁栅位移传感器分辨位移的磁性栅状胶片(15)，所述磁性栅状胶片(15)覆盖于所述反射极(11)表面。 6.根据权利要求1所述的一种基于容栅的非接触式位移传感器，其特征在于：所述动栅单元(3)包括加载激励信号的发射极(31)，所述发射极(31)排列成栅状结构，设置于所述动栅单元(3)的表面且与所述静栅单元(1)相对。 7.根据权利要求6所述的一种基于容栅的非接触式位移传感器，其特征在于：所述动栅单元(3)为印刷电路板，所述发射极(31)印刷于电路板表面。 8.根据权利要求1所述的一种基于容栅的非接触式位移传感器，其特征在于：所述动栅单元(3)还包括用于接收所述静栅单元(1)上感应信号的接收极(32)，所述接收极(32)与所述控制器(5)电连接。
说明书全文	一种基于容栅的非接触式位移传感器技术领域 [0001] 本发明涉及高精度位移传感器领域，特别是一种基于容栅的非接触式位移传感器。背景技术 [0002] 高精度高速光栅尺主要应用于直线电机，数控机床上，现时光栅尺设备的市场一直为外国品牌所控制，如德国海德汉，英国雷尼绍等，有的价格高达万元每米套，即使选择精度不高的磁栅尺也要数千元每米套，给设备采购和维护造成非常大的困难，而国内的高精度高速光栅尺和磁栅尺技术不够成熟，无法提供价格低廉而且精度较高的位移传感器设备；同时光栅尺和磁栅尺所采集的数据并非绝对值，需要对结果进行数值转换，给测量带来麻烦；本专利是针对目前光栅尺和磁栅尺市场价格高、设备可靠性低、测量结果非绝对值的问题，设计一种新的位移传感器。发明内容 [0003] 为解决上述问题，本发明结合容栅位移传感器和高精度位移传感两者的特点，以容栅的数据作为基准加插激光位移传感器或者磁栅传感器的位移数据，实现高速高精度测量且所得数据可以切换绝对值和非绝对值输出。 [0004] 本发明解决其问题所采用的技术方案是： [0005] 一种基于容栅的非接触式位移传感器，包括静栅单元和用于获取位移数据的读数头，所述读数头包括动栅单元、高精度位移传感器和用于读取所述动栅单元及高精度位移传感器的测量值的控制器，所述动栅单元和高精度位移传感器分别与所述控制器电连接，所述动栅单元与所述静栅单元非接触的相向设置组成容栅位移传感器，所述高精度位移传感器的工作窗口非接触的朝向所述静栅单元；所述读数头沿所述静栅单元表面移动，所述动栅单元和高精度位移传感器分别测量位移信息并发送到控制器，由控制器输出。 [0006] 进一步，所述静栅单元包括反射极和屏蔽极，所述反射极排列成栅状结构，设置于所述静栅单元表面且与所述动栅单元及高精度位移传感器的工作窗口相对，所述屏蔽极接地。 [0007] 进一步，所述静栅单元为印刷电路板，所述反射极印刷于电路板表面。 [0008] 进一步，所述高精度位移传感器为激光位移传感器，所述静栅单元还包括便于所述激光位移传感器分辨位移的磨砂绝缘片，所述磨砂绝缘片覆盖于所述反射极表面。 [0009] 进一步，对上述方案的替代，所述高精度位移传感器为磁栅位移传感器，所述静栅单元还包括便于所述磁栅位移传感器分辨位移的磁性栅状胶片，所述磁性栅状胶片覆盖于所述反射极表面。 [0010] 进一步，所述动栅单元包括加载激励信号的发射极，所述发射极排列成栅状结构，设置于所述动栅单元的表面且与所述静栅单元相对。 [0011] 进一步，所述动栅单元为印刷电路板，所述发射极印刷于电路板表面。 [0012] 进一步，所述动栅单元还包括用于接收所述静栅单元上感应信号的接收极，所述接收极与所述控制器电连接。 [0013] 本发明的有益效果是：本发明将传统容栅位移传感器的定极板作为静栅单元，将动极板作为动栅单元，与激光位移传感器或者磁栅位移传感器集成于读数头中，在结构上相当于读数头与静栅单元组成容栅位移传感器，于是控制器能够同时获取容栅位移测量数据和激光/磁栅位移测量数据，以容栅的数据作为基准加插激光/磁栅传感器的位移数据提高测量精度，因此本发明既可以做到激光/磁栅位移传感器的高速高精度性能，也可以做到容栅位移传感器的绝对值输出数和快速响应的功能，实现切换绝对值和非绝对值输出，且本发明以电容变化、位移量或磁感为基础测量，对测量环境中的灰尘和强光不敏感，具有很高的可靠性。附图说明 [0014] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 [0015] 图1是本发明第一实施例的结构示意图； [0016] 图2是本发明第一实施例中动栅单元和静栅单元的立体结构示意图。