CN103256886B - 一种平面弦线角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种平面弦线角位移传感器，包括定子和动子，所述定子采用弦线平面绕组，由A、B、C三相绕组在空间上互差2τ/3作为感应绕组，每相绕组由若干根极距为τ的导电绕组构成；所述动子采用等极距的矩形平面绕组串联成单相绕组，作为激励绕组；所述传感器通过动子激励绕组产生的激励磁场，在定子感应绕组上感应产生与位移呈精确函数关系，且相位互差120°的三相感应电势信号。本发明可以提高传感器的对极数，提高感应信号质量，从源头上提高位移测量精度。

Description

一种平面弦线角位移传感器

技术领域

本发明属于精密位移测量领域，具体涉及一种角位移精密测量装置。

背景技术

角位移传感器是角位移测量元件。目前广泛采用的位移传感器是以“空间精密刻划”技术为基础的栅式位移传感器，典型代表包括光栅、感应同步器、磁栅、容栅、球栅和时栅等。这类传感器都利用各种精密制造技术在空间形成精而密的栅线作为测量基准，增加空间刻线密度，对极数越多，位移测量精度越高。但是，在有限的空间内，传统的加工方法提高传感器的槽数是很困难的。

发明内容

本发明针对上述问题，发明一种角位移传感器，提高传感器的对极数，提高感应信号质量，从源头上提高位移测量精度。

本发明采用的技术方案如下：

一种平面弦线角位移传感器，包括动子和定子。其中所述定子采用弦线平面绕组，由A、B、C三相绕组在空间上互差2τ/3作为感应绕组，每相绕组由若干根极距为τ的导电绕组构成。所述动子采用等极距的矩形平面绕组串联成单相绕组，作为激励绕组。所述传感器通过动子激励绕组产生的激励磁场，在定子弦线平面绕组上感应产生与角位移呈函数关系的相位互差120°的三相感应电势信号。

本发明的弦线绕组采用MEMS技术在定子的圆周平面上呈正弦形状刻线获得，矩形平面绕组是采用MEMS技术在动子的圆周平面上呈矩形形状刻线获得。通过MEMS光刻技术，增加绕组刻线密度和对极数，减小传感器体积，可以消除感应电势的偶数次、3和5次谐波等高次谐波。

本发明利用传感器定子和动子两个平面形绕组的互感随位置而变化的电磁感应原理，以及脉振磁场下三组感应信号(时间、空间调制信号)解调原理，得出将定、动子间的机械位移量精确转换成相应的电信号。

与现有技术比较，本发明的优点是：

(1)采用的定子绕组是三相正弦形状绕组，感应产生输出互差120°的三相感应电势，对感应信号的高次谐波有很好的抑制作用，从源头提高了感应信号质量；

(2)采用MEMS光刻技术形成平面线圈绕组，增加传感器绕组导线密度，提高导线精度，增加了对极数，位移检测精度更高；

(3)通过电磁场仿真理论分析，针对新型弦线位移传感器机械结构、材料和绕组参数等，可以建立更精确位移测量的数学模型。

综上所述，本发明提出了利用定子和动子两个平面形绕组的互感随位置而变化的电磁感应原理，将位移精确地转换成电信号。采用MEMS光刻技术，在平面上加工动子激励绕组和正弦形状的感应绕组，提高传感器的对极数，提高感应信号质量，从源头上提高位移测量精度。

附图说明

图1是圆形平面弦线位移传感器的布线示意图；

图2是定子布线图；

图3是动子布线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

参见图2，定子采用平面弦线绕组，由A、B、C三相绕组组成，它们在空间上互差2τ/3布置，作为传感器的感应绕组，每相绕组由若干根极距为τ的导电绕组构成。即每一相绕组的极距为τ，B相绕组与A相绕组相差2τ/3,C相绕组与B相绕组相差2τ/3。其连线顺序是：A相1-2-3-4；B相1-2-3-4；C相1-2-3-4。

