一种空间位置传感器的制作方法

1.本技术涉及空间位置检测领域，具体地，涉及一种空间位置传感器。


背景技术：

2.目前在各种不同的工业企业中,生产线自动化作业经常有工件等需要搬运或定位,利用机械手可以实现安全操作,同时也可以提高产品质量、提高生产效率、降低劳动强度、还可以避免人工送料、取料时因疲劳造成送料、取料不准等。位置检测传感器是工业机械手移动定位系统的组成部分之一，它的主要作用是实时检测机械手执行机构的具体位置并将机械手的位置信息实时反馈给控制系统，而控制系统根据反馈回来的机械手位置与给定机械手位置进行比较，及时修正机械手的位置，实现精确定位。因此位置测量、定位技术对机械手的发展起到关键作用。
3.传统的机械手实时位置测量多使用电位器式位移传感器，超声波位移传感器，光电式位移传感器等，上述各传感器应用中各有优点，共同的缺点是单一传感器只能测量一个维度的位置变化，无法同时测量两个以上维度的位置变化。要实现实时测量多个维度位置变化需要多个单一位置传感器的组合，安装结构复杂，体积大，而且在传感器串联安装时易引入多轴累积误差等。因此迫切需要一种能够获取机械手多维度位置信息的单一的位置传感器，并且具备安装简单，检测结果精确的特点。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种空间位置传感器，以解决现有技术中多维度位置检测装置结构复杂、体积大、容易积累误差等问题。
5.本技术的实施例可以通过以下技术方案实现：
6.一种空间位置传感器，用于获取待检测物体的空间位置信息，包括固定部、移动部和控制电路，其中，所述固定部包括：基板，所述基板的表面垂直于第三方向；以及第一检测阵列，所述第一检测阵列包括多个第一检测芯片，多个所述第一检测芯片沿第一方向等间距地设置于所述基板朝向所述待检测物体一侧的表面，基于所述移动部相对于所述固定部的位置生成感应电信号，其中，所述第一方向垂直于所述第三方向；所述移动部包括：第一金属导丝，固定设置于所述待检测物体朝向所述固定部的表面，并与所述待检测物体保持绝缘；所述控制电路与所述第一检测阵列和所述第一金属导丝电连接，用于向所述第一金属导丝施加脉冲电压以及获取所述感应电信号。
7.进一步地，每个所述第一检测芯片包括芯片基体和多个第一检测极板，多个所述第一检测极板沿所述第一方向等间距地设置于所述芯片基体的表面；所述每个第一检测极板与所述控制电路电连接，所述感应电信号包括每个所述第一检测极板感应到的电信号。
8.进一步地，所述第一金属导丝的直径小于每两个所述第一检测极板的间距。
9.进一步地，所述第一金属导丝沿第二方向延伸，其中，所述第二方向垂直于所述第一方向和所述第三方向。
10.进一步地，每个所述第一检测极板与所述芯片基体之间具有相同的第一电容，所述第一电容的值为固定值；所述第一金属导丝在所述基板上的投影线与所述第一检测阵列交点处对应的第一检测极板与所述第一金属导丝之间具有可变的第二电容，所述第二电容的值由所述第一金属导丝与所述第一检测阵列的垂直距离决定。
11.进一步地，所述控制电路包括：时序控制电路，用于控制每个所述第一检测极板将感应到的电信号串行输出；接口电路，用于接收所述串行输出的电信号。
12.优选地，所述固定部还包括：框体，所述基板固定设置于所述框体内；保护盖板，所述保护盖板设置于所述基板容置所述第一检测阵列的一侧且与所述第一检测阵列不相接触，用于保护所述第一检测阵列。
13.优选地，所述移动部还包括：承接件，所述承接件为绝缘体，固定设置于所述待检测物体朝向所述固定部的表面，用于承接所述第一金属导丝。
14.进一步地，所述固定部还包括：第二检测阵列，所述第二检测阵列与所述第一检测阵列同侧地设置于所述基板的表面，包括多个第二检测芯片，多个所述第二检测芯片沿第二方向等间距地排列；每个所述第二检测芯片包括芯片基体和多个第二检测极板，多个所述第二检测极板沿所述第二方向等间距地设置于所述芯片基体的表面；每个所述第二检测极板与所述控制电路电连接，所述感应电信号包括每个所述第二检测极板感应到的电信号；所述移动部还包括：第二金属丝，所述第二金属丝与所述第一金属丝相交并沿所述第一方向延伸，所述第二金属丝的直径小于每两个所述第二检测极板的间距。