具体实施方式 [0017] 参照图1和图2，一种基于容栅的非接触式位移传感器，包括静栅单元1和用于获取位移数据的读数头2，所述读数头2包括动栅单元3、激光位移传感器4和用于读取所述动栅单元3及激光位移传感器4的测量值的控制器5，所述动栅单元3和激光位移传感器4分别与所述控制器5电连接； [0018] 所述静栅单元1印刷电路板，包括反射极11、屏蔽极13和便于所述激光位移传感器4分辨位移的磨砂绝缘片12，所述反射极11排列成栅状结构，设置于所述静栅单元1表面且与所述动栅单元3及激光位移传感器4的工作窗口41相对，所述屏蔽极13接地，所述反射极 11印刷于电路板表面，所述磨砂绝缘片12覆盖于所述反射极11表面。 [0019] 所述动栅单元3为印刷电路板，包括加载激励信号的发射极31和用于接收所述静栅单元1上感应信号的接收极32，所述发射极31排列成栅状结构，设置于所述动栅单元3的表面且与所述静栅单元1相对，所述发射极31印刷于电路板表面，所述接收极32与所述控制器5电连接。 [0020] 所述动栅单元3与所述静栅单元1均为直线型，两者非接触的相向设置组成容栅位移传感器，所述激光位移传感器4的工作窗口41非接触的朝向所述静栅单元1；所述读数头2沿所述静栅单元1表面平移，所述动栅单元3和激光位移传感器4分别测量位移信息并发送到控制器5，由控制器5输出，通过显示模块显示读数；上述数据处理的具体过程包括：在控制器5设置公制测量/英制测量并将读数清零，同时设置绝对值/相对值测量方式，以绝对值测量为例，通过控制器5启动读数头2沿静栅单元1表面运动，所述动栅单元3上的发射极31加载激励信号激发所述静栅单元1上的反射极11产生感应信号，从而所述接收极32获取其感应信号并将位移数据发送至控制器5，同时所述激光位移传感器4利用光电位移感应获取位移数据，同样将数据发送至控制器5；由于容栅位移传感器的帧数a小于激光位移传感器的帧数b(帧数相当于传感器每次发送数据的次数)，因此在位移L上，所述控制器5以容栅的数据为基础用激光的数据进行插值，时间点Tn和Tn+1上为容栅数据的两个相邻帧，Tn和Tn+1之间包括[b/a]帧的激光数据，按照控制器5设定的精度需求，在区间Tn和Tn+1之间对激光数据均匀取值，插入该容栅数据的两个相邻帧之间，以L＝10μm、a＝30、b＝12002，精度1μm为例，时间点Tn和Tn+1对应容栅数据第20帧和第21帧，对b/a取整，即[b/a]＝400帧，按1μm的精度要求，容栅数据的两个相邻帧之间帧数为10，因此对[b/a]以40帧为间隔取值(去掉容栅数据和激光数据的重合帧)，按时间轴插入容栅数据的第20帧和第21帧之间。 [0021] 本实施例中采用双竞GC7626C容栅多功能测量芯片作为容栅位移传感器，以及采用AvagoS9818高激光引擎芯片(A9800的改进款)作为激光位移传感器，GC7626C的数据输出引脚和S9818的输出引脚接入作为控制器5的单片机的输入端，单片机的输出端外接LCD显示屏，同时GC7626C的控制引脚接入单片机，使单片机具有实现如绝对值/相对值切换、清零/重置、断电方式等控制功能；本实施例中所述读数头2中集成上述GC7626C和S9818芯片，读数头2在静栅单元1表面运动时，GC7626C和S9818芯片同时运动，两者之间的距离不变，因此单片机在获取GC7626C容栅多功能测量芯片的位移数据后，以容栅的数据作为基准加插激光位移传感器的位移数据提高测量精度，避免了传统容栅位移传感器无法满足在运动控制方面高速要求的问题，在GC7626C容栅多功能测量芯片10μm分辨率内加插激光数据后，可以达到1μm的分辨率，同时由于同时具备容栅位移传感器的测量动静栅极之间电容值变化和激光位移传感器感测物体的粗糙度的变化而产生位移信号的特点，测量环境对灰尘和强光不敏感，具有很高的可靠性。 [0022] 作为第二实施例，与第一实施例之间区别在于，所述高精度位移传感器4为磁栅位移传感器，所述静栅单元1为圆环形，所述反射极11呈环形栅状排列，所述动栅单元3同样为圆环形，所述发射极31呈环形栅状排列，设置有磁性栅状胶片15覆盖于所述反射极11上，所述静栅单元1与所述动栅单元3的圆心在同一直线上且互相平行，所述磁栅位移传感器的磁头朝向所述静栅单元1；工作过程为读数头2绕静栅单元1表面转动，所述控制器5同时获取由接收极32和磁栅位移传感器发送过来的数据，通过插值的方式输出位移结果，其计算过程与第一实施例类似，在此不在详述；利用磁栅位移传感器，与激光位移传感器的区别在于，虽然磁栅位移传感器的精度低于激光位移传感器，但磁栅位移传感器对环境要求较低，满足更多的工作场景。 [0023] 值得注意的是，本发明中的容栅部分，其结构除了第一实施例中的直线型结构、第二实施例中的圆饼型/圆环型结构，还可以是圆筒形结构等，上述实施例仅对部分情况进行举例说明，实际使用可根据测量环境和测量需求改变容栅结构。 [0024] 以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。