CN104457544A - 时栅直线位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时栅直线位移传感器，包括定尺和动尺，所述动尺由非导磁的动尺基体和导磁单元组成，定尺由非导磁基体和两个相同的传感单元组成，传感单元包括激励线圈、感应线圈和导磁基体，激励线圈由各自绕成矩形波状且位于同一平面的n条导线构成，感应线圈由过零点开始的两条正弦曲线绕出，激励线圈与感应线圈按照特定空间关系布置，非导磁基体的厚度在沿测量方向满足特定条件。其能在不增加刻线精密度或者传感器周期性节距的情况下，将时栅直线位移传感器的分辨力再次提高一倍。

Description

时栅直线位移传感器

技术领域

本发明属于精密测量传感器技术领域，具体涉及一种时栅直线位移传感器。

背景技术

直线位移测量是最基本的几何量测量，精密直线位移测量主要采用直线位移传感器，如光栅、磁栅、容栅等等，它们通过对按空间均分的栅线进行计数得到位移量。其共同特点是利用栅线的空间超精密刻线来满足微小位移的分辨力要求，而为了再进一步提高分辨力，只能依靠复杂的电子细分，从而使系统结构复杂，成本居高不下，且抗干扰能力差，极易受到污染。

近年来出现了一种以时钟脉冲作为测量基准的时栅直线位移传感器，能不依赖空间精密刻线实现高分辨力位移测量。时栅直线位移传感器主要基于电磁感应原理或者交变电场原理，其分辨力除取决于插补时钟脉冲的空间当量外，还取决于传感器的极对数，极对数越多，分辨力越高。当其插补时钟脉冲的空间当量达到一定极限后，要想再进一步提高其分辨力，只能通过进一步增加该传感器的极对数或者复杂的电子细分来实现，其成本高。

CN103644834A公开了一种时栅直线位移传感器，其能在不增加刻线精密度或者传感器周期性节距(即极对数)的情况下，将传感器的分辨力提高一倍，但是分辨力仍可再一步提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种时栅直线位移传感器，以在不增加刻线精密度或者传感器周期性节距(即极对数)的情况下，将时栅直线位移传感器的分辨力再次提高一倍。

本发明所述的时栅直线位移传感器，包括定尺和动尺，所述动尺由非导磁的动尺基体和嵌于该动尺基体上、下部的两个相同且相互平行的导磁单元组成，导磁单元由一个长方体状的导磁体构成或者由多个相同的长方体状的导磁体沿测量方向(相当于动尺的运动方向)等间距排列构成，在由多个所述导磁体构成的导磁单元中，相邻两个导磁体的中心距等于W；每个导磁体的宽度b应满足：或者两个导磁单元内的导磁体的起始位置对齐。

所述定尺由非导磁基体和位于非导磁基体上、下部的两个相同且相互平行的传感单元组成，两个传感单元分别与所述动尺的两个导磁单元正对平行放置，且留有间隙，所述传感单元包括激励线圈、感应线圈和导磁基体，激励线圈与感应线圈按照特定空间关系布置。

所述激励线圈由各自绕成矩形波状且位于同一平面的n条导线构成，每条导线绕制的矩形波周期相等，均为W，占空比不等，激励线圈的n条导线按照占空比由大到小的顺序排列，其第m条导线的占空比D_m满足：当时， $D_m=1-\frac{1}{\mathrm{\π}}\arccos \left(\frac{n-2m+2}{n+2}\right);$ 当时，其中，n≥6且为偶数，在同一个周期内所有矩形波波峰所在线段的中垂线重合，矩形波周期延拓方向与测量方向一致；设置上述占空比的目的是为了在给激励线圈通激励电流时，激励线圈能产生按正弦规律变化的磁场。

所述感应线圈采用“8”字形绕法，由过零点开始，两边同时沿幅值相同、周期等于W、初相角分别为0和π的两条正弦曲线绕出，感应线圈的高度(即正弦曲线的两倍幅值)小于所述导磁体的高度，以保证产生准确可靠的感应信号，感应线圈周期延拓方向与测量方向一致，两个传感单元内的感应线圈串联。

