CN102359753A

CN102359753A - 一种直线位移传感器

Info

Publication number: CN102359753A
Application number: CN2011102118004A
Authority: CN
Inventors: 彭东林; 陈锡侯; 刘小康; 杨继森; 高忠华; 郑方燕; 张天恒; 郑永
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2012-02-22

Abstract

本发明提出一种直线位移传感器，属于位移精密测量领域。传感器由两部分基体构成，分为长尺和短尺；在一尺基体上同时绕有激励线圈及感应线圈；而在另一尺基体上有一排等分间隔的导磁体排列，其上不绕线；激励线圈连接激励电源，在感应线圈上产生感应信号；当短尺和长尺发生相对运动时，因磁通发生变化而使感应信号幅值发生变化；激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到调理电路处理后再送到信号处理电路作鉴幅或鉴相处理，信号的幅值差或相位差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成直线位移值，直接或经微处理器及存储器进行误差修正等处理后用作直线位移数据显示或输出。

Description

一种直线位移传感器

技术领域

本发明属于位移精密测量领域。

背景技术

直线位移和角位移测量是最基本、最普通的测量。为了兼顾测量分辨率和量程，许多位移传感器采用了在基体上精密刻线的栅式结构，如光栅、磁栅等，对其在运动过程中发出的脉冲信号进行累加计数，即实现位移测量。高精度高密度的刻线引起很多问题，一方面刻线越密，就越容易受到污染。无论怎么密封保护，在生产现场恶劣工况下，其微小的粉尘水气都可能污染栅线，使之计数失效。另一方面，刻线不可能无限地密，而现有的密度远不能满足分辨力的要求，因此被迫普遍采用电子细分箱，系统结构复杂。加上高精度的刻线工艺，使成本居高不下。综上所述，现有栅式位移传感器存在的缺点是：结构复杂、价格高、抗干扰力差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于直线位移测量的直线位移传感器，不用精密刻线，不用电子细分箱，而以时钟脉冲作为位移计量基准，因而结构简单、成本低、分辨力高、抗干扰力强。

本发明的技术方案是：

一种直线位移传感器，所述传感器由两部分尺基体构成，分为长尺基体和短尺基体；其特征在于：

在一尺基体上同时绕有2组或3组由激励线圈及感应线圈组成的电磁感应线圈组；而在另一尺基体上等分间隔排列有导磁体，其上不绕线；

每组电磁感应线圈组的结构、尺寸、线圈参数均相同，电磁感应线圈组之间并行或串行安装，并与另一尺基体的导磁体位置相对，且电磁感应线圈组之间相对于导磁体的齿的周期性位置错开90°或120°（即相对于导磁体的周期性节距错开90°或120°），正交排列，即对于两组电磁感应线圈组，电磁感应线圈组之间错开距离为1/4导磁体周期性节距，对于三组电磁感应线圈，电磁感应线圈组之间错开距离为1/3导磁体周期性节距。

激励线圈连接激励电源，在感应线圈上产生感应信号；当两尺基体发生相对运动时，因磁通发生变化而使感应信号幅值发生变化；激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到调理电路处理后再送到信号处理电路作鉴幅或鉴相处理，信号的幅值差或相位差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成直线位移值，直接或经微处理器及存储器进行误差修正等处理后用作直线位移数据显示或输出。

本传感器具有结构简单、成本低、分辨力高、抗干扰力强、易于产品化的优点。

附图说明

图1（a）和图1（b）是按时间正交的2相和3相交流电信号；

图2(a)和图2（b）是按空间正交安置的A、B、C线圈示意图；

图3(a)和图3（b）是2相型直线位移传感器的长短尺示意图；

图4是线圈与齿条磁链示意图；

图5 是2相型直线位移传感器原理框图；

图6 是3相型直线位移传感器的长短尺示意图；其中图6(a) 是3组线圈并行安放示意图，图6(b) 是3组线圈串行安放示意图；

图7(a) 是短尺作为绕线尺，并排对齐排列，长尺作为非绕线尺，错位并排排列；

图7(b) 是长尺作为绕线尺，错位并排排列，短尺作为非绕线尺，对齐的两列连成一体；

图7(c) 是长尺作为绕线尺，错位并排排列，短尺作为非绕线尺，对齐并排排列；

图7(d) 是长尺作为绕线尺，并排对齐排列，短尺作为非绕线尺，错位并排排列。

具体实施方式

如图3、图4、图5所示，传感器由两部分基体构成，分为长尺基体1和短尺基体2。在短尺基体上同时绕有两组由激励线圈和感应线圈组成的电磁感应线圈组，而在长尺基体上有一排等分间隔排列布置的导磁体（即见图中的齿），其上不绕线，即本例将短尺作为绕线尺，将长尺作为非绕线尺。2个激励线圈连接2相激励电源，而在2个感应线圈上产生感应信号，即本例是以2相为例。当短尺基体和长尺基体发生相对运动时，因磁通发生变化而使感应信号幅值发生变化；激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到调理电路处理后再送到信号处理电路作鉴幅或鉴相处理，信号的相位差或幅值差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成直线位移值，直接或经微处理器及存储器处理后用作直线位移数据显示或输出。