15.进一步地，每个所述第二检测极板与所述芯片基体之间具有相同的第三电容；所述第二金属导丝在所述基板上的投影线与所述第二检测阵列的交点处对应的第二检测极板与所述第二金属导丝之间具有可变的第四电容。
16.本技术的实施例提供的一种空间位置传感器至少具有以下有益效果：
17.(1)通过沿第一方向设置的第一检测阵列所获取的感应电信号同时得到移动部在第一方向和第三方向上相对于固定部的位置信息，使得通过利用单一的位置传感器即可实现多维度位置信息的实施获取，结构简单，易于安装。
18.(2)通过第一金属导丝在基板上的投影与第一检测阵列的交点获取移动部在第一方向上相对于固定部的位置信息，通过可变的第二电容与固定的第一电容的关系获取移动部在第三方向上相对于固定部的位置信息，避免了使用多个位置传感器组合所引入的积累误差，使得检测结果更加精确。
19.(3)通过沿第二方向设置第二检测阵列，以及沿第二方向设置第二金属导丝，能够进一步获取移动部在第二方向上相对于固定部的位置信息，增加了位置检测的维度。
附图说明
20.图1为根据本技术的一个实施例提供的一种空间位置传感器的立体图；
21.图2为图1中的固定部沿第二方向进行剖切后的剖面示意图；
22.图3为根据本技术的一个实施例的第一检测阵列获取感应电信号的原理图；
23.图4为根据本技术的一个实施例的第一检测阵列获取到的感应电信号的示意图；
24.图5为根据本技术的又一个实施例提供的一种空间位置传感器的立体图；
25.图6为根据本技术的又一个实施例的第一检测阵列和第二检测阵列获取到的感应
电信号的示意图。
26.图中标号
27.1：移动部，11：第一金属导丝，12：第二金属导丝，13：承接件，2：固定部，20：基板，21:第一检测芯片，211：第一检测极板，221：第二检测极板，23：芯片基体，3：控制电路，41：框体，42：保护盖板。
具体实施方式
28.以下，基于优选的实施方式并参照附图对本技术进行进一步说明。
29.此外，为了方便理解，放大(厚)或者缩小(薄)了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本技术的保护范围。
30.单数形式的词汇也包括复数含义，反之亦然。
31.在本技术实施例中的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本技术实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，本技术的描述中，为了区分不同的单元，本说明书上用了第一、第二等词汇，但这些不会受到制造的顺序限制，也不能理解为指示或暗示相对重要性，其在本技术的详细说明与权利要求书上，其名称可能会不同。
32.本说明书中词汇是为了说明本技术的实施例而使用的，但不是试图要限制本技术。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述术语在本技术中的具体含义。
33.实施例1
34.图1至图4示出了根据本技术提供的一种空间位置传感器的实施例，图1为本实施例的空间位置传感器的立体图，图2为图1中的固定部2沿第二方向进行剖切后的剖面图。
35.如图1、图2所示，本技术提供一种空间位置传感器，用于获取待检测物体的空间位置信息，包括固定部2、移动部1和控制电路3，其中，
36.固定部2包括：基板20，基板20的表面垂直于第三方向；第一检测阵列，第一检测阵列包括多个第一检测芯片21，上述多个第一检测芯片21沿第一方向等间距地设置于基板20朝向待检测物体一侧的表面，基于移动部1相对于固定部2的位置生成感应电信号，其中，第一方向垂直于第三方向；
37.移动部1包括：第一金属导丝11，固定设置于待检测物体朝向固定部2的表面并与待检测物体保持绝缘；