所述非导磁基体的正面为平面，背面为沿测量方向变化的波浪形曲面，所述激励线圈和感应线圈布置在非导磁基体正面的布线层上或者嵌于非导磁基体内，沿测量方向非导磁基体的厚度应满足特定条件。

所述导磁基体(用于与动尺上的导磁体形成磁场回路)位于非导磁基体背面，导磁基体的正面为沿测量方向变化的波浪形曲面，背面为平面，导磁基体的正面与非导磁基体的背面相匹配且紧密贴合，导磁基体最薄处应保证不出现磁饱和，导磁基体最薄处的厚度通常大于或者等于2mm；两个传感单元内的导磁基体之间有大于或者等于20mm的间隔(即两个传感单元内的导磁基体相互独立，不接触)，每个传感单元内的导磁基体的投影能将该传感单元内的激励线圈完全遮盖。

为了使导磁基体与动尺上的导磁体形成的磁场回路的空气隙呈正弦规律变化，所述两个传感单元内的激励线圈与感应线圈按照特定空间关系布置，以及沿测量方向非导磁基体的厚度应满足特定条件是指：每个传感单元内的激励线圈与感应线圈正对平行，感应线圈在激励线圈所处平面内的投影位于所有激励线圈绕成的矩形波的波峰与波谷之间，且距最近的波峰或波谷的距离大于或者等于5mm；以与测量方向垂直的某个面为基准面，以测量方向为x方向，设基准面处x＝0，其中一个传感单元的激励线圈的某一波峰所在线段的中垂线位于基准面右侧，相距基准面该传感单元的感应线圈的某一过零点位于基准面左侧，相距基准面该传感单元对应的非导磁基体的厚度为另一个传感单元的激励线圈的某一波峰所在线段的中垂线位于基准面右侧，相距基准面该传感单元的感应线圈的某一过零点位于基准面左侧，相距基准面该传感单元对应的非导磁基体的厚度为其中，A和L_m为常数，且满足0＜1.5L_m＜A≤2。

所述定尺的一个传感单元的激励线圈按矩形波占空比由大到小的顺序，其第m条导线中通入的激励电流I_1m满足：当时， $I_{1m}=I\cos [\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arccos \left(\frac{n-2m+2}{n+2}\right)]\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right),$ 当时， $I_{1m}=I\cos [\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arccos \left(\frac{2m-n}{n+2}\right)]\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right),$ 另一个传感单元的激励线圈按矩形波占空比由大到小的顺序，其第m条导线中通入的激励电流I_2m满足：当时， $I_{2m}=I\cos [\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arccos \left(\frac{n-2m+2}{n+2}\right)]\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right),$ 当时， $I_{2m}=I\cos [\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arccos \left(\frac{2m-n}{n+2}\right)]\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right),$ 其中，I为电流幅值系数，取常数，T为激励电流周期，取常数；在各自激励作用下沿测量方向产生按正弦规律变化的磁场，当动尺与定尺沿测量方向发生相对运动时，导磁体相对感应线圈运动，两个串联的感应线圈内的磁通量发生变化，其共同输出幅值恒定的感应信号，将该感应信号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，经换算后得到动尺相对定尺的直线位移。

进一步，所述导磁体的宽度b等于或者由于，在时，随着b的增大感应线圈输出的感应信号越强，在b等于时，感应信号最强；在时，随着b的增大感应线圈输出的感应信号越弱，在b等于时，感应信号为零；在时，随着b的增大感应线圈输出的感应信号越强，在b等于时，感应信号最强；在时，随着b的增大感应线圈输出的感应信号越弱，在b等于W时，感应信号为零；取b等于或者感应线圈输出的感应信号最强(即幅值最大)，测量更方便、容易。