参见图3，动子采用为矩形形状的平面绕组，由许多具有一定宽度的极距为τ的矩形串联组成单相绕组，作为传感器的激励绕组。

以上的绕组加工方法是：采用MEMS加工工艺形成平面绕组，在定子、动子的基体端面上粘接硅片，在硅片上均匀刻线形成导电绕组，其中动子硅片以极距为τ刻线，形状为矩形。定子硅片刻A、B、C三相导电绕组，且绕组采用正弦形状刻线，每相绕组由若干根极距为τ导电绕组构成，A、B、C三相导电绕组在空间上互差2τ/3。通过MEMS工艺τ可以刻得越小，极对数越多，精度越高。

参见图1，定子和动子组成角位移传感器，图中虚线l是动子布线，实线是定子布线，定子的三相绕组各差2τ/3。动子的激励绕组产生激励信号，定子弦线绕组感应产生三相感应电势信号，相位成120°。

在定子上的A、B、C三根绕组由于电磁场的作用，产生感应电势

E_A＝E_mωcos(nθ)sinωt

$E_B=E_m\mathrm{\ω}cos(n\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})sin\mathrm{\ω}t$

$E_c=E_m\mathrm{\ω}cos(n\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})sin\mathrm{\ω}t$

其中Em为定子弦线绕组感应电势最大幅值；

对E_A、E_B、E_C感应信号的相位分别移相0°、120°、240°，并把三个信号相加：

$E_m\mathrm{\ω}\cos \left(n\mathrm{\θ}\right)\sin \mathrm{\ω}t+E_m\mathrm{\ω}\cos (n\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\sin (\mathrm{\ω}t-\frac{2\mathrm{\π}}{3})+E_m\mathrm{\ω}\cos (n\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\sin (\mathrm{\ω}t-\frac{4\mathrm{\π}}{3})$

通过三角函数公式化简得到三个信号相加之和为

$\frac{3}{2}{E}_m\mathrm{\ω}\sin (\mathrm{\ω}t-n\mathrm{\θ})$

因此通过检测感应信号的nθ相位,n为对极数，就能得到空间角度位移θ。

本发明采用MEMS光刻方式加工绕组，实际加工中可以增加对极数，定子实现正弦形状绕组。可以提高原始输出信号的精度，也可以缩小传感器的体积。

通过在动子上施加激励信号，产生脉振磁场，在定子上的A、B、C三根弦线绕组由于电磁场的作用，产生三相感应电势,建立电势、空间、时间的数学模型，其是一种高精度位移测量理论模型。

Claims (1)

1.一种平面弦线角位移传感器，包括定子和动子，其特征在于：所述定子采用弦线平面绕组，由A、B、C三相绕组在空间上互差2τ/3作为感应绕组，每相绕组由若干根极距为τ的导电绕组构成；所述动子采用等极距的矩形平面绕组串联成单相绕组，作为激励绕组；所述传感器通过动子激励绕组产生的激励磁场，在定子感应绕组上感应产生与位移呈精确函数关系，且相位互差120°的三相感应电势信号；

所述定子的弦线平面绕组是采用MEMS技术在定子的圆周平面上呈正弦形状刻线而获得，动子的矩形平面绕组是采用MEMS技术在动子的圆周平面上呈矩形形状刻线而获得；

在定子上的A、B、C三相绕组由于电磁场的作用，产生感应电势

E_A＝E_mωcos(nθ)sinωt

$E_B=E_m\mathrm{\ω}cos(n\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\sin \mathrm{\ω}t$

$E_c=E_m\mathrm{\ω}cos(n\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})sin\mathrm{\ω}t$

其中Em为定子弦线绕组感应电势最大幅值；

对E_A、E_B、E_C感应信号的相位分别移相0°、120°、240°，并把三个信号相加：

$E_m\mathrm{\ω}\cos \left(n\mathrm{\θ}\right)\sin \mathrm{\ω}t+E_m\mathrm{\ω}cos(n\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\sin (\mathrm{\ω}t-\frac{2\mathrm{\π}}{3})+E_m\mathrm{\ω}cos(n\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\sin (\mathrm{\ω}t-\frac{4\mathrm{\π}}{3})$

通过三角函数公式化简得到三个信号相加之和为

$\frac{3}{2}{E}_m\mathrm{\ω}\sin (\mathrm{\ω}t-n\mathrm{\θ})$

因此通过检测感应信号的nθ相位,n为对极数，就能得到空间角度位移θ。