CN104019734B - 一种平面二维时栅位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种平面二维时栅位移传感器，由上下平行相对布置的定阵面和动阵面两部分构成。定阵面由定阵面基体和布置于定阵面基体表面的激励线圈组成；动阵面由动阵面基体和布置于动阵面基体表面的感应线圈组成。采用单个动阵面通过电磁感应原理获取定阵面不同位置处的磁信号，利用时空坐标转换理论，将磁信号(空间信息)转化为电信号(时间信息)进行处理，从而得到平面二维空间位移量。本发明不需要垂直安装两个直线位移传感器，不需要复杂工艺制备的二元光学器件，不需要复杂的光路设计，采用普通的半导体加工工艺制备动阵面和定阵面，因而具有结构简单、成本低、抗油污粉尘和冲击振动能力强的特点。

Description

一种平面二维时栅位移传感器

技术领域

本发明属于精密测量传感器技术领域，具体涉及一种平面二维时栅位移传感器。

背景技术

现有关于平面二维位移量测量的传感器分为两种，一种是在平面上相对互差90°垂直安装两个直线位移传感器分别获取平面二维直线位移量，另一种是采用单一传感器同时获取平面两个维度的位移量。垂直安装两个直线位移传感器会给测量系统带来阿贝误差，而且装夹定位精度对测量结果影响较大，同时占据较大空间，不利于小空间测量。现有的平面二维位移传感器包括二维光栅和二维容栅，其中二维光栅的测量精度依赖于二元光学器件的制造精度，复杂的光路设计和制造工艺使成本较高。同时二维光栅抗油污粉尘和冲击振动能力较差。二维容栅测量量程较小，且由于电容介电常数易受外界环境中的温度、湿度、油污粉尘等影响，因此传感器防护能力较差。

近年来出现了一种以时钟脉冲作为测量基准的时栅位移传感器，能在低刻化精度的条件下实现高精度测量。但目前的时栅位移传感器只能进行一维空间量(直线位移或角位移)的测量，无法实现平面二维直线位移测量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种用于平面二维位移测量的时栅位移传感器。

所述一种平面二维时栅位移传感器，由上下平行相对布置的定阵面和动阵面两部分构成。定阵面由定阵面基体和布置于定阵面基体表面的激励线圈组成；动阵面由动阵面基体和布置于动阵面基体表面的感应线圈组成。

所述激励线圈由4组激励线圈组成，它们分别布置在相互绝缘的四层中。每组激励线圈都由单层或多层相同激励线圈线阵构成，激励线圈线阵由多个相同激励线圈单元沿一个方向依次排列串联构成，其中相邻两个激励线圈单元的中心距为一个极距，用W表示。任意两组激励线圈的激励线圈线阵沿同一方向排列(如X方向)，另外两组激励线圈的激励线圈线阵沿与之垂直的方向排列(如Y方向)。沿同一方向排列的激励线圈单元的极距相同；沿不同方向排列的激励线圈单元的极距可以相同也可以不同。即激励线圈中沿X方向排列的两组激励线圈单元的极距相同，沿Y方向排列的两组激励线圈单元的极距相同；但是沿X方向排列的两组激励线圈的极距和沿Y方向排列的两组激励线圈的极距可以相同也可以不同。

所述激励线圈中由激励线圈单元沿X方向并排排列依次串联构成的两组激励线圈的激励线圈线阵起始位置沿X方向错开W/4；另外两组激励线圈的激励线圈线阵起始位置沿Y方向错开W/4。

所述激励线圈单元由尺寸、匝数均相同的1个正绕(如顺时针绕制)平面矩形螺旋激励线圈和1个反绕(如逆时针绕制)平面矩形螺旋激励线圈并排排列、首尾相接构成。正绕平面矩形螺旋激励线圈和反绕平面矩形螺旋激励线圈的中心距为半个极距(W/2)。沿排列方向，正绕或反绕平面矩形螺旋激励线圈由外到内的第m匝线圈与线圈中心的距离为：其中，m＝1,2，…，n；n为正绕或反绕平面矩形螺旋激励线圈的总匝数。正绕平面矩形螺旋激励线圈和反绕平面矩形螺旋激励线圈的最外匝间距为