根据众所周知的交变电磁场原理，在2或3路(特殊情况下还可以是多路)空间正交排列的线圈之中，通以2或3相时间正交的交流电源，就可以获得一个驻波或匀速运动的行波磁场，这也就是单相(通过裂相成为2相)和3相交流电机的原理。只要有一个匀速(直线或回转)运动的行波电磁场，或者两个驻波电磁场就可以为位移测量提供信息。

一个行波可以分解成两个驻波(拍频波)，反过来也可以由两个驻波合成一个行波。本发明就是要提出一种新的结构形式，利用空间正交线圈通以时间正交电流，同时获得驻波和行波。再采用通用的鉴幅(针对驻波而言)或鉴相(针对行波而言)技术达到精密位移测量的目的。

科技工程上有一个术语叫“正交”，常见的有交流电信号中的2相正交和3相正交，如图1(a)和图1(b)所示，它们表现的是一组(2个或3个)周期性等时间间隔的物理现象，发生的时间t相对于周期(360°)来说，错开1/4周期(90°)或1/3周期(120°)。例如按和变化的2相交流电，它们就是按互差90°周期的时间差错开发生，称为2相正交。

同样的道理，对于一些按空间“周期性”排列，也就是按空间等距离划分的物体，(例如后面图3所示的齿条形等分导磁体)若按图2所示布置A、B或A、B、C线圈，无论它们是并行或串行，均匀排列或非均匀排列，在一个周期内排列或在不同周期内排列，只要它们相对于齿的周期性位置错开90°或120°，即称为“正交排列”。在实用中，不是看它物理空间位置是否准确(这也无法精确判断)，而是以示波器上观察它们产生的时间信号是否达到如图1所示的正交。

本发明中，每组电磁感应线圈组的结构、尺寸、线圈参数均相同，电磁感应线圈组之间并行或串行安装，并与另一尺基体的导磁体位置相对，且电磁感应线圈组之间相对于导磁体的周期性节距错开90°或120°，即对于两组电磁感应线圈组，电磁感应线圈组之间错开距离为1/4导磁体周期性节距，对于三组电磁感应线圈，电磁感应线圈组之间错开距离为1/3导磁体周期性节距。

这里说的周期性节距指对于电磁感应线圈组中任一组感应线圈组产生的感应信号幅值发生一个周期性变化所需要经过的等分间隔排列导磁体的空间距离。

为叙述简便，这里以2相型(2组正交线圈配2相正交电源)直线传感器原理为例进行描述。

本例短尺由2组线圈并行或串行安放构成，如图3所示。

每组线圈的骨架上同时绕有激励线圈和感应线圈，按一定的方向绕制，与长尺基体共同形成交变感应磁链，如图4中黑色圆圈所代表。此处的长尺基体1由导磁金属等分切割而成齿条状，则齿槽中的空气构成等分非导磁间隔，而齿构成等分导磁体。当短尺基体2与长尺基体1发生相对运动时，因磁路发生周期性的变化(随运动速度而定)而使感应线圈信号的幅值发生周期性变化而形成驻波。图2中每组线圈齿数越多、线圈个数越多，信号越强，均化效果越好，但短尺加长使有效行程会随之而缩短。

如图3（a）和图3（b）所示，2组线圈并行或串行放置，且相对于长尺基体1上开槽位置错开

Figure 2011102118004100002DEST_PATH_IMAGE003

齿距形成空间正交，再分别通以相位互差90°的

和

Figure 2011102118004100002DEST_PATH_IMAGE005

激励电源后，则在短尺基体2上的2组线圈上分别得到各自的驻波电信号，且相位互差90°。这时既可以直接对驻波进行鉴幅处理，也可以把两路驻波合成为行波再进行鉴相处理，都能得到最终所需要的直线位移值。鉴幅与鉴相技术属于常规通用技术，这里不再赘述。

本例中长尺基体1就是一根具有等分间隔导磁体排列的尺子，它在与短尺基体2作相对运动时，提供一个周期性变化的磁路，从而间接地把位移变化转化为感应信号的幅值变化或相位变化，为鉴幅或鉴相提供依据。激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到整形电路和调理电路处理后再送到信号处理电路做鉴幅或鉴相处理，两路信号的幅值差或相位差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成直线位移值，直接或经微处理器及存储器进行误差修正等处理后用作直线位移数据显示或输出。全套系统原理框图如图5所示。

