CN104132609A - 一种电磁栅尺结构及其位移信息读取方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电磁栅尺栅线结构及其读取方法，包括电磁栅尺尺身、导电栅线、感应栅线、感应探针，导电栅线和感应栅线均刻在电磁栅尺尺身上，且两条导电栅线互相平行设置，若干感应栅线互相平行设置在两条导电栅线之间，感应栅线的两端连接两条平行的导线栅线，直流电源的正负极分别通过导线连接两条平行的导电栅线，为两条平行的导电栅线和感应栅线提供电源构成回路，感应探针装设在感应栅线的上方，且感应探针沿平行于导电栅线的方向上运动，电势检测电路分别与感应探针及电势参考点相连，微电势检测电路还与采集控制系统相连。本发明可靠性高，测量精度高，能检测纳米级别的位移，能读取小于光波波长栅距，能测量高速运动的物体位移、方向及其速度。

Description

一种电磁栅尺结构及其位移信息读取方法

技术领域

本发明是一种电磁栅尺结构及其位移信息读取方法，属于电磁栅尺结构及其位移信息读取方法的创新技术。

背景技术

位移传感器已经广泛用于精密测量、自动定位、跟踪测试和光学信息处理等领域。位移传感器的优劣、精度的高低、成本的大小、制造效率的高低将直接影响测量仪器的精度和性能。当前广泛运用的位移测量传感器有光栅尺和磁栅尺。

利用光栅来进行位移测量要追朔到上个世纪50年代，在相当长时问里，仅仅被天文学家和物理学家作为衍射元件应用于光谱分析和光波波长的测定，最开始是基于双光栅的莫尔条纹(Moire fringes)技术，其栅距在20um左右，精度一般为几个微米，但是随着制造技术的进步,现在的光栅栅距可以达到O.8um，分辨力达到lnm。在生产、制造业的发展中扮演了重要角色。纳米级的光栅测量是采用衍射光栅，光栅栅距是lum或0.8um，栅线的宽度与光的波长很接近，则产生衍射和干涉现象能形成莫尔条纹，其测量的原理称干涉原理。现阶段的衍射光栅尺主要为增量式光栅尺。增量式光栅的测量原理是将光源透射过一个光栅尺运动副,两光栅尺相对运动时可形成摩尔条纹,对此摩尔条纹进行计数、细分,得到周期内的位移变化量,并通过在光栅上设定的参考点来确定整周期的绝对位置, 在增量式光栅位移测量系统中,应先设定一个参考点,这个参考点标记为零位,绝对位移量则是通过对参考点的相对位移累加获得的。增量式光栅传感器具有结构简单、机械平均寿命长、可靠性高、抗干扰能力强、传输距离远、精度较高、成本低等优点,但是也具有不足，增量式光栅传感器只能输出轴转动的相对位置,每次断电或者重新开机时需要设定参考点,同时信号处理方式存在一定的细分误差。在现代机加行业中，大多采用光栅传感器来进行位置反馈装置。由于光栅尺能够对系统进行全闭环控制，降低滚珠丝杠热变形等原因引起的误差，提高加工精度，所以目前中高档数控系统越来越多地采用光栅尺作为线位移反馈元件。

我国光栅数显技术的发展从上世纪80年代以数显技术改造传统的机床行业为起点, 目前，安装于中高档数控机床全闭环用的绝对式光栅尺全部依赖进口，这已经成为制约我国高档数控机床发展的技术“瓶颈”之一。国内封闭式玻璃光栅尺的最大测量长度为3m，准确度有±15μm、±10μm、±5μm和±3μm，分辨力有5μm、1μm和0.1μm，速度为60m/min，主要应用于手动数显机床。要实现量程上百毫米、纳米级分辨率的位移测量，只有部分激光干涉类和光栅类位移测量仪器可以胜任。但激光干涉仪对环境条件的要求苛刻，致使应用受限。而光栅式测长仪器虽已有成型产品，但主要来自国外公司，这些产品不但价格不菲，部分高精度的产品对中国地区的销售存在着诸多限制。

在纳米测量技术上，由于受到很多技术的限制，如：

 1）硬件条件限制, 高线数大长度的光栅刻制困难,体现在测长上就是测量分辨力与量程的矛盾; 测量精度与光栅的刻制精度有直接的关系, 因此受光栅加工工艺的影响比较大;光栅测量系统的性能与承载它的机械结构密切相关, 精密的机械系统是光栅测量法实现纳米测量的重要保证, 而且一千倍以上的电子细分方法和技术还不够成熟, 有待进一步研究。