进一步，所述导磁单元由两个相同的长方体状的导磁体沿测量方向等间距排列构成，以获得较大的磁场强度，使感应线圈输出的感应信号更强。

本发明与现有技术相比具有如下效果：

(1)定尺除包括定尺基体(相当于非导磁基体)、激励线圈和感应线圈外，还包括导磁基体，导磁基体位于非导磁基体背面，与非导磁基体紧密贴合，其贴合面为波浪形曲面，且非导磁基体的厚度满足特定的条件，其能使定尺上的导磁基体与动尺上的导磁体之间的空气隙呈正弦规律变化，相当于增加了一个条件参数；在激励线圈中通入的两相对称激励电流的幅值大小也呈正弦规律变化，相当于又增加了一个条件参数。当动尺与定尺相对运动一个极距W时，感应信号的初相角变化四个周期，与现有的动尺与定尺相对运动一个极距W，感应信号的初相角变化两个周期相比，在没有增加刻线精密度(即传感器极对数)的情况下，其分辨力再次提高了一倍。

(2)激励线圈采用矩形波绕线方式，绕线更方便；同时，其结构简单、成本低、抗干扰能力强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中激励线圈的绕线示意图。

图3为本发明中感应线圈的绕线示意图。

图4为本发明中激励线圈与感应线圈的相对位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1、图2、图3、图4所示的时栅直线位移传感器，包括定尺1和动尺2。

定尺1由非导磁基体13和位于非导磁基体13上部、下部的两个相同且相互平行的传感单元组成，每个传感单元都包括激励线圈11、感应线圈12和导磁基体14，激励线圈11与感应线圈12按照特定空间关系布置。

激励线圈11由各自绕成矩形波状且位于同一平面的6条导线上、下平行排列构成，每条导线绕制的矩形波周期相同，均为W，每条导线的波峰到波谷之间的距离相等，均为S，激励线圈由上到下各条导线的矩形波占空比(由大到小)依次为：D₁＝0.770、D₂＝0.667、D₃＝0.580、D₄＝0.420、D₅＝0.333、D₆＝0.230；在同一个周期内所有矩形波波峰所在线段的中垂线重合，测量方向为矩形波周期延拓方向。

感应线圈12采用“8”字形绕法，由过零点开始，两边同时沿幅值相同、周期等于W、初相角分别为0和π的两条正弦曲线绕出，感应线圈周期延拓方向与测量方向一致，两个传感单元内的感应线圈12串联。

非导磁基体13采用铜基体，其正面为平面，背面为沿测量方向变化的波浪形曲面，铜基体正面的表面上布置有一层薄的印制电路板，激励线圈11和感应线圈12布置在印制电路板的不同布线层上；沿测量方向非导磁基体13的厚度应满足特定条件。

导磁基体14位于非导磁基体13背面，导磁基体14的正面为沿测量方向变化的波浪形曲面，背面为平面，导磁基体14的正面与非导磁基13体的背面相匹配且紧密贴合，导磁基体14最薄处的厚度不低于2mm；两个传感单元内的导磁基体14之间有20mm的间隔，每个传感单元内的导磁基体14的投影能将该传感单元内的激励线圈11完全遮盖(即两个传感单元内的激励线圈11完全位于各自传感单元的导磁基体14的投影内)。

两个传感单元内的激励线圈11与感应线圈12按照特定空间关系布置，以及沿测量方向非导磁基体13的厚度应满足特定条件是指：每个传感单元内的激励线圈11与感应线圈12正对平行，感应线圈12在激励线圈11所处平面内的投影位于所有矩形波的波峰与波谷之间，且感应线圈12的投影距最近的波峰或波谷的距离不低于5mm；以与测量方向垂直的某个面(即图4中的B面)为基准面，以测量方向为x方向，设基准面处x＝0，位于非导磁基体13上部的传感单元的激励线圈11的一波峰所在线段的中垂线(即图4中的C线)位于基准面右侧，相距基准面该传感单元的感应线圈12的一过零点(即图4中的E点)位于基准面左侧，相距基准面与该传感单元对应的非导磁基体13的厚度为其随着x的改变而改变；位于非导磁基体13下部的传感单元的激励线圈11的一波峰所在线段的中垂线(即图4中的F线)位于基准面右侧，相距基准面该传感单元的感应线圈的一过零点(即图4中的G点)位于基准面左侧，相距基准面与该传感单元对应的非导磁基体13的厚度为其随着x的改变而改变。

