CN101324420A - 具有误差平均效应的涡流栅绝对位置传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种测量仪器技术领域的具有误差平均效应的涡流栅绝对位置传感器，由定栅和动栅两个部分构成，在传感器动栅上至少有一个码道上的每一组传感器线圈是以串联的方式连接在一起，相邻线圈之间沿测量轴方向的距离是均匀的，每个线圈相对于定栅上敏感导体的位置是一致的，这些线圈同时参与工作，等效于一个线圈。同时，分别采用窄线圈方式或者交错线圈方式，将两组线圈的距离拉近到1/4波长，可以进一步提高测量精度。此外，采用一种三码道绝对定位方案，精码道实现位移小数精确测量，中码道实现中等精度定位，粗码道实现粗定位，并分别通过对称布局型式和双线圈方案，提高绝对定位精度，并降低工艺要求和制造成本。

Description

具有误差平均效应的涡流栅绝对位置传感器

技术领域

本发明涉及一种测量仪器技术领域的传感器，具体是一种具有误差平均效应的涡流栅绝对位置传感器。

背景技术

在现有制造业现场使用的各种量具普遍向数字化、大量程、绝对码等方向发展，而且对防水、防尘、抗震、防磁的要求越来越高。目前，世界范围内推出的具备防水功能的大量程位移传感器归纳起来可分为以下四种：

第一种是基于差动变压器原理的位移传感器，这类传感器利用电涡流效应组成差动变压器式位移传感器，它由一对发射线圈和接收线圈组成，通过互感变化实现大量程位移测量，并具有防水功能，可以输出绝对位置信号。缺点是传感器线圈部分体积较大，不利于进一步小型化。

第二种是基于变磁阻原理的位移传感器，这类传感器利用磁阻效应组成磁阻式位移传感器，体积小，可以实现大量程位移测量，并具有防水功能，但不能排除磁性颗粒物质的影响，而且这种原理的位移传感器输出信号是增量式的。

第三种是基于感应同步器原理的位移传感器，这类传感器同差动变压器传感器相似，具有防水功能。缺点是传感器线圈部分体积较大，不利于进一步小型化，而且这种原理的位移传感器输出信号也是增量式的。

第四种是基于横向电涡流效应的位移传感器，如中国专利“防水型电子数显卡尺”(专利申请号03115904.4)和“具有防水功能的大量程位移传感器”(专利申请号200310122731.5)。这种传感器利用横向电涡流效应组成栅式位移传感器，具有出色的防水能力，并通过多码道技术实现绝对位置信号输出。同时，有效解决了传统电涡流传感器体积大、功耗大的弊病，成功用于防水型电子数显卡尺。但是这种传感器缺少误差平均效应，因此对生产的工艺要求较高，需要较高的制作和安装精度才能满足对测量精度的要求和降低出错概率。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提出一种具有误差平均效应的涡流栅绝对位置传感器，针对第四种位移传感器“涡流栅”存在的不足和缺陷进行改进，可适合用于各种防水型电子测量器具，可以降低现有涡流栅传感器对工艺的要求并进一步提高测量的精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明由定栅和动栅两个部分构成。在定栅上沿着测量轴方向布置至少两个码道，每个码道上布置一系列具有规则形状、按测量轴均匀排列的金属敏感导体，敏感导体中每个规定的周期图案的一个周期分别限定波长，两个码道的波长是不相等的。在动栅上布置与定栅数量相同的码道，每个码道上布置数个具有特定间距和形状的传感器线圈，线圈的排列方式与敏感导体有确定的对应关系，每个码道上两组线圈和线圈沿测量轴方向的距离为该码道1/4波长的奇数倍，例如3/4波长、5/4波长或更远，从而可以输出的相位信号实现传感器位移测量。

