CN102252697B

CN102252697B - 差动结构的组合编码式涡流栅绝对位置传感器

Info

Publication number: CN102252697B
Application number: CN 201110094142
Authority: CN
Inventors: 赵辉; 刘伟文; 陶卫; 吕春峰; 王成龙
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2031-04-14
Also published as: CN102252697A

Abstract

一种电磁传感测量技术领域的差动结构的组合编码式涡流栅绝对位置传感器，包括：定栅、动栅和电路系统，定栅由相互平行的测量码道和主编码码道构成；测量码道上设有若干个等高且等间距分布的金属导体，主编码码道上设有若干个等高的金属导体；动栅由相互平行的且分别设有平面线圈的从测量码道和从编码码道构成，从测量码道和从编码码道分别正对测量码道和主编码码道。本发明可适合用于各种防水型电子测量器具，可以进一步降低现有涡流栅传感器对工艺的要求和提高传感器的绝对定位的可靠性，为涡流栅传感器的大批量化生产奠定坚实的基础。

Description

差动结构的组合编码式涡流栅绝对位置传感器

技术领域

本发明涉及的是一种电磁传感测量技术领域的装置，具体是一种差动结构的组合编码式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。缺点是平面线圈部分体积较大，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。缺点是平面线圈部分体积较大，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)、“具有防水功能的大量程位移传感器”(专利申请号200310122731.5)、“具有误差平均效应的涡流栅绝对位置传感器”(专利申请号200810040920.0)。这种传感器利用平面线圈和反射导体的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，并通过多码道相位差技术实现绝对位置信号输出，并成功用于防水型电子数显卡尺。但是，由于制造误差和安装精度等方面的原因，这种传感器仍然存在容易出现大数误差的现象，即绝对定位精度不高，可靠性不好的弊端。

经过检索现有文献发现，“组合编码式涡流栅绝对位置传感器”(专利申请号201010154489.X)针对第四种传感器的绝对定位不可靠的问题进行了改进。该方法取消了通过双码道相位差技术绝对位置的方式，采用一维循环编码的方法实现了传感器的绝对定位。这种传感器在很大程度上改善了涡流栅传感器绝对定位可靠性不好的问题，降低了对工艺的要求。但是，由于在单个线圈下横向电涡流效应存在严重的非线性特性，并受线圈与反射线圈道题之间间隙变化的影响明显，使得绝对定位码道的信号输出依然存在很大的不确定性，仍然不能完全杜绝编码出现错误的可能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种具有差动结构的组合编码式涡流栅绝对位置传感器，可适合用于各种防水型电子测量器具，可以进一步降低绝对编码式涡流栅传感器对工艺的要求，提高传感器的绝对定位的可靠性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：定栅、动栅和电路系统，其中：动栅与电路系统相连接，且动栅活动设置于定栅上。

所述的定栅由相互平行的三个码道组成，分别是一个测量码道和两个编码码道。

所述的定栅上的测量码道上设有若干个等高且等间距分布的金属导体，相邻金属导体的间距为测量码道波长。

所述的定栅上的编码码道上设有若干个等高的金属导体，并按照编码周期进行排列，编码周期为编码码道波长。编码码道波长等于测量码道半波长的整数倍。

所述的动栅同样由相互平行的三个码道组成，分别是一个测量码道和两个编码码道，且动栅上的测量码道和编码码道分别正对定栅的上测量码道和编码码道。动栅上的测量码道和两个编码码道分别设有若干个平面线圈，其中：位于测量码道上的平面线圈数量为偶数，且相邻平面线圈的间距等于测量码道半波长的整数倍；位于编码码道上的平面线圈的数量与所述编码规则的位数相同且等间距分布，且间隔为编码码道半波长的整数倍。

所述的码道的相互位置关系可有多种形式，其中包括：两条编码码道分别并列设置于测量码道和从测量码道的一侧、或平行分列设置于测量码道的两侧、或叠加设置于测量码道和从测量码道的一侧。

(1)并列双码道形式(两个编码码道平行并列布置在测量码道的同一侧)

在定栅上，两条编码码道上的金属导体按照互为反码的规律设置，且同一编码码道中相邻金属导体的间距为测量码道半波长的整数倍；与测量码道相邻的编码码道上金属导体与测量码道上金属导体的空间相位差为测量码道波长的四分之一的整数倍。

