CN100394143C - 齿电式时栅传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新的可同时兼顾动、静态测量的齿电式时栅位移传感器，它是在定子/定尺和转子/动尺上均开有两组槽齿，选择定子/定尺或转子/动尺上的两组槽齿错开半齿形成正交，而另两组槽齿则不错开，在定子/定尺和转子/动尺上以槽齿均匀间隔分别正方向、反方向各绕有线圈，将两组线圈组作为激励线圈，通以时间正交的两路简谐波激励，而在另两组线圈组中得到驻波响应，作为驻波响应线圈，将两路驻波相加即得到电行波，其移相大小就直接反映角位移或直线位移大小。本传感器的定子/定尺和转子/动尺骨架可以采用任何普通精度的机械加工设备，来保证线圈分布的均匀，价廉且结实，绕线也很简单，故而成本低，结实耐用，经得起恶劣工作环境的摔打碰撞，可以取代当今任何一种静、动态测量手段来实现高精度测量。

Description

齿电式时栅传感器

技术领域

本发明属于位移传感器技术。

背景技术

在现有的静态、动态位移传感器中，以磁栅、光栅、感应同步器为代表，已被广泛采用多年。它们的优点在于精度高，缺点在于价格太贵，而且不适合在恶劣的环境中使用。其原因在于上述传感器的测量精度取决它本身基准件的制造精度，精密的制造工艺导致产品成本高，精密的结构形式导致其特别娇气，容易变形损坏。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种新的可同时兼顾动、静态测量的齿电式时栅位移传感器(简称齿电栅)，即利用达到普通均分精度的固体骨架形成按一定规律排列的线圈组，以此得到能够将机械位移与电信号的相位移一一对应的电行波信号，通过对此信号相位变化的测量而得到位移变化量，实现高精度测量。

为了实现上述目的而设计的技术方案分为角位移和直线位移测量两种情况：

测量角位移的齿电式时栅传感器具有定子和转子，它在定子和转子上沿圆周均丌有上下平行的两组槽齿，且定子与转子上的槽齿数相同，其中选择定子或转子上的两组槽齿沿圆周错开半齿形成正交，而另两组槽齿则不错开，形成双联齿轮状，在定子和转子上以槽齿均匀间隔(如间隔一齿、两齿等)分别正方向、反方向各绕有线圈，共形成四个沿圆周分布的以相邻齿为周期的线圈组。将两组线圈组作为激励线圈，通以时间正交的两路简谐波激励，而在另两组线圈组中得到驻波响应，作为驻波响应线圈，将两路驻波相加即得到电行波，电行波的相位移动与被检测的空间位移一一对应，于是可以通过相位所反应的时间差测出位移量。

测量直线位移的齿电式时栅传感器与上述角位移的传感器具有相同的基本结构，它是在定尺和动尺上沿直线均丌有上下平行的两组槽齿，且定尺与动尺上的槽齿数相同，其中选择定尺或动尺上的两组槽齿沿直线错开半齿形成正交，另两组槽齿则不错开；在定尺和动尺上以槽齿均匀间隔(如间隔一齿、两齿等)分别沿正方向、反方向各绕有线圈，共形成四个沿直线分布的以相邻齿为周期的线圈组。将两组线圈组作为激励线圈，通以时间正交的两路简谐波激励，而另两组线圈组为驻波响应线圈，两路驻波相加即得到电行波，电行波的相位移动与被检测的空间位移一一对应，于是可以通过相位所反应的时间差测出位移量。

上述两种传感器中所提到的每组槽齿的数量一般都成偶数，开槽精度不需要很高，有普通齿轮(齿条)国家标准7级精度即可。

上述传感器的电信号合成关系如下：一组线圈输入激励 $u_1=A\cos 2\mathrm{\π}\frac{t}{T},$ 相对的一组线圈的输出响应 $U_1=B\sin 2\mathrm{\π}\frac{x}{W}\cos 2\mathrm{\π}\frac{t}{T};$ 另一组线圈的输入激励 $u_2=A\sin 2\mathrm{\π}\frac{t}{T},$ 相对的另一组线圈的输出响应 $U_2=B\cos 2\mathrm{\π}\frac{x}{W}\sin 2\mathrm{\π}\frac{t}{T},$ 输入输出信号的合成为电行波 $E=U_1+U_2=K\sin 2\mathrm{\π}(\frac{t}{T}+\frac{x}{W}).$

由于本发明设计的传感器是用普通分度精度的骨架为基准，所以还需要利用谐波误差校正以实现高精度测量，以下以角位移传感器为例说明其基本原理：

若外圈通电激劢，内圈实质为一个均布的Z个测头串联而成的拾信器，因所有的圆周误差均为周期函数，按富里叶级数可展开成i(0-∝)次谐波的合成。众所周知，这z个测头消除了除iz次以外的全部误差，可使精度提高十倍以上。剩下的iz次谐波误差均匀分布在每相邻齿内，采用计算机进行谐波校正，精度可再提高1～2个数量级以上。

因此，采用本发明所设计的上述结构形式，传感器的骨架可以采用任何普通精度机械加工设备，来保证线圈分布的均匀，价廉且结实，绕线也很简单，故而成本低，结实耐用，经得起恶劣工作环境的摔打碰撞，可以取代当今任何一种静、动态测量手段来实现高精度测量。