动尺2由非导磁的动尺基体(采用铜基体)和嵌于该动尺基体上部、下部的两个相同且相互平行的导磁单元组成，两个导磁单元与定尺1的两个传感单元分别正对平行放置，且留有0.2mm的间隙，导磁单元由两个相同的长方体状的导磁体21沿测量方向等间距排列构成，两个导磁体21的中心距等于W；每个导磁体的宽度b等于(也可以是)，每个导磁体21的高度大于感应线圈12的高度(即感应线圈的两倍幅值)，两个导磁单元内的导磁体21的起始位置对齐。

定尺1上部的传感单元的激励线圈11中的6条导线由上到下(即矩形波占空比由大到小的顺序)分别通入的激励电流为： $I_{11}=0.661I\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right),I_{12}=0.866I\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right),$ $I_{13}=0.968I\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right),I_{14}=0.968I\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right),I_{15}=0.866I\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right),$ $I_{16}=0.661I\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right),$ 定尺1下部的传感单元的激励线圈11中的6条导线由上到下(即矩形波占空比由大到小的顺序)分别通入的激励电流为： $I_{21}=0.661I\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right),$ $I_{22}=0.866I\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right),I_{23}=0.968I\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right),I_{24}=0.968I\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right),$ $I_{25}=0.866I\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right),I_{26}=0.661I\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\right);$ 其中，I为电流幅值系数，取常数，T为激励电流周期，取常数。

两个传感单元内的感应线圈12将分别产生式(1)和式(2)的感应信号：

$e_1=K_1\cos 2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W}\right)\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W}\right)\sin (2\mathrm{\π}\frac{x}{W}+\frac{\mathrm{\π}}{4})\cos (2\mathrm{\π}\frac{x}{W}+\frac{\mathrm{\π}}{4})---\left(1\right)$

$e_2=K_1\sin 2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\sin (2\mathrm{\π}\frac{x}{W}+\frac{\mathrm{\π}}{8})\cos (2\mathrm{\π}\frac{x}{W}+\frac{\mathrm{\π}}{8})\sin (2\mathrm{\π}\frac{x}{W}+\frac{3\mathrm{\π}}{8})\cos (2\mathrm{\π}\frac{x}{W}+\frac{3\mathrm{\π}}{8})---\left(2\right)$

式中：K₁为感应电压幅值，x为动尺2相对定尺1的直线位移。

两个传感单元内的感应线圈12串联输出式(3)的感应信号：

$e=e_1+e_2=\frac{1}{8}{K}_1\sin (2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+2\mathrm{\π}\frac{x}{W/4})---\left(3\right)$

动尺2与定尺1沿测量方向发生相对运动，感应信号的初相角将发生周期性变化，动尺2相对于定尺1运动一个空间节距，感应信号的初相角(即式(3)中的)变化四个周期，将式(3)中的感应信号与上述正弦激励信号(即激励线圈中通入的激励电流信号)进行鉴相处理，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到动尺2相对定尺1的直线位移。

Claims (3)

1.一种时栅直线位移传感器，包括定尺(1)和动尺(2)，所述动尺(2)由非导磁的动尺基体和嵌于该动尺基体上、下部的两个相同且相互平行的导磁单元组成，导磁单元由一个长方体状的导磁体(21)构成或者由多个相同的长方体状的导磁体(21)沿测量方向等间距排列构成，在由多个所述导磁体(21)构成的导磁单元中，相邻两个导磁体的中心距等于W；每个导磁体的宽度b应满足：或者两个导磁单元内的导磁体的起始位置对齐；其特征在于：

所述定尺(1)由非导磁基体(13)和位于非导磁基体上、下部的两个相同且相互平行的传感单元组成，该两个传感单元分别与所述动尺(2)的两个导磁单元正对平行放置，且留有间隙，所述传感单元包括激励线圈(11)、感应线圈(12)和导磁基体(14)；