38.控制电路3与第一检测阵列和第一金属导丝11电连接，用于向第一金属导丝11施加脉冲电压以及获取上述多个第一检测芯片21生成的感应电信号。
39.具体地，在本技术的实施例中，待检测物体可以是机械手、机械臂或其他需要获取空间位置信息的物体，移动部1跟随待检测物体运动，固定部2与待检测物体相对设置并固定，固定部2与待检测物体之间形成的空间为待检测物体运动的空间。
40.固定部2包括基板20，基板20一侧的表面朝向待检测物体，将与该表面垂直的方向设为第三方向；固定部2还包括第一检测阵列，第一检测阵列包括多个第一检测芯片21，可以基于移动部1相对于固定部2的位置生成感应电信号，上述多个第一检测阵列等间距地设置于基板20朝向待检测物体一侧的表面，其排列方向为第一方向，且第一方向垂直于第三方向；
41.进一步地，如图1、图2所示，第一检测芯片21包括芯片基体23和多个第一检测极板211，芯片基体23设置于基板20表面，多个第一检测极板211沿第一方向等间距地设置于芯片基体23表面，每个第一检测极板211均与控制电路3电连接，全部第一检测极板211感应到的电信号的集合即构成了上述感应电信号。
42.移动部1包括第一金属导丝11，第一金属导丝11可以采用粘贴、嵌入等方式固定地设置于待检测物体朝向固定部2的表面，并且与待检测物体保持绝缘，进一步地，如图1所示，第一金属导丝11沿第二方向延伸，且第二方向分别垂直于第一方向和第三方向。
43.在本实施例中，控制电路3可以集成于基板20上，具体地，控制电路3可以设置于基板20背向待检测物体一侧的表面，控制电路3通过印刷于基板20上的电路与每一个第一检测极板211电连接，通过表面包覆有绝缘表皮的导线与第一金属导丝11电连接。
44.进一步地，控制电路3包括时序控制电路，用于控制每个第一检测极板211将感应到的电信号串行输出；控制电路3还包括接口电路，用于接收串行输出的电信号，本领域的技术人员应当知晓，接口电路接收到串行输出的电信号后，可以进一步连接ad转换模块等模块，以根据需要对空间位置传感器获取的信息进行进一步处理。
45.优选地，如图2所示，固定部2还包括框体41和保护盖板42，其中，基板20固定设置于框体41内，保护盖板42与框体41搭接，设置于基板20容置第一检测阵列的一侧且与第一检测阵列不相接触，用于保护第一检测阵列。
46.在本实施例的一些优选的实施方式中，为了提高产品的集成度并方便批量生产，上述第一检测芯片21包括的芯片基体23和第一检测极板211，以及上述控制电路3均可以通过采用不同电学性能的结构膜层，按照预先设计的规格依次层叠地设置于以pcb(印刷电路板)为材料制成的基板20上的方式进行制造，在第一检测极板211和芯片基体23之间还设置有绝缘的结构膜层以使第一检测极板211与芯片基体23之间构成电容结构，上述通过多种材料的结构膜层进行制作的工艺为本领域的技术人员所知晓，在此不再赘述。
47.显然，多个第一检测极板211沿第一方向排列的数量和间距即决定了本实施例的空间位置传感器在第一方向上能够检测的最大范围，例如，在本实施例的一种具体的实现方式中，第一检测阵列包括6个第一检测芯片21，每个第一检测芯片21包括36个第一检测极板211，检测极板的尺寸为0.45mm*0.45mm，按照50dpi的规格沿第一方向等间距排列，形成包括216个第一检测极板211的阵列，为方便描述，可以定义上述216个第一检测极板211感应到的电信号为sig1～sig216，具体地，第一检测极板211感应到的电信号为电压信号；在本实施例的其他具体实现方式中，本领域的技术人员还可以根据实际检测的需要增加第一检测芯片21的数量，以扩大能够检测的最大范围。
48.优选地，为提高检测精度，第一金属导丝11的直径小于每两个第一检测极板211的间距，具体地，在上述具体实现方式中，第一金属导丝11的直径为0.5mm，沿第二方向的长度为10mm；根据图1容易知晓，第一金属导丝11在第二方向上进行一定长度的延伸，使得其在
基板20上的投影与第一检测阵列产生交点，其交点即可用于表示待检测物体在第一方向上相对于固定部2的位置。