附图说明

图1A是角位移传感器的定子与转子的齿状固体骨架结构示意图；

图1B是图1A的沿直径剖面的展成示意图；

图2是线圈沿齿状固体骨架的一种绕线方式。

图3是双联齿轮形式的角位移传感器的线圈分布图；

图4是上下端面齿轮形式的角位移传感器的线圈分布图；

图5A是直线位移传感器的定尺与动尺的骨架结构示意图；

图5B是图5A的A-A剖面图。

具体实施方式

为了方便，先以角位移为例描述本发明的结构：

先机械加工出齿状线圈骨架如图1A和图1B示，内为转子1，外为定子2，转子和定子的外圆周上都开有上下平行的两组槽齿3、4和5、6，齿数不限，一般为偶数，为双联齿轮状。其中将定子上的两组槽齿5与6设计为沿圆周错开半齿形成正交，转子上的两组槽齿则不错开，图1A中的W是齿距。

再在各个齿状骨架上以相邻两齿为一组分别沿正方向、反方向各绕线圈n匝，形成如图2所示的沿圆周分布并以相邻齿为周期的串联线圈组。线圈组有四个，分别是定圈组7、8，动圈组9、10，上下内外两两成对，按一定规律排列，使一组逐齿满足正交即错开半齿空间位置，另一组则不错开。

在两组错开的定圈组7和8中通以时间正交的两路简谐波激励，而在不错开的两组动圈组9和10中得到两路驻波响应。将两路驻波相加而得到电行波，其移相大小直接反映角位移大小，输入输出信号的合成如图3所示。定圈组7输入激励 $u_1=A\cos 2\mathrm{\π}\frac{t}{T},$ 相对的动圈组9的输出响应 $U_1=B\sin 2\mathrm{\π}\frac{x}{W}\cos 2\mathrm{\π}\frac{t}{T};$ 另一定圈组8的输入激励 $u_2=A\sin 2\mathrm{\π}\frac{t}{T},$ 相对的另一动圈组10的输出响应 $U_2=B\cos 2\mathrm{\π}\frac{x}{W}\sin 2\mathrm{\π}\frac{t}{T},$ 输入输出信号的合成 $E=U_1+U_2=K\sin 2\mathrm{\π}(\frac{t}{T}+\frac{x}{W}).$

上述结构制作完成后，还需对谐波误差进行校正，使整个传感器精度提高。

对于角位移传感器，上述结构只是一种线圈组组合方式，还可以有多种组合演变形式，其相对运动和作用的原理是一样的，如：

①内线圈作为定圈，外线圈作为动圈；

②内线圈错开半齿，外线圈不错开；

③内线圈通入激励，外线圈得到响应；

④定子和转子不是内外齿轮形式，而是上下端面齿轮形式如图4所示。

⑤定子和转子可以是双联齿轮，也可以是多联齿轮的组合。

以上叙述是以角位移测量为例，如果不是以齿轮的形式，而是以齿条的形式对线圈进行布局如图5所示，则可实现直线位移测量。此时动尺11相当于转子，定尺12相当于定子，在定尺12和动尺11上沿直线均开有上下平行的两组槽齿，且定尺与动尺上的槽齿数相同，其中定尺12上的两组槽齿沿直线错开半齿形成正交，动尺11上两组槽齿则不错开，在定尺和动尺上以相邻两齿为一组，分别沿正方向、反方向各绕有线圈，共形成四个沿直线分布的以相邻齿为周期的线圈组13、14、15、16。将两组定圈组13和14作为激励线圈，通以时间正交的两路简谐波激励，而另两组动圈组15和16为驻波响应线圈，两路驻波相加即得到电行波。本结构中，动、定尺齿数(线圈数)不相等不影响原理。

实验表明：本齿电栅传感器精度与光栅感应同步器相当，可以满足工程要求。而成本仅为其1/10左右。更有不可比拟的优点：耐摔打，不娇气，适用于航空，航天，武器等恶劣环境中。

Claims (2)

1.齿电式时栅传感器，它具有定子和转子，其特征在于：在定子和转子上沿圆周均开有上下平行的两组槽齿，且定子与转子上的槽齿数相同，其中选择定子或转子上的两组槽齿沿圆周错开半齿形成正交，另两组槽齿则不错开；在定子和转子上以槽齿均匀间隔分别沿正方向、反方向各绕有线圈，共形成四个沿圆周分布的以相邻齿为周期的线圈组，将两组线圈组作为激励线圈，通以时间正交的两路简谐波激励，而另两组线圈组为驻波响应线圈，两路驻波相加即得到电行波，电行波的相位移动与被检测的空间位移一一对应。

2.齿电式时栅传感器，它具有定尺和动尺，其特征在于：在定尺和动尺上沿直线均开有上下平行的两组槽齿，且定尺与动尺上的槽齿数相同，其中选择定尺或动尺上的两组槽齿沿直线错开半齿形成正交，另两组槽齿则不错开；在定尺和动尺上以槽齿均匀间隔，分别沿正方向、反方向各绕有线圈，共形成四个沿直线分布的以相邻齿为周期的线圈组，将两组线圈组作为激励线圈，通以时间正交的两路简谐波激励，而另两组线圈组为驻波响应线圈，两路驻波相加即得到电行波，电行波的相位移动与被检测的空间位移一一对应。

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