CN103278082B - 一种平面弦线直线位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种平面弦线直线位移传感器，包括定尺和测头，在定尺和测头基体上粘接硅片，在硅片上采用MENS光刻技术均匀刻线形成导电绕组，其中定尺上导电绕组为单相，形状为矩形，测头上的导电绕组为互相错开1/3极距的三相正弦形绕组，定尺绕组和测头绕组相对平行放置。当在定尺绕组中通以正弦激励信号，则在三相测头绕组中产生三路感应信号，将三路感应信号分别按时间移相0°、120°和240°后相加即可得到电行波信号，电行波信号的相位直接与直线位移量相对应。本发明具有精度高、重量轻、体积小、功耗低的优点。

Description

一种平面弦线直线位移传感器

技术领域

本发明属于直线位移传感器技术。

背景技术

现有的直线位移测量传感器以光栅、磁栅和感应同步器为主要代表，原理均为基于空间刻划技术，通过对栅线数的累计计数得到位移量。为了实现高精度的测量，就必须要有高精密的刻划技术，而刻划技术已逼近极限，为了克服这个问题，现在主要采用电子细分技术，从而导致传感器的高制造成本，且抗干扰力差。

近年来同行研制了一种以时间脉冲为测量基准的时栅位移传感器，把动、定测头所反映的空间位置差表现为一段时间差进行测量，即用时间量测量空间量，摒弃了空间刻划技术。此传感器通过在导磁材料上刻槽，在槽齿内嵌入多匝导电线圈形成导电绕组，极对数为槽数的1/3。但是，由于无法在有限的尺寸范围内开更多的槽齿，造成这种结构的时栅极对数比较少，一般只有几十个对极，且由于是导磁材料，质量较重。绕圈的绕线形式为矩形绕线方式，输出信号中含有大量的高次谐波成份，原始信号质量不高，且由于制作工艺需要绕线，导致生产效率低。另外，由于激励线圈匝数较多，需要对激励电源进行功率放大，导致时栅直线位移传感器的功耗大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述传感器的不足，提出一种平面弦线直线位移传感器，以使传感器具有精度高、质量轻、体积小、功耗低等优点。

本发明的技术方案如下：

一种平面弦线的直线位移传感器，包括定尺和测头两部分。所述定尺为固定部件，测头为运动部件，定尺和测头有相对运动。在定尺和测头的基体上粘接硅片，在硅片上采用MEMS光刻技术均匀刻线形成平面导电绕组，其中定尺上导电绕组为单相，形状为矩形，测头上的导电绕组为三相，每两相绕组之间在空间上相差1/3个极距即120°空间相位角，形状均为正弦形，定尺绕组和测头绕组相对平行布置。所述定尺绕组作为激励绕组，测头绕组作为感应绕组。

当在定尺绕组中通以正弦激励信号，将在测头的三相绕组上分别感应出三路感应信号，将三路感应信号分别时间移相0°、120°和240°后再相加即可得到电行波信号，电行波信号的相位和直线位移量相对应，通过检测电行波信号的相位量即可得到直线位移量。

本发明由于采用了MEMS光刻技术形成线圈绕组，刻线密度增加、刻线尺寸精确、对极数增加，传感器的测量精度随之提高。由于测头绕组采用了正弦形，避免了感应信号的大量高次谐波成分，提高了原始信号质量，从而提高测量精度，同时传感器重量轻，体积小，功耗低。

附图说明

图1平面弦线直线位移传感器结构示意图；

图2 A相测头绕组感应信号波形图；

图3信号处理电路框图。

具体实施方式

本传感器采用MEMS光刻技术，在硅片上均匀刻线形成导电绕组，其中定尺绕组为单相，矩形，测头绕组为三相，正弦形，在定尺绕组上加正弦激励，利用定尺和测头两个平面形绕组的互感随位置而变化的电磁感应原理获取信号，将直线位移量转换成电信号。以下结合附图详细说明本发明：

如图1所示，传感器由定尺1和测头2两部分组成，在定尺、测头基体上粘接硅片，在硅片上采用MEMS光刻技术均匀刻线形成导电绕组，分别为激励绕组11和感应绕组22。定尺和测头导电绕组具有相同的极距W，其中定尺导电绕组为单相绕组，形状为矩形，测头导电绕组为A、B、C三相绕组，形状均为正弦形，且每两相绕组之间相差1/3个极距即120°空间相位，定尺绕组和测头绕组相对平行。

当在定尺的激励绕组中通以激励信号e＝Esinωt，则在测头的A、B、C三相感应绕组上将分别产生的感应信号为：

$e_A=\mathrm{KE}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}\·x}{W}\right)\sin \mathrm{\ωt}$

式中：K为互感系数，x为定尺和测头的相对位移，W为绕组极距。

其中A相感应信号如图2所示。信号处理电路框图如图3所示，将A、B、C三相感应信号分别在时间上移相0°、120°和240°后即可得到：

$e_A^{\′}=\mathrm{KE}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}\·x}{W}\right)\sin \mathrm{\ωt}$

将三相经时间相移后的信号相加即可得到电行波信号：

$e_A^{\′}+e_B^{\′}+e_C^{\′}=e_O=\frac{3}{2}\mathrm{KE}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}\·x}{W})$

从(1)式可以看出，此传感器的输出的电信号以1个极距W为周期，相位量和直线位移量相对应，通过检测电行波信号的相位量即可得到直线位移量。

Claims (1)

1.一种平面弦线直线位移传感器，包括定尺和测头，其特征在于：在定尺和测头上都粘接硅片，在硅片上采用MEMS光刻技术均匀刻线形成导电绕组，其中定尺导电绕组为单相，形状为矩形，测头导电绕组为三相，形状均为正弦形，测头的三相绕组在空间上互差120°相位即W/3极距以形成空间正交，定尺绕组和测头绕组具有相同的极距W，且相对平行布置；所述定尺绕组作为激励绕组，测头绕组作为感应绕组；当对定尺绕组通以正弦激励信号，在测头的三相绕组上将分别产生三路感应信号，将三路感应信号分别时间移相0°、120°和240°后相加即可得到电行波信号，电行波信号的相位和直线位移量相对应，通过检测电行波信号的相位量即可得到直线位移量；

当在定尺的激励绕组中通以激励信号e＝Esinωt，则在测头的A、B、C三相感应绕组上将分别产生的感应信号为：

$e_A=KEcos\left(\frac{2\mathrm{\π}\·x}{W}\right)sin\mathrm{\α}$

式中：K为互感系数，x为定尺和测头的相对位移，W为绕组极距；

将A、B、C三相感应信号分别在时间上移相0°、120°和240°后即可得到：

$e_A^{\′}=KEcos\left(\frac{2\mathrm{\π}\·x}{W}\right)sin\mathrm{\ω}t$

将三相经时间相移后的信号相加即可得到电行波信号：

$e_A^{\′}+e_B^{\′}+e_C^{\′}=e_O=\frac{3}{2}KE\sin (\mathrm{\ω}t-\frac{2\mathrm{\π}\·x}{W})---\left(1\right)$

从(1)式可以看出，此传感器的输出的电信号以1个极距W为周期，相位量和直线位移量相对应，通过检测电行波信号的相位量即可得到直线位移量。