2组线圈安放可以有各种变化的组合形式。如图3（a）,并行安放，则行程较大，长尺基体1的齿要宽一些。如图3（b），串行安放，则行程较短，长尺基体1的齿可以窄一些。如图6（a）和图6（b）所示，也可以采用3相线圈形式，则短尺基体2由3组线圈并行或串行安放，每组线圈的骨架齿相对于长尺基体的齿距相互之间错开120°形成空间正交，再分别通以互差120°的三相交流电流，同样可以得到感应出的驻波或行波。但这时几何尺寸更大或行程更短。如图6（a）和图6(b)所示。从原理上可以用3组以上的绕组配合3相以上的多相电源工作，但可能上述矛盾更为突出。

以上描述为本发明直线位移传感器的一种实施例，该例的特点是：（1）是以2组或3组线圈绕在短尺基体上配以2或3相激励作为绕线尺，而长尺基体作为非绕线尺或称等分间隔导磁体排列。（2）是以等分导磁体均匀分布，而绕线尺错开形成正交安装。（3）非绕线尺是以导磁金属为基体，再开槽以空气或嵌入非导磁体而构成等分导磁体排列。

本发明的特点是绕线尺和非绕线的等分导磁体位置要相对正交，因此上述例的前2个特点可以具有多种组合形式，以2相为例归纳如图7所示，其中非绕线且对齐的等分导磁体分开或连成一体是一样的效果（如图7(b)和图7(c)）。

参见图7（b）、图7（c）、图7（d）,也可以采用以长尺基体1为绕线尺,短尺基体2为等分导磁体的形式，如图7（b）、图7（c）,当长尺基体1作为绕线尺的线圈错位时，短尺基体2的等分间隔导磁体对齐。如图7（d），当长尺基体作为绕线尺的线圈对齐时，短尺基体的等分间隔导磁体错位。

非绕线尺除了上述以导磁体为基体，通过开槽而形成以非导磁的空气为等分间隔以外，也可以是以非导磁体为基体，再开槽嵌入导磁体而构成等分导磁排列。

此外，等分间隔导磁与非导磁体可以在金属整体上加工制作而成，也可以采用若干个相同尺寸的球体、圆柱体或矩形体等组合而成。导磁和非导磁体可以通过铸造、焊接、印刷电路、丝印、电镀、粘接、镶嵌等各种工艺实现。

作为传感器的信号发生装置的基体和线圈等可以按传统方式独立成为一个单元部件，而将后续信号处理电路组成一个电器箱。也可以把处理电路连同微处理器一起集成为一个传感器整体。计数器结果可以直接输出为数据或图形，也可以交由微处理器处理，从而构成智能化的传感器。本传感器可与高精度的其它同类传感器例如高精度光栅传感器进行比对实验，在进行比对实验时，可将其全程系统误差记录下来，固化在本传感器系统的存储器中，进行误差修正。在实际使用时，给出的位移数据将会是已将传感器系统误差扣除后的更精确值，使传感器精度进一步提高。

Claims

1.一种直线位移传感器，所述传感器由两部分尺基体构成，分为长尺基体和短尺基体；其特征在于：

在一尺基体上同时绕有2组或3组由激励线圈及感应线圈组成的电磁感应线圈组；而在另一尺基体上等分间隔排列布置有导磁体，其上不绕线；

每组电磁感应线圈组的结构、尺寸、线圈参数均相同，电磁感应线圈组之间并行或串行安装，并与另一尺基体的导磁体位置相对，且电磁感应线圈组之间相对于导磁体的齿的周期性位置错开90°或120°，正交排列，即对于两组电磁感应线圈组，电磁感应线圈组之间错开1/4导磁体周期性节距，对于三组电磁感应线圈，电磁感应线圈组之间错开1/3导磁体周期性节距；

所述激励线圈连接激励电源，在感应线圈上产生感应信号；当两尺基体发生相对运动时，因磁通发生变化而使感应信号幅值发生变化；激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到调理电路处理后再送到信号处理电路作鉴幅或鉴相处理，再换算成直线位移值，直接或经微处理器及存储器进行误差修正等处理后用作直线位移数据显示或输出。

2.如权利要求1所述的直线位移传感器，其特征在于：所述导磁体为一排或对齐的两排。

3.如权利要求1或2所述的直线位移传感器，其特征在于：输入的激励电源为2或3路时间正交的交流电源，在绕线尺的感应线圈上获得驻波，若再叠加则可形成行波。

4.如权利要求1或2所述直线位移传感器，其特征在于：不绕线的尺基体上的等分间隔排列布置的导磁体是由导磁材料和非导磁材料相间而形成，其等分可采用整体加工或若干等尺寸零件组装而成。

5.如权利要求3所述的直线位移传感器，其特征在于：所述存储器中固化有对本传感器进行标定后得到的全程系统误差数据，用于误差修正。