与以往的“涡流栅”传感器所不同的是：在本发明的传感器的动栅上，至少有一个码道上的每一组传感器线圈是以串联的方式连接在一起，相邻线圈之间沿测量轴方向的距离是均匀的，每个线圈相对于定栅上敏感导体的位置是一致的，因此这些线圈感应信号的相位是一致的。这一组线圈同时参与工作，等效于一个线圈。采用这种排列方式，可以大大增进误差平均效应，明显提高测量精度和稳定性，并可以大幅度降低对生产制作工艺的要求，从有有效地降低生产成本。

为了进一步提高测量精度，本发明提出一种窄线圈方案：将动栅上传感器线圈宽度(垂直于测量轴的方向)减小为定栅上对应码道的敏感导体宽度的一半，然后将原来相距3/4波长、5/4波长或更远的两组线圈拉近，靠近布置，在测量轴方向上只相距1/4波长。这样，差动效果更好，从而可以获得更高的测量精度和稳定性。这种布局很好地解决了原有方案中线圈距离过远的弊病。

另一种拉近线圈的措施是采用交错线圈方案：保持动栅上传感器线圈原有宽度不变，采用多层印制电路板(PCB)工艺将两组动栅上传感器线圈分别制作在相邻的层上。例如一组线圈制作在第一、三、五、七层，另一组线圈制作在第二、四、六、八层，这样同样可以保证两组线圈相距只有1/4波长，而且两组线圈的宽度可以和定栅上的反射导体宽度相同，有利于灵敏度的提高。

背景技术中的涡流栅传感器绝对位置的小数精度由某一码道的相位值来决定，而绝对定位(也叫大数定位)是由两个码道的相位差来决定。要实现大范围的绝对定位，两个码道的波长差就越小，然而大数定位的精度就越差，对工艺的要求也就越高。为了解决上述问题和缺陷，本发明采用将大数定位和小数测量分开的三码道实施方案。传感器采用三个码道，其中一个码道波长较短，称之为精码道，其输出的相位信号可以用来实现位移的小数部分(小于一个精码道波长的范围)，可以满足测量分辨力和小数测量精度。另一个码道的波长远大于精码道的波长，一般为精码道波长的整数倍，称之为中码道，其输出的相位信号也测量位移，其测量误差不超过精码道的波长，可以称之为中定位。第三个码道的波长与中码道的波长接近但不同，称之为粗码道，利用粗码道和中码道的相位差可以实现绝对位置测量和定位，其定位误差不超过中码道的波长，可以称之为粗定位。测量过程如下：首先粗定位，利用粗码道和中码道的相位差将传感器位置定位在中码道的一个测量波长之内；然后中定位，利用中码道的相位信号将传感器位置定位在一个精码道测量波长之内；最后计算小数，利用精码道的相位信号测量传感器的准确位置和位移量。这样就将绝对定位分为粗定位和中定位两步来进行，降低了大数出错的概率和对工艺的要求，同时提高了绝对定位的精度。

为了减小码道之间测量波长差异较大，电路板变形大，制作精度不易保证的缺陷，本发明还提出一种对称布局方式：将波长较小的精码道布置在三个码道的中间位置，将另外两个波长较大又比较接近的中码道和粗码道分别布置在精码道的两侧。这样的布置另一个好处，是有利于避免由于安装的原因导致的小数精度的下降。

按照背景技术中提及的专利的“涡流栅”传感器方案，每个码道上要布置至少4个线圈，并呈差动布局，提高测量精度。如果这样布置，三个码道所需线圈数量便增加到了12个以上，这样对测量电路提出了更高的要求，成本也会更高。为了达到大数定位的目的又不过多增加传感器线圈的数目，本发明提出另外一种双线圈实施方案：去掉中码道和粗码道中起差动作用的线圈，只保留两个相距1/4波长的线圈，同样可以实现粗定位和中定位。这时传感器粗定位和中定位的精度将会有所降低。为了弥补这一缺陷，可以将粗码道和中码道传感器线圈沿测量轴的长度进行适当优化，例如做得比对应码道的金属敏感导体的长度稍大，可以适当提高测量精度。