49.本实施例的其他具体实现方式中，本领域技术人员还可以根据检测需要，增加第一金属导丝11的长度，从而保证待检测物体在第二方向上发生一定移动的情况下，第一金属导丝11在基板20上的投影仍然能够与第一检测阵列产生交点。
50.以下，结合图3、图4，详细阐述上述具体实现方式中，第一检测阵列获取待检测物体相对于固定部2位置信息的原理。
51.具体地，每个第一检测极板211与芯片基体23之间具有相同的第一电容，该第一电容为固定值，通过第一检测极板211与芯片基体23的尺寸规格与电学性能预先确定，可以记为ci；第一金属导丝11在基板20上的投影线与第一检测阵列交点处对应的第一检测极板211(为方便描述，设该第一检测极板211的序号为m)与第一金属导丝11之间具有可变的第二电容，可以记为cs，该第二电容cs随着第一金属导丝11在第三方向上与第一检测阵列的垂直距离d的变化而变化(在上述具体实现方式中，第一检测阵列的各个部分采用结构膜层制成，其在第三方向上的厚度远远小于待检测物体与第一检测阵列的距离，因此可以认为第一金属导丝11与第一检测阵列的不同部位在第三方向上具有相等的垂直距离d)；显然，第一金属导丝11与m号第一检测极板211以及芯片基体23之间构成了电容分压结构，与其他第一检测极板211则不构成电容分压结构。
52.当在第一金属导丝11上施加电压vp并将芯片基体23接地时，由上述分析可知，m号第一检测极板211具有电压：vo＝vp*cs/(cs ci)，上式可以变形为：vo＝vp*1/(k*d 1)，其中，k为化简系数，由第一金属导丝11、第一检测极板211以及芯片基体23的尺寸规格与电学性能等参数预先确定；位于其他位置的第一检测极板211由于不构成电容分压结构，因此其电压为0，当对待检测物体相对于固定部2的位置进行测量时，如图4所示，时序控制电路接收外部输入的时钟信号clk，向金属导丝施加脉冲电压vp，并在时钟信号clk的同步下控制接口电路依次接收并输出216个第一检测极板211感应到的电压信号sig1～sig216。
53.图4中的信号sig示出了216个第一检测极板211所感应到的电压信号的情况，其中，m号第一检测极板211感应到的电压为vo，其他第一检测极板211感应到的电压信号为0，通过电压vo，在vp和k已知的情况下，即可求得第一金属导丝11与第一检测阵列的垂直距离d。
54.因此，通过上述多个第一检测极板211所感应到的电压信号，就可以获取移动部1在第一方向和第三方向上相对于固定部2的位置，具体地，可以通过电压信号的有无获取移动部1在第一方向上相对于固定部2的位置信息，通过电压信号的幅值获取移动部1在第三方向上相对于固定部2的距离信息。
55.图1还示出了第一金属导丝11位于a、b、c三个位置的情况：当第一金属导丝11位于位置a和位置c时，在第三方向上相对于第一检测阵列的距离相同，在基板20上的投影分别与第一检测阵列相交于m号第一检测极板211和n号第一检测极板211；当第一金属导丝11位于位置b时，在基板20上的投影与第一检测阵列相交于n号第一检测极板211，但相较于位置c更接近于第一检测阵列。
56.图4示出了第一金属导丝11位于a、b、c三个位置时216个第一检测极板211通过控制接口电路串行输出的电压信号的情况，从图中可以看出，sig_a、sigb和sig_c能够准确地
反映出第一金属导丝11在第一方向和第三方向上相对于第一检测阵列的位置信息。
57.在本实施例中，通过沿第一方向设置的第一检测阵列所获取的感应电信号同时得到移动部1在第一方向和第三方向上相对于固定部2的位置信息，使得通过利用单一的位置传感器即可实现多维度位置信息的实施获取，结构简单，易于安装；通过第一金属导丝11在基板20上的投影与第一检测阵列的交点获取移动部1在第一方向上相对于固定部2的位置信息，通过可变的第二电容与固定的第一电容的关系获取移动部1在第三方向上相对于固定部2的位置信息，避免了使用多个位置传感器组合所引入的积累误差，使得检测结果更加精确；在本实施例的优选的实施方式中，将第一金属导丝11的直径设置为小于第一检测极板211的间距，保证了在同一时刻能够感应到分压信号的第一检测极板211的数量不超过1个，从而提高了位置检测的精度。