所述激励线圈中排列方向相同的两组激励线圈分别连接频率相同、相角相差90°的交流电信号。

所述定阵面的各层激励线圈线阵之间、激励线圈线阵与定阵面基体之间沿垂直于定阵面方向采用同等厚度的绝缘材料间隔，在保证绝缘性能的前提下绝缘材料越薄越好。

所述感应线圈由第一感应线圈单元和第二感应线圈单元沿X方向并排排列构成，且两个感应线圈单元中心距为W/2。

所述第一感应线圈单元由尺寸、匝数均相同的两个正绕平面矩形感应线圈沿Y方向并排排列串联构成。两个正绕平面矩形感应线圈沿Y方向的中心距为W/2，且两个正绕平面矩形感应线圈最外匝间距为

所述第二感应线圈单元由尺寸、匝数均相同的1个正绕平面矩形感应线圈和1个反绕平面矩形感应线圈沿Y方向依次排列串联构成。正绕和反绕平面矩形感应线圈的中心距为W/2，且2个感应线圈最外匝间距为

所述第一感应线圈单元和第二感应线圈单元中的正绕或反绕平面矩形激励线圈为单匝或多匝。当其为多匝是，匝与匝之间依次串联。

所述感应线圈为单层或多层。多层感应线圈之间、感应线圈与动阵面基体之间采用同等厚度绝缘材料间隔，在保证绝缘性能的前提下绝缘材料越薄越好。

定阵面的4组激励线圈分别连接交流激励电流，在定阵面表面产生的磁场强度为4组激励线圈在定阵面表面产生的磁场强度之和，当动阵面与定阵面沿任意方向发生相对运动时，动阵面上的两个感应线圈单元的磁通量发生变化，分别输出幅值恒定相位移动的两路感应信号，将两路感应信号分别与激励信号进行鉴相处理，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后分别得到动阵面相对于定阵面在X方向和Y方向的直线位移量。

本发明提出的时栅位移传感器，采用单个动阵面通过电磁感应原理获取定阵面不同位置处的磁信号，利用时空坐标转换理论，将磁信号(空间信息)转化为电信号(时间信息)进行处理，从而得到平面二维空间位移量。不需要垂直安装两个直线位移传感器，不需要复杂工艺制备的二元光学器件，不需要复杂的光路设计，采用普通的半导体加工工艺制备动阵面和定阵面，因而具有结构简单、成本低、抗油污粉尘和冲击振动能力强的特点。

附图说明

图1是定阵面1和动阵面2结构示意图。

图2是激励线圈线阵和激励线圈单元111示意图。

图3a、图3b、图3c是感应线圈21和感应线圈单元22示意图；

图3a是单匝平面矩形线圈组成感应线圈；

图3b是多匝平面矩形线圈组成感应线圈；

图3c单匝平面矩形线圈沿坐标轴错开一定距离组成感应线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明所述的传感器包括定阵面1和动阵面2两部分，两者平行放置且有较小间隙δ。

定阵面1由定阵面基体和布置于定阵面基体表面的激励线圈组成，定阵面基体采用导磁材料，激励线圈共4组，分别为第一组激励线圈11、第二组激励线圈12、第三组激励线圈13和第四组激励线圈14，布置在四层结构中，每组激励线圈由相同的激励线圈线阵组成。定阵面采用半导体加工工艺，各层，即激励线圈11、激励线圈12、激励线圈13、激励线圈14之间，激励线圈14和定阵面基体之间都采用0.1mm厚的绝缘材料间隔。

第一组激励线圈11和第二组激励线圈12连接的交流电流与第三组激励线圈13和第四组激励线圈14连接的交流电流频率相同、相角相差90°。

如图2所示，定阵面1的激励线圈线阵都由两个相同激励线圈单元111依次排列串联构成，两个激励线圈单元的中心距为一个极距W。其中，第一组激励线圈11和第三组激励线圈13的激励线圈线阵沿X方向排列，且排列的起始位置沿X方向错开W/4；第二组激励线圈12和第四组激励线圈14的激励线圈线阵沿Y方向排列，且排列的起始位置沿Y方向错开W/4。当然，根据实际需要，也可以是其它任意两组激励线圈线阵沿X方向排列，另外任意两组激励线圈线阵沿X方向排列，可以达到同样的效果。