在动栅上，两条编码码道上的平面线圈按照相同规律同步布置，排列间隔与初始位置完全相同。

在这种情况下，当动栅相对定栅移动到任意某个位置时，动栅上并列布置的两个编码码道的对应的两个平面线圈与定栅上对应的两个编码码道的金属导体分别处于相反的对应状态(平面线圈与金属导体完全相对或者完全错开)，因而这两个平面线圈的阻抗高低也恰好相反。这两个平面线圈的输出信号经过差动放大电路后相减，形成一个新的信号。这个新的信号的幅值更高，是两个平面线圈输出信号的两倍，而且可以显著减小振荡器的波动、电源的波动、空间电磁场的干扰、温度波动等等干扰的影响。因而，定位的可靠性更高，更容易满足定位要求，从而降低制造工艺要求。

(2)对称双码道形式(两个编码码道平行分列布置在测量码道的两侧)

在定栅上，两个编码码道上的金属导体按照互为反码的规律布置，且同一编码码道中相邻金属导体的间距与测量码道半波长为整数倍；金属导体与金属导体的空间相位差为测量码道波长四分之一的整数倍。

在动栅上，两个对称布置的编码码道上的平面线圈按照相同规律同步布置，排列间隔与初始位置完全相同。

在这种情况下，当动栅相对定栅移动到任意某个位置时，动栅上两个对称布置的编码码道的对应的两个平面线圈与金属导体分别处于相反的对应状态(平面线圈与金属导体完全相对或者完全错开)，因而这两个平面线圈的阻抗高低也恰好相反，同样可以形成差动结构。

(3)层叠双码道形式(两个编码码道重叠布置于测量码道一侧)

在定栅上，两个编码码道合为一个编码码道，金属导体与金属导体的空间相位差为测量码道波长四分之一的整数倍；

在动栅上，两个编码码道沿测量方向交错设置，交错的位移为编码码道波长的1/2。

在这种情况下，当动栅相对定栅移动到任意某个位置时，动栅编码码道上两个错开1/2编码码道波长布置的平面线圈与定栅上编码码道的金属导体分别处于相反的对应状态(平面线圈与金属导体完全相对或者完全错开)，因而这两个平面线圈的阻抗高低也恰好相反，同样可以形成差动结构。

所述的电路系统包括：多路模拟开关、振荡器、调理器、采样保持单元、A/D转换电路和微处理器，其中：多路模拟开关与振荡器相连接用以将多个平面线圈在微处理器的控制下分时接入振荡器中，振荡器与调理器相连接用以将振荡器输出的信号进行调理，调理器的输出端与采样保持单元的输入端相连并在微处理器的控制下进行采样和保持，采样保持单元的输出端依次与A/D转换电路和微处理器相连以完成模拟信号到数字信号的转换，微处理器输出传感器的绝对位置。

当动栅相对定栅移动到任意某个位置时，动栅上编码码道的一系列平面线圈与金属导体分别处于不同的对应状态(平面线圈与金属导体完全相对、完全错开或者出于中间状态)，这些幅值高低不同的模拟信号经数字化处理后变为高低电平信号，由此可以得到数字编码结果。通过合理设计编码规则，保证在整个测量范围内编码是唯一的，就可以实现绝对编码，进而实现传感器绝对位置的定位。

附图说明

图1是并列双码道形式的组合编码式涡流栅绝对位移传感器示意图。

图2是对称双码道形式的组合编码式涡流栅绝对位移传感器示意图。

图3是层叠双码道形式的组合编码式涡流栅绝对位移传感器示意图

图4是差动结构和非差动结构时编码码道输出信号比较图

图5是差动结构和非差动结构时编码码道输出信号误差比较图

图中，10为定栅，20为动栅，30为电路系统，11为金属导体，21为平面线圈，100为定栅测量码道，110和120为定栅编码码道，102为测量码道波长，200为动栅测量码道，210和220为动栅定位码道，204为编码码道波长。

具体实施方式

下面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所示为并列双码道形式的组合编码式涡流栅绝对位移传感器的实施例。本实施例的传感器包括：定栅10、动栅20和电路系统30，其中：动栅20活动设置于定栅10上并与电路系统30相连接以输出传感信号。