58.实施例2
59.图5、图6示出了根据本技术提供的一种空间位置传感器的又一种实施例，图5为本实施例的空间位置传感器的立体图，图6为根据本实施例的第一检测阵列和第二检测阵列获取到的感应电信号的示意图，图中与实施例1相同的部分以相同的标号表示。
60.如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，固定部2还包括：第二检测阵列，第二检测阵列与第一检测阵列同侧地设置于基板20的表面，包括多个第二检测芯片，多个第二检测芯片沿第二方向等间距地排列；每个第二检测芯片包括芯片基体23和多个第二检测极板221，多个第二检测极板221沿第二方向等间距地设置于芯片基体23的表面；每个第二检测极板221与控制电路3电连接，感应电信号包括每个第二检测极板221感应到的电信号；移动部1还包括：第二金属丝，第二金属丝与第一金属丝相交并沿第一方向延伸，第二金属丝的直径小于每两个第二检测极板221的间距。
61.进一步地，每个第二检测极板221与芯片基体23之间具有相同的第三电容；第二金属导丝12在基板20上的投影线与第二检测阵列交点处对应的第二检测极板221与第二金属导丝12之间具有可变的第四电容。
62.在本实施例的一些优选的实施方式中，第一检测芯片21和第二检测芯片采用相同的型号，具有相同的规格和性能参数，从而第三电容等于第一电容，第四电容等于第二电容。
63.图5示出了本实施例的一种优选的实施方式提供的空间位置传感器的立体图，其中第一金属导丝11、第二金属导丝12、多个第一检测极板211和多个第二检测极板221均以简化的形式进行表示。在本实施方式中，第一金属导丝11与第二金属导丝12直径均为0.5mm，长度均为54mm，互相垂直且相交，两者相交形成的平面平行于基板20；第一检测阵列的设置方式与实施例1相同，其获取的感应电信号为sig1，第二检测阵列包含沿第二方向等间距排列的6个第二检测芯片，第二检测芯片的规格型号、间距均与第一检测阵列相同，其获取的感应电信号为sig2。在本实施例的其他具体实施方式中，本领域的技术人员也可以调整第一金属导丝11、第二金属导丝12、第一检测阵列和第二检测阵列的规格，以满足实际测量的需要。
64.在本实施例中，第二金属导丝12与第一金属导丝11互相垂直，第二检测阵列与第一检测阵列互相垂直，通过第二金属导丝12在基板20上的投影与第二检测阵列的交点所对应的第二检测极板221的序号(例如交点处的第二检测极板221的序号为n)，可以获得移动
部1在第二方向上相对于固定部2的位置信息，其信息获取方式与实施例1中获取移动部1在第一方向上相对于固定部2的位置信息的方式相同，在此不再赘述。
65.图6示出了上述优选的实施方式的第一检测阵列和第二检测阵列获取到的感应电信号的示意图，其中m为第一金属导丝11在基板20上的投影与第一检测阵列的交点处对应的第一检测极板211的序号，n为第二金属导丝12在基板20上的投影与第二检测阵列的交点处对应的第二检测极板221的序号，显然，由于第一金属导丝11和第二金属导丝12相交形成的平面平行于基板20，因此m号第一检测极板211和n号第二检测极板221所感应到的电压信号的幅值相同。
66.优选地，在本实施例中，移动部1还包括承接件13，承接件13为绝缘体，固定设置于待检测物体朝向固定部2的表面，用于承接第一金属导丝11和第二金属导丝12。
67.在本实施例中，通过沿第二方向设置第二检测阵列，以及沿第二方向设置第二金属导丝12，能够进一步获取移动部1在第二方向上相对于固定部2的位置信息，增加了位置检测的维度。利用本实施例提供的空间位置传感器，能够通过单一的空间位置传感器获取三个维度的位置信息，结构极为简单且安装方便。
68.以上对本技术的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本技术权利要求的保护范围。