如图2所示，激励线圈单元111由尺寸、匝数均相同的1个正绕平面矩形螺旋激励线圈和1个反绕平面矩形螺旋激励线圈并排排列、首尾相接构成。正绕平面矩形螺旋激励线圈和反绕平面矩形螺旋激励线圈的匝数为6匝，中心距为W/2。沿排列方向，正绕或反绕平面矩形螺旋激励线圈由外到内的第m匝线圈与线圈中心的距离为：

其中m＝1,2，…，6。正绕平面矩形螺旋激励线圈和反绕平面矩形螺旋激励线圈的最外匝间距为

参见图3a、图3b和图3c，动阵面2由动阵面基体和布置于动阵面基体表面的感应线圈组成。动阵面基体采用导磁材料，感应线圈由第一感应线圈单元21和第二感应线圈单元22沿X方向并排排列构成，且两个感应线圈单元中心距为W/2。动阵面采用半导体加工工艺，感应线圈与动阵面基体之间采用0.1mm厚的绝缘材料间隔开。

如图3a所示，第一感应线圈单元21由尺寸相同，匝数都为单匝的两个正绕平面矩形感应线圈沿Y方向依次排列串联构成。两个正绕平面矩形感应线圈沿Y方向的中心距为W/2，且两个正绕平面矩形感应线圈间距为

第二感应线圈单元22由尺寸相同，匝数都为单匝的1个正绕平面矩形感应线圈和1个反绕平面矩形感应线圈沿Y方向依次排列串联构成。正绕和反绕平面矩形感应线圈的中心距为W/2，且两个感应线圈间距为

当然，以上结构中，第一感应线圈单元21和第二感应线圈单元22也可以左右互换位置，每个感应线圈单元中的两个平面矩形感应线圈可以上下互换位置。图中横坐标是X或Y，纵坐标是Y或X。

参见图3c，当第一感应线圈单元和第二感应线圈单元之间的中心距为(2p+1)W/2时，其中p为0、1、2...，每个感应线圈单元中的两个平面矩形感应线圈之间的中心距为qW/2，其中q为0、1、2...。

采用以上结构布置的传感器，将4组激励线圈分别通入交流激励信号，定阵面上方δ位置处磁场强度为4组激励线圈产生的磁场强度之和。通过调节四组激励线圈的交流激励信号幅值，使4组激励线圈在定阵面上方δ位置处产生的磁场强度幅值相同。4组激励线圈产生的磁场强度分别为：

$B_1=A\sin \mathrm{\ω}t\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{W}x\right);$

$B_2=A\sin \mathrm{\ω}t\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{W}y\right);$

$B_3=A\cos \mathrm{\ω}t\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{W}x\right);$

$B_4=A\cos \mathrm{\ω}t\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{W}y\right);$

其中：A为磁场强度振幅，ω为激励信号角频率，W为X方向和Y方向极距，t为时间变量，x为X方向位移量，y为Y方向位移量。

感应线圈单元21和感应线圈单元22得到的电信号分别为：

$E_1=2k[\cos \mathrm{\ω}t\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{W}x\right)+\sin \mathrm{\ω}t\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{W}x\right)]=2k\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{W}x);$

$E_2=2k[\cos \mathrm{\ω}t\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{W}y\right)+\sin \mathrm{\ω}t\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{W}y\right)]=2k\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{W}y);$

其中：k为常系数。

随着动阵面与定阵面发生相对运动，第一感应线圈单元21和第二感应线圈单元22获取的电信号E₁和E₂的相角发生变化。将感应信号E₁和E₂分别与激励信号进行鉴相处理，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到动阵面相对于定阵面在X方向和Y方向的直线位移量。

Claims (7)