2）任意相位差条纹信号计数细分法使用的前提条件是信号处理系统能够对条纹信号的变化进行实时跟踪, 是以正弦信号为细分模型的。当条纹信号中含有二次谐波、 三次谐波、 背景噪声和电路噪声等时, 信号的正弦性会变差, 导致细分准确度降低。因此还需要在提高条纹信号质量方面进行更多的研究。

3）由于实时测量, 莫尔条纹计数系统计算量较大,所以测量速度还有待提高, 这可以通过采用高性能处理器和优化软件结构来实现。

因此，如果采用传统的莫尔条纹或者图像采集的方法去读取纳米尺寸的栅线是比较困难的，因此基于目前的技术要想读取纳米尺寸的栅线可以利用纳米材料的尺度效应下的优势，采用电磁感应的方式去读取栅线。

电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量（如位移、压力、流量、振动等）转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再经过测量电路转换为相应电压或电流的变化量输出，从而实现非电量到电量的转换和测量。

将栅线制作成导电栅线，栅线会产生环形磁场，当一根导电探针经过一根通电栅线上方时，探针切割磁感应线会产生电势差，经过微电势检测电路放大检测探针上的相对电势变化情况即可读取栅线位置。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种可靠性高，测量精度高的电磁栅尺结构。本发明方便实用，可以检测到纳米级别的位移。

本发明的另一目的在于提供一种操作简单，能读取小于光波波长栅距的电磁栅尺的位移信息读取方法。本发明可以测量高速运动的物体位移、方向及其速度。

本发明的技术方案是：本发明的电磁栅尺结构,包括有电磁栅尺尺身、导电栅线、感应栅线、感应探针、微电势检测电路、采集控制系统、直流电源，导电栅线和感应栅线均刻在电磁栅尺尺身上，且两条导电栅线互相平行设置，若干感应栅线互相平行设置在两条导电栅线之间，感应栅线的两端连接两条平行的导线栅线，直流电源的正负极分别通过导线连接两条平行的导电栅线，为两条平行的导电栅线和感应栅线提供电源构成回路，感应探针装设在感应栅线的上方，且感应探针沿平行于导电栅线的方向上运动，电势检测电路通过信号线分别与感应探针及电势参考点相连，微电势检测电路还通过信号线与采集控制系统相连。

本发明的电磁栅尺的位移信息读取方法,是通过微电势检测电路检测感应探针的电势变化情况来读取感应探针的位置信息，采集控制系统通过对微电势检测电路检测的电势变化情况来对感应探针的位移信息进行编解码。

本发明电磁栅尺的位移信息读取方法,具体包括如下步骤：

1）直流电源通过导线给导电栅线通上电流时，电流流过感应栅线形成回路，感应栅线产生环形磁场；

2）感应探针在感应栅线上方沿平行于导电栅线的方向上运动，感应探针（5）两端会产生电势差，微电势检测电路（7）检测感应探针（5）末端与电势参考点（11）之间的电势差，感应探针（5）每经过一根感应栅线（3）上方时，微电势检测电路（7）就能检测到感应探针（5）末端的一个电势变化值，同时通过检测电势变化的正负来判断感应探针（5）的运动方向；

3）采集控制系统（8）对微电势检测电路（7）检测到的电势变化情况进行解析和编码，从而转化成感应探针（5）的位移和方向信息。

本发明的优点：

1）本发明的电磁栅尺基于电磁感应原理，采用包括有电磁栅尺尺身、两条导电栅线、感应栅线、直流电源、感应探针的结构，其中两条导电栅线分别为正极栅线和负极栅线，电磁栅尺尺身用于刻制导电栅线，正极栅线用于接电源正极，负极栅线用于接电源负极，感应栅线连接正极栅线和负极栅线，用于产生环形电磁场，直流电源用于正极栅线与负极栅线之间形成电压差，从而使得感应栅线上有电流通过；感应探针用于探测感应栅线上产生的电磁场，当感应栅线的尺寸为纳米尺寸时，会产生尺度效应，因此相邻的两条感应栅线所产生的环形磁场互相干涉影响极小，感应探针每经过一次感应栅线时，会切割感应栅线的环形磁感应线，因此感应探针会产生微电流，经过放大处理后就形成一个脉冲信号，通过此方法，可以检测到探针纳米级别的位移；