附图说明

图1是具有误差平均效应的涡流栅传感器窄线圈实施方案示意图。

图2是具有误差平均效应的涡流栅传感器交错线圈实施方案示意图。

图3是三码道绝对定位方案示意图。

图4是对称布局的三码道绝对定位方案示意图。

图5是双线圈三码道绝对定位方案示意图。

图6是对称布局的双线圈三码道绝对定位方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，传感器由定栅100和动栅102两部分构成。在定栅100上布置两个码道，每个码道上布置一系列具有规则形状、按测量轴均匀排列的金属敏感导体101，第一、第二码道敏感导体101中每个规定周期图案的一个周期分别限定第一波长104(λ₁)和第二波长108(λ₂)。波长的大小跟传感器的灵敏度和测量精度有关。另外，第一波长104和第二波长108是不相等的，从而将传感器的绝对定位范围从原先的λ₁或λ₂扩展到了T，实现了范围T内的绝对测量，在这里：

$T=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}$

因此，第一和第二波长的选择还与绝对定位范围T有关。绝对定位范围一定时，波长大，大数定位精度更容易保证，但小数精度有所降低，反之亦然。例如，若传感器量程是300mm，绝对定位范围T一般应比量程稍大。因此可以去波长为λ₁＝7mm，λ₂＝6.86mm，此时绝对定位范围T＝343mm，能满足300mm量程的要求。

金属敏感导体沿测量轴的长度105和109较好的等于对应码道的半波长，也可稍大或稍小。而长度107则可根据定栅的尺寸尽量做得大点，这样可以提高传感器的灵敏度。在动栅102上布置有8个具有特定间距和形状的传感器线圈103，用1～8表示这8个线圈。这8个线圈沿测量轴的长度106和110较好的等于对应码道的半波长。另外，线圈103的排列方式与敏感导体101还有确定的对应关系。这种确定的对应关系有：线圈1和2、3和4、5和6、7和8在相位上分别错开π，以构成差动输出，降低传感器的非线性并提高抗干扰的能力；线圈1和3、5和7在相位上分别错开π/2，这样当动栅沿测量轴移动时，在每个码道上都可得到两路相位差为π/2的交替变化的信号。

在上述传感器中，两个码道的传感器线圈103是以串联的方式沿测量轴等间距排列，也就是说编号相同的线圈指的是同一个线圈，它们以串联的方式连接。串联线圈的数目较佳的应大于5。采用这种排列方式，可以降低涡流栅传感器对工艺的要求并提高测量的精度。例如，如果串联线圈的数目为7，小数定位精度能达到约±0.015mm。与单线圈方案相比，小数定位精度有所提高并大大降低了大数出错的可能性。

如图2所示，在这一方案中，仅是线圈的宽度111比上一窄线圈方案增加了一倍，同一码道的4个线圈采用多层印制板的工艺被布置在了不同的层上，例如线圈1、2、5、6布置在1、3、5、7层，线圈3、4、7、8布置在2、4、6、8层。这一方案因为线圈变大了，传感器灵敏度相应有所增大，但缺点是同一线圈可布置的层数不能太多。

如图3所示，传感器一共有三个码道。最上面一个码道波长较短，称之为精码道，其输出的相位信号可以用来实现位移的小数部分(小于一个精码道波长的范围)，可以满足测量分辨力和小数测量精度。中间一个码道的波长112远大于精码道的波长，一般为精码道波长的整数倍，称之为中码道，其输出的相位信号也测量位移，其测量误差不超过精码道的波长，可以称之为中定位。最下面一个码道的波长115与中码道的波长112接近但不同，称之为粗码道，利用粗码道和中码道的相位差可以实现绝对位置测量和定位，其定位误差不超过中码道的波长112，可以称之为粗定位。测量过程如下：首先粗定位，利用粗码道和中码道的相位差将传感器位置定位在中码道的一个测量波长112之内；然后中定位，利用中码道的相位信号将传感器位置定位在一个精码道测量波长之内；最后计算小数，利用精码道的相位信号测量传感器的准确位置和位移量。这样就将绝对定位分为粗定位和中定位两步来进行，降低了大数出错的概率和对工艺的要求，同时提高了绝对定位的精度。这两个码道金属敏感导体沿测量轴的长度113和116为对应码道波长的一半，传感器线圈的长度114和117较佳地也为对应码道波长的一半。