1.一种平面二维时栅位移传感器，包括上下平行相对布置的定阵面(1)和动阵面(2)，其特征在于：

所述定阵面(1)由定阵面基体和布置于定阵面基体表面的激励线圈组成；所述激励线圈具有四组，分别为第一组激励线圈(11)、第二组激励线圈(12)、第三组激励线圈(13)和第四组激励线圈(14)，它们分别布置在相互绝缘的四层中；每组激励线圈都由单层或多层完全相同的激励线圈线阵构成，其中激励线圈线阵由多个相同激励线圈单元沿一个方向依次排列串联构成，且相邻两个激励线圈单元的中心距为一个极距W；其中任意两组激励线圈的激励线圈线阵沿X方向排列，且激励线圈线阵的起始位置沿X方向错开W/4；另外两组激励线圈的激励线圈线阵沿与之垂直的Y方向排列，且激励线圈线阵的起始位置沿Y方向错开W/4；

所述动阵面(2)为单个，由动阵面基体和布置于动阵面基体表面的感应线圈组成；感应线圈由第一感应线圈单元(21)和第二感应线圈单元(22)沿X方向并排排列构成，两个感应线圈单元中心距为W/2；第一感应线圈单元(21)由尺寸、匝数均相同的两个正绕平面矩形感应线圈沿Y方向依次排列串联构成；第二感应线圈单元(22)由尺寸、匝数均相同的1个正绕平面矩形感应线圈和1个反绕平面矩形感应线圈沿Y方向依次排列串联构成；

定阵面(1)的四组激励线圈分别接交流激励电流，在定阵面表面产生的磁场强度为四组激励线圈产生的磁场强度之和；当动阵面(2)与定阵面(1)发生相对运动时，第一感应线圈单元(21)和第二感应线圈单元(22)分别感应出幅值恒定相位移动的感应信号，将两路感应信号与激励信号分别进行鉴相处理，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到动阵面相对于定阵面在X方向和Y方向的直线位移。

2.根据权利要求1所述的平面二维时栅位移传感器，其特征是：所述激励线圈单元由尺寸、匝数均相同的1个正绕平面矩形螺旋激励线圈和1个反绕平面矩形螺旋激励线圈并排排列、首尾相接构成；正绕平面矩形螺旋激励线圈和反绕平面矩形螺旋激励线圈的中心距为半个极距，即W/2；沿排列方向，正绕或反绕平面矩形螺旋激励线圈由内到外的第m匝线圈与线圈中心的距离为：其中m＝1,2，…，n，n为正绕或反绕平面矩形螺旋激励线圈的总匝数；正绕平面矩形螺旋激励线圈和反绕平面矩形螺旋激励线圈的最外匝间距为：

3.根据权利要求1所述的平面二维时栅位移传感器，其特征是：所述激励线圈中排列方向相同的两组激励线圈分别连接频率相同、相角相差90°的交流激励电信号。

4.根据权利要求1所述的平面二维时栅位移传感器，其特征是：所述激励线圈中沿同一方向排列的激励线圈单元的极距相同；沿不同方向排列的激励线圈极距相同或不同。

5.根据权利要求1所述的平面二维时栅位移传感器，其特征是：所述第一感应线圈单元(21)和第二感应线圈单元(22)中分别包含的两个平面矩形感应线圈最外匝间距为中心距为W/2，n为正绕或反绕平面矩形螺旋激励线圈的总匝数。

6.根据权利要求1所述的平面二维时栅位移传感器，其特征是：第一感应线圈单元和第二感应线圈单元之间的中心距为(2p+1)W/2时，其中p为0、1、2...，每个感应线圈单元中的两个平面矩形感应线圈之间的中心距为qW/2，其中q为0、1、2……。

7.根据权利要求1或5或6所述的平面二维时栅位移传感器，其特征是：所述第一感应线圈单元(21)和第二感应线圈单元(22)中的正绕或反绕平面矩形感应线圈为单匝或多匝，为单层或多层串联；当为多层串联排布时，各层感应线圈沿垂直于动阵面的方向依次上下布置且各层感应线圈的中心连线垂直于动阵面，中间由绝缘材料间隔。