2) 本发明的电磁栅尺的位移信息读取方法,是通过微电势检测电路检测感应探针的电势变化情况来读取感应探针的位置信息，采集控制系统通过对微电势检测电路检测的电势变化情况来对感应探针的位移信息进行编解码，采集控制系统是通过感应探针读取栅线转化成二进制信号，比传统光栅尺莫尔条纹的计数方法可靠性更高；

3) 本发明的电磁栅尺结构及其位移信息读取方法，可以读取纳米尺寸的栅线及距离。

4) 本发明的电磁栅尺结构及其位移信息读取方法可以克服当前增量式光栅尺受光波波长限制而不能读取小于光波波长栅距的问题。

5) 本发明电磁栅尺结构及其位移信息读取方法可以测量高速运动的物体位移，方向及其速度。

6) 本发明电磁栅尺结构及其位移信息读取方法即使探针在速度较小的情况下，由于尺度效应，都会把很小的速度放大，这样同样可以读取栅线。

本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的电磁栅尺结构，本发明电磁栅尺位移信息读取方法操作简单，方便实用，测量精度高。

附图说明

图1为本发明电磁栅尺结构的结构示意图；

图2为本发明电磁栅尺结构的正视图；

图3为本发明电磁栅尺结构的左视图；

图4为本发明电磁栅尺结构的俯视图。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1所示，本发明的电磁栅尺结构，包括有电磁栅尺尺身1、导电栅线2、感应栅线3、感应探针5、微电势检测电路7、采集控制系统8、直流电源13，导电栅线2和感应栅线3均刻在电磁栅尺尺身1上，且两条导电栅线2互相平行设置，若干感应栅线3互相平行设置在两条导电栅线2之间，感应栅线3的两端连接两条平行的导线栅线2，直流电源13的正负极分别通过导线连接两条平行的导电栅线2，为两条平行的导电栅线2和感应栅线3提供电源构成回路，感应探针5装设在感应栅线3的上方，且感应探针5沿平行于导电栅线2的方向上运动，电势检测电路7通过信号线分别与感应探针5及电势参考点11相连，微电势检测电路7还通过信号线与采集控制系统8相连。

本实施例中，上述感应栅线3的直径小于导电栅线2的直径。因此感应栅线的电阻大于导电栅线的电阻，使导电栅线不会短路。上述感应栅线3与导电栅线2之间的夹角15不等于90°,即感应栅线3与导电栅线2不垂直，因此感应栅线有电流通过时，产生的环形磁感应强度在垂直于导电栅线方向上分量不为零，当感应探针沿导电栅线方向上运动时，会产生切割磁感线的运动，因此感应探针上会产生电势变化，形成一个物理量的变化。上述感应栅线3是用磁性材料制作。上述电磁栅尺尺身1是用非磁性且是非导电材料制作。上述若干感应栅线3的直径相同，若干感应栅线3互相平行,方便信号的识别和处理,本实施例中，感应栅线3之间的距离等距。上述直流电源13的正负极分别通过导线连接两条平行的导电栅线2上的任意位置。

本实施例中，感应探针是由导电材料制作，直径尺寸是纳米级别。所有栅线都是纳米尺寸的，在纳米尺寸效应下，栅线与栅线之间产生的电磁场不会互相影响。

本发明电磁栅尺的位移信息读取方法,是通过微电势检测电路7检测感应探针5的电势变化情况来读取感应探针5的位置信息，采集控制系统8通过对微电势检测电路7检测的电势变化情况来对感应探针5的位移信息进行编解码。

本发明电磁栅尺的位移信息读取方法,具体包括如下步骤：

1）直流电源13通过导线12与导线14给导电栅线2通上电流时，电流流过感应栅线3形成回路，感应栅线3产生环形磁场；

2）感应探针5在感应栅线3上方沿平行于导电栅线2的方向上运动，感应探针5两端会产生电势差，微电势检测电路7检测感应探针5末端与电势参考点11之间的电势差，感应探针5每经过一根感应栅线3上方时，微电势检测电路7就能检测到感应探针5末端的一个电势变化值，同时通过检测电势变化的正负来判断感应探针5的运动方向；

3）采集控制系统8对微电势检测电路7检测到的电势变化情况进行解析和编码，从而转化成感应探针5的位移和方向信息。

上述采集控制系统8通过感应探针5读取栅线转化成二进制信号。

上述电磁栅尺尺身1用于作为导电栅线2和感应栅线3的基板，感应栅线3相当于并联在导电栅线2之间的电阻，上述微电势检测电路7通过信号线6与感应探针5相连，同时通过信号线10与电势参考点11相连。