所述的定栅10可采用印制电路板工艺制作，包括有相互平行的三个码道：测量码道100和编码码道110与120，两个编码码道110与120并列布置在测量码道100的同一侧，互相平行并与测量码道100平行。所述的测量码道100上设有若干个等间距分布且等高的金属导体11，相邻金属导体的间距为测量码道波长102。编码码道110与120上的金属导体11是按照互为反码的规律布置，即一个编码码道110上如果有金属导体11，则相邻的另一编码码道120上则没有金属导体11。所述的编码码道210与220上也设有若干个独立的金属导体11，这些金属导体11等高但是分布不均匀，分布规律符合一定的编码规则。编码码道110与120的波长104等于测量码道波长102。编码码道110上的金属导体11和与它最近的测量码道100上的金属导体11的空间相位差103等于测量码道波长102的四分之一。

所述的动栅20也包括相互平行的三个码道：测量码道200和编码码道210与220，分别与定栅10的测量码道100与编码码道110与120相对应。每个编码码道相邻平面线圈的间距204等于编码码道波长104，两个并列布置的编码码道210与220的平面线圈21按照相同规律同步布置，完全相同。测量码道200上的平面线圈21可以分为多组，每组平面线圈又是由多个相位一致的平面线圈21以串联的方式连接在一起组成的，在测量方向上相邻平面线圈之间的中心距离201等于测量码道波长102的二分之一。

在这种情况下，当动栅20相对定栅10移动到任意某个位置时，动栅20上并列布置的两个编码码道210与220的对应的两个平面线圈21与定栅10上对应的两个编码码道110与120的金属导体11分别处于相反的对应状态(平面线圈21与金属导体11完全相对或者完全错开)，因而这两个平面线圈21的阻抗高低也恰好相反。这两个平面线圈21的输出信号经过电路系统30里的差动放大电路后相减，形成一个新的信号。这个新的信号的幅值更高，是两个平面线圈21输出信号的两倍，而且可以显著减小振荡器的波动、电源的波动、空间电磁场的干扰、温度波动等等干扰的影响。因而，定位的可靠性更高，更容易满足定位要求，从而降低制造工艺要求。

如图2所示为对称双码道形式的组合编码式涡流栅绝对位移传感器的实施例。所述的两个编码码道对称布置在测量码道的两侧，互相平行并与测量码道平行。

在所述的定栅10上，两个对称布置的编码码道110与120上的金属导体11按照互为反码的规律布置，即一个编码码道110上如果有金属导体11，则对称的另一编码码道120则没有金属导体11。编码码道110与120的波长与测量码道100的半波长符合整数倍的关系，与测量码道100相邻的编码码道110与120金属导体与测量码道100金属导体11的空间相位差可以是测量码道100波长四分之一的整数倍。

在所述的动栅20上，每个编码码道相邻平面线圈的间距可以是编码码道波长的整数倍，而两个对称布置的编码码道210与220的平面线圈21按照相同规律同步布置，完全相同。

在这种情况下，当动栅20相对定栅10移动到任意某个位置时，动栅20上两个对称布置的编码码道210与220的对应的两个平面线圈21与定栅10上对应的编码码道110和120的金属导体11分别处于相反的对应状态(平面线圈21与金属导体11完全相对或者完全错开)，因而这两个平面线圈21的阻抗高低也恰好相反，同样可以形成差动结构。

如图3所示为层叠双码道形式的组合编码式涡流栅绝对位移传感器的实施例。所述的两个编码码道重叠在一起，布置在测量码道的一侧，与测量码道平行。

在所述的定栅10上，两个编码码道110和120合成一个编码码道110。编码码道110的波长与测量码道100的半波长符合整数倍的关系，编码码道110的金属导体11与测量码道100的金属导体11的空间相位差可以是测量码道100波长四分之一的整数倍。在所述的动栅20上，两个编码码道210与220重叠在一起，但是沿测量方向错开编码码道波长的1/2。

在这种情况下，当动栅20相对定栅10移动到任意某个位置时，动栅20上两个错开1/2波长布置的编码码道210与220的两个平面线圈21与定栅10上编码码道110上金属导体11分别处于相反的对应状态(平面线圈21与金属导体11完全相对或者完全错开)，因而这两个平面线圈21的阻抗高低也恰好相反，同样可以形成差动结构。

图4和图5分别为非差动结构和差动结构下编码码道输出信号和误差曲线对比示意图。

在图4中，300为理想的编码码道输出信号，301为非差动结构的编码码道的输出信号归一化后曲线，302则是差动结构的编码码道的输出信号归一化后曲线。由图中可知，由于横向电涡流的非线性特性，非差动结构时编码码道输出信号在特定位置段偏移理论输出信号更远，采用差动结构后，输出信号有较大改善。