所述激励线圈(11)由各自绕成矩形波状且位于同一平面的n条导线构成，每条导线绕制的矩形波周期相等，均为W，占空比不等，激励线圈的n条导线按照占空比由大到小的顺序排列，其第m条导线的占空比D_m满足：当 $1\≤m\≤\frac{n}{2}$ 时， $D_m=1-\frac{1}{\mathrm{\π}}\arccos \left(\frac{n-2m+2}{n+2}\right);$ 当时，其中，n≥6且为偶数，在同一个周期内所有矩形波波峰所在线段的中垂线重合，矩形波周期延拓方向与测量方向一致；

所述感应线圈(12)采用“8”字形绕法，由过零点开始，两边同时沿幅值相同、周期等于W、初相角分别为0和π的两条正弦曲线绕出，感应线圈的高度小于所述导磁体(21)的高度，感应线圈周期延拓方向与测量方向一致，两个传感单元内的感应线圈串联；

所述非导磁基体(13)的正面为平面，背面为沿测量方向变化的波浪形曲面，所述激励线圈(11)和感应线圈(12)布置在非导磁基体正面的布线层上或者嵌于非导磁基体内；

所述导磁基体(14)的正面为沿测量方向变化的波浪形曲面，背面为平面，导磁基体的正面与非导磁基体的背面相匹配且紧密贴合，导磁基体的厚度大于或者等于2mm；两个传感单元内的导磁基体之间有大于或者等于20mm的间隔，每个传感单元内的导磁基体的投影能将该传感单元内的激励线圈完全遮盖；

所述两个传感单元内的激励线圈(11)、感应线圈(12)以及非导磁基体(13)应满足：每个传感单元内的激励线圈与感应线圈正对平行，感应线圈在激励线圈所处平面内的投影位于所有矩形波的波峰与波谷之间，且距最近的波峰或波谷的距离大于或者等于5mm；以与测量方向垂直的某个面为基准面，以测量方向为x方向，设基准面处x＝0，其中一个传感单元的激励线圈的一波峰所在线段的中垂线位于基准面右侧，相距基准面该传感单元的感应线圈的一过零点位于基准面左侧，相距基准面该传感单元对应的非导磁基体的厚度为另一个传感单元的激励线圈的一波峰所在线段的中垂线位于基准面右侧，相距基准面该传感单元的感应线圈的一过零点位于基准面左侧，相距基准面该传感单元对应的非导磁基体的厚度为其中，A和L_m为常数，且满足0＜1.5L_m＜A≤2；

所述定尺(1)的一个传感单元的激励线圈按矩形波占空比由大到小的顺序，其第m条导线中通入的激励电流I_1m满足：当时， $I_{1m}=I\cos [\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\arccos \left(\frac{n-2m+2}{n+2}\right)]\sin \left(2\mathrm{\&pi;}\frac{t}{T}\right),$ 当 $\frac{n}{2}<m\&le;n$ 时， $I_{1m}=I\cos [\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\arccos \left(\frac{2m-n}{n+2}\right)]\sin \left(2\mathrm{\&pi;}\frac{t}{T}\right);$ 另一个传感单元的激励线圈按矩形波占空比由大到小的顺序，其第m条导线中通入的激励电流I_2m满足：当时， $I_{2m}=I\cos [\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\arccos \left(\frac{n-2m+2}{n+2}\right)]\cos \left(2\mathrm{\&pi;}\frac{t}{T}\right),$ 当 $\frac{n}{2}<m\&le;n$ 时， $I_{2m}=I\cos [\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\arccos \left(\frac{2m-n}{n+2}\right)]\cos \left(2\mathrm{\&pi;}\frac{t}{T}\right);$ 其中，I为电流幅值系数，取常数，T为激励电流周期，取常数；当动尺(2)与定尺(1)沿测量方向发生相对运动时，导磁体(21)相对感应线圈(12)运动，两个串联的感应线圈共同输出幅值恒定的感应信号，将该感应信号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，经换算后得到动尺相对定尺的直线位移。

2.根据权利要求1所述的时栅直线位移传感器，其特征在于：所述导磁体(21)的宽度b等于或者

3.根据权利要求1或2所述的时栅直线位移传感器，其特征在于：所述导磁单元由两个相同的长方体状的导磁体(21)沿测量方向等间距排列构成。