例如，同样为达到300mm量程的要求，波长可以分别取为λ₁＝4.5mm，λ₂＝36mm，λ₁＝32.6mm。此时绝对定位范围为345mm，小数的精度可达到±0.01mm，由于精码道的波长减小而提高了；中码道的相位误差可达到±0.2mm远小于允许误差±2.25mm；粗定位的精度为±9mm左右，也明显小于允许误差±18mm的要求。

如图4所示，这一方案与图3所示方案的差别是，将精码道布置在了中间，将另外两个波长和较大有比较接近的中码道和粗码道分别布置在精码道的两侧。这样电路板变形较小，制作精度容易保证，同时更有利于避免由于安装的原因导致的小数精度的下降。

如图5所示，同图3所示方案相比，去掉了大数定位码道中起差动作用的线圈，只保留两个相距1/4波长的线圈，同样可以实现粗定位和中定位。这时传感器粗定位和中定位的精度将会有所降低。为了弥补这一缺陷，可以将粗码道和中码道传感器线圈沿测量轴的长度118和119进行适当优化，例如做得比对应码道的金属敏感导体的长度稍大，可以适当提高测量精度。本实施例中，小数的精度跟保留有差动线圈的实施例相同，粗定位和中定位的精度下降了一倍左右，但通过误差修正，仍然能满足测量的要求。

如图6所示，同图5所示方案相比，将精码道布置在了中间，将另外两个波长和较大有比较接近的中码道和粗码道分别布置在精码道的两侧。这样电路板变形较小，制作精度容易保证，同时有利于避免由于安装的原因导致的小数精度的下降。

Claims (6)

1、一种具有误差平均效应的涡流栅绝对位置传感器，由定栅和动栅两个部分构成，在定栅上沿着测量轴方向布置至少两个码道，每个码道上布置一系列具有一定规则形状、按测量轴均匀排列的金属敏感导体，在动栅上布置与定栅数量相同的码道，每个码道上布置数个传感器线圈，其特征在于：在传感器动栅上至少有一个码道上的每一组传感器线圈是以串联的方式连接在一起，相邻线圈之间沿测量轴方向的距离是均匀的，每个线圈相对于定栅上敏感导体的位置是一致的，这些线圈同时参与工作，等效于一个线圈。

2、根据权利要求1所述的具有误差平均效应的涡流栅绝对位置传感器，其特征是，所述动栅上的传感器线圈，其垂直于测量轴方向的宽度为定栅上对应码道的敏感导体宽度的一半，两组线圈在测量轴方向上只相距1/4波长。

3、根据权利要求1所述的具有误差平均效应的涡流栅绝对位置传感器，其特征是，所述动栅上的传感器线圈中，每两组线圈交错布置在相邻的层上。

4、根据权利要求1所述的具有误差平均效应的涡流栅绝对位置传感器，其特征是，所述传感器采用三个码道，其中一个码道波长最短，称之为精码道，其输出的相位信号用来实现位移的小数部分，小于一个精码道波长的范围，另一个码道的波长远大于精码道的波长，为精码道波长的整数倍，称之为中码道，第三个码道的波长与中码道的波长接近但不相同，称之为粗码道，测量时，粗码道和中码道的相位差将传感器位置定位在中码道的一个测量波长之内，中码道的相位信号将传感器位置定位在一个精码道测量波长之内，再计算小数，利用精码道的相位信号测量传感器的准确位置和位移量。

5、根据权利要求4所述的具有误差平均效应的涡流栅绝对位置传感器，其特征是，所述精码道布置在三个码道的中间位置，中码道和粗码道分别布置在精码道的两侧。

6、根据权利要求4或5所述的具有误差平均效应的涡流栅绝对位置传感器，其特征是，所述中码道和粗码道中省略起差动作用的线圈，只保留两个相距1/4波长的线圈。

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