在图5中，303是非差动结构的编码码道的输出信号误差曲线，304是差动结构的编码码道的输出信号误差曲线。由图中可知，非差动结构的编码码道输出信号误差在特定位置超出了允许的±0.2误差限，导致在这些位置的编码绝对定位可能出现错误。而差动结构的编码码道输出信号误差明显小于非差动结构下编码码道输出信号误差，也不存在有位置点误差超差的可能。因此通过采用互为反码的编码码道，进一步提高了编码码道绝对定位的可靠性和降低了对制作工艺的要求。

Claims

1.一种具有差动结构的组合编码式涡流栅绝对位置传感器，包括：定栅、动栅和电路系统，其中：动栅与电路系统相连接，且动栅活动设置于定栅上，其特征在于：

所述的定栅由相互平行的三个码道组成，分别是一个测量码道和两个编码码道；

所述的定栅上的测量码道上设有若干个等高且等间距分布的金属导体，相邻金属导体的间距为测量码道波长；

所述的定栅上的编码码道上设有若干个等高的金属导体，并按照编码周期进行排列，编码周期为编码码道波长，编码码道波长等于测量码道半波长的整数倍；

所述的动栅由相互平行的三个码道组成，分别是一个测量码道和两个编码码道，动栅上的测量码道正对定栅上的测量码道，编码码道正对定栅上的编码码道；

所述的动栅上的测量码道和两个编码码道分别设有若干个平面线圈，其中：位于测量码道上的平面线圈数量为偶数，且相邻平面线圈的间距等于测量码道半波长的整数倍；位于编码码道上的平面线圈的数量与使用的编码规则的位数相同且等间距分布，且间隔为编码码道半波长的整数倍；动栅上并列布置的两个编码码道的对应的两个平面线圈与定栅上对应的两个编码码道的金属导体分别处于相反的对应状态，即完全相对或者完全错开；

所述的定栅的码道和动栅的码道的相互位置关系可有多种形式，其中包括：两个编码码道并列布置在测量码道的同一侧，两个编码码道互相平行并与测量码道平行的并列双码道形式、或平行分列设置于测量码道的两侧的对称双码道形式、或两个编码码道重叠在一起布置在测量码道的一侧且与测量码道平行的层叠双码道形式；

所述的并列双码道形式中，在定栅上，两条编码码道上的金属导体按照互为反码的规律设置，且同一编码码道中相邻金属导体的间距为测量码道半波长的整数倍；与测量码道相邻的编码码道上金属导体与测量码道上金属导体的空间相位差为测量码道波长的四分之一的整数倍；在动栅上，两条编码码道上的平面线圈按照相同规律同步布置，排列间隔与初始位置完全相同。

2.根据权利要求1所述的具有差动结构的组合编码式涡流栅绝对位置传感器，其特征是，所述的对称双码道形式中，在定栅上，两个编码码道上的金属导体按照互为反码的规律布置，且同一编码码道中相邻金属导体的间距与测量码道半波长为整数倍；金属导体与金属导体的空间相位差为测量码道波长四分之一的整数倍；在动栅上，两个对称布置的编码码道上的平面线圈按照相同规律同步布置，排列间隔与初始位置完全相同。

3.根据权利要求1所述的具有差动结构的组合编码式涡流栅绝对位置传感器，其特征是，所述的层叠双码道形式中，在定栅上，两个编码码道合为一个编码码道，金属导体与金属导体的空间相位差为测量码道波长四分之一的整数倍；在动栅上，两个编码码道沿测量方向交错设置，交错的位移为编码码道波长的1/2。

4.根据权利要求1所述的具有差动结构的组合编码式涡流栅绝对位置传感器，其特征是，所述的电路系统包括：多路模拟开关、振荡器、调理器、采样保持单元、A/D转换电路和微处理器，其中：多路模拟开关与振荡器相连接用以将多个平面线圈在微处理器的控制下分时接入振荡器中，振荡器与调理器相连接用以将振荡器输出的信号进行调理，调理器的输出端与采样保持单元的输入端相连并在微处理器的控制下进行采样和保持，采样保持单元的输出端依次与A/D转换电路和微处理器相连以完成模拟信号到数字信号的转换，微处理器输出传感器的绝对位置。