本发明的工作原理如下：

当直流电源13通过导线12及导线14给导电栅线2通上电流时，电流流过感应栅线3形成回路，根据安培定则，感应栅线3产生环形磁场，因为感应栅线3与导电栅线2之间的夹角15不等于90°，即感应栅线3与导电栅线2不垂直，所以感应栅线3有电流通过时所产生的的磁感应线4在垂直于导电栅线2方向上的分量不为零，当感应探针5在感应栅线3上方作平行于导电栅线2的方向上运动时，感应探针5两端会产生电势差，设垂直于导电栅线的平均磁感应强度为B，设探针有效感应长度平均为L，v为探针的运动速度，E为磁感应电动势，则由E=BLV可知，探针在感应栅线上面运动时，探针两端会产生电势变化，利用微电势检测电路，设置一个电势参考原点，检测探针一端与这个参考原点的电势变化，即可获取感应信号，而当探针经过两根感应栅线中间时，探针上的电势变化不被检测，因此探针在栅尺上方运动时，会产生010101….的二进制信号，因此可以记录探针的相对位置，同时，探针如果反向运动时，微电势检测电路将检测到相反的电势，因此系统还可以判断探针运动方向。

Claims (10)

1.一种电磁栅尺结构,其特征在于包括有电磁栅尺尺身(1)、导电栅线(2)、感应栅线(3)、感应探针（5）、微电势检测电路（7）、采集控制系统（8）、直流电源（13），导电栅线(2)和感应栅线(3)均刻在电磁栅尺尺身(1)上，且两条导电栅线（2）互相平行设置，若干感应栅线（3）互相平行设置在两条导电栅线（2）之间，感应栅线（3）的两端连接两条平行的导线栅线（2），直流电源（13）的正负极分别通过导线连接两条平行的导电栅线（2），为两条平行的导电栅线（2）和感应栅线（3）提供电源构成回路，感应探针（5）装设在感应栅线（3）的上方，且感应探针（5）沿平行于导电栅线（2）的方向上运动，电势检测电路（7）通过信号线分别与感应探针（5）及电势参考点（11）相连，微电势检测电路（7）还通过信号线与采集控制系统（8）相连。

2.根据权利要求1所述的电磁栅尺结构,其特征在于上述感应栅线（3）的直径小于导电栅线（2）的直径。

3.根据权利要求1所述的电磁栅尺结构,其特征在于上述感应栅线（3）与导电栅线（2）之间的夹角（15）不等于90°。

4.根据权利要求1所述的电磁栅尺结构,其特征在于上述感应栅线（3）是用磁性材料制作。

5.根据权利要求1所述的电磁栅尺结构,其特征在于上述电磁栅尺尺身(1)是用非磁性且非导电材料制作。

6.根据权利要求1至5任一项所述的电磁栅尺结构,其特征在于上述若干感应栅线（3）的直径相同，若干感应栅线（3）互相平行且等距。

7.根据权利要求6所述的电磁栅尺结构,其特征在于上述直流电源（13）的正负极分别通过导线连接两条平行的导电栅线（2）上的任意位置。

8.一种电磁栅尺的位移信息读取方法,其特征在于是通过微电势检测电路（7）检测感应探针（5）的电势变化情况来读取感应探针（5）的位置信息，采集控制系统（8）通过对微电势检测电路（7）检测的电势变化情况来对感应探针（5）的位移信息进行编解码。

9.根据权利要求8所述的电磁栅尺的位移信息读取方法,其特征在于包括如下步骤：

1）直流电源（13）通过导线（12）与导线（14）给导电栅线（2）通上电流时，电流流过感应栅线（3）形成回路，感应栅线（3）产生环形磁场；

2）感应探针（5）在感应栅线（3）上方沿平行于导电栅线（2）的方向上运动，感应探针（5）两端会产生电势差，微电势检测电路（7）检测感应探针（5）末端与电势参考点（11）之间的电势差，感应探针（5）每经过一根感应栅线（3）上方时，微电势检测电路（7）就能检测到感应探针（5）末端的一个电势变化值，同时通过检测电势变化的正负来判断感应探针（5）的运动方向；

3）采集控制系统（8）对微电势检测电路（7）检测到的电势变化情况进行解析和编码，从而转化成感应探针（5）的位移和方向信息。

10.根据权利要求9所述的电磁栅尺的位移信息读取方法,其特征在于上述采集控制系统（8）通过感应探针（5）读取栅线转化成二进制信号。