CN104677258B - 一种平面二维位移传感器 - Google Patents

Abstract

一种平面二维位移传感器，其由上下平行相对布置的定阵面和动阵面两部分构成。定阵面在定阵面基体上布置单层或多层完全相同的并串联的激励线圈矩阵，每一层激励线圈矩阵是由沿X和Y方向布置的多个相同的激励线圈阵列单元构成，激励线圈阵列单元之间沿“Z”字型依次串联。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，感应线圈由尺寸匝数均相同的三个感应线圈呈L形布置。本发明通过在定阵面表面建立包含时间量和空间量的磁场，采用单个动阵面通过电磁感应原理将定阵面不同位置处的磁信号转化为电信号，将三个感应线圈产生的电信号进行运算处理，从而得到平面二维位移量，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

一种平面二维位移传感器

技术领域

本发明属于直线位移精密测量领域。

背景技术

现有的可进行平面二维位移量测量的传感器分为两种，一种是在测量平面上垂直安装两个线性传感器分别获取两个维度的位移量，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。垂直安装两个线性传感器会给测量系统带来阿贝误差，其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。

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传感器。

所述一种平面二维位移传感器，由上下平行相对布置的定阵面和动阵面两部分构成。定阵面具有定阵面基体，在定阵面基体上布置单层或多层完全相同的并串联的激励线圈矩阵；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。

每一层激励线圈矩阵是由沿X和Y方向布置的多个相同的激励线圈阵列单元构成，所述激励线圈阵列单元之间沿“Z”字型依次串联，且相邻的两个激励线圈阵列单元的中心距为一个极距，用W表示。沿X方向和沿Y方向的极距可以相同也可以不同。

所述激励线圈阵列单元由尺寸、匝数均相同的2个正绕平面矩形螺旋激励线圈和2个反绕平面矩形螺旋激励线圈按“田”字型排列构成，按“U”字型串联以保证任意两个相邻的平面矩形螺旋激励线圈绕制方向相反。四个线圈依次串联即1个正绕(如顺时针绕制)平面矩形螺旋激励线圈、1个反绕(如逆时针绕制)平面矩形螺旋激励线圈、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依次沿“U”型首尾相接。任意相邻两个平面矩形螺旋激励线圈的中心距为半个极距(W/2)。沿X方向或Y方向，正绕或反绕平面矩形螺旋激励线圈由外到内的第p匝线圈与线圈中心的距离为：其中q为正绕或反绕平面矩形螺旋激励线圈的总匝数，p＝1,2,3…q；相邻两个平面矩形螺旋激励线圈的最外匝间距为：

所述定阵面的激励线圈连接频率固定的交流电信号。

所述定阵面的各层激励线圈矩阵之间、激励线圈矩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。

所述感应线圈由尺寸匝数均相同的三个感应线圈组成，且第一感应线圈和第二感应线圈沿X方向布置,第一感应线圈和第三感应线圈沿Y方向布置，即呈L形。每个感应线圈分别由尺寸、匝数、层数均相同的感应线圈单元组成。第二感应线圈与第一感应线圈沿Y方向中心距为零，沿X方向中心距为m＝1,2,3…，最外匝线圈间距为第一感应线圈和第三感应线圈沿X方向中心距为零，沿Y方向中心距为n＝1,2,3…，最外匝线圈间距为

所述感应线圈的感应线圈单元可以为单层或多层，每层均由单匝矩形线圈或多匝平面矩形螺旋线圈组成。

所述动阵面的多层感应线圈单元之间，感应线圈单元与动阵面基体之间沿垂直于动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。

定阵面的激励线圈连接交流激励信号，在定阵面表面产生既随时间变化又随平面二维坐标变化的磁场。当动阵面与定阵面沿任意方向发生相对运动时，动阵面上三个感应线圈单元的磁通量发生变化，分别输出相位不变、幅值随时间和空间坐标变化的三路感应信号。将第二感应线圈产生的感应信号除以第一感应线圈产生的感应信号，得到关于X方向位移量的正切函数；将第三感应线圈产生的感应信号除以第一感应线圈产生的感应信号，得到关于Y方向位移量的正切函数。再通过反正切运算，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。

本发明提出的平面二维位移传感器，通过在定阵面表面建立包含时间量和空间量的磁场，采用单个动阵面通过电磁感应原理将定阵面不同位置处的磁信号转化为电信号。将三个感应线圈产生的电信号进行运算处理，从而得到平面二维位移量。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(a)是激励线圈矩阵11示意图，图2(b)是激励线圈单元111示意图。

图3是第一感应线圈、第二感应线圈和第三感应线圈示意图。

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具有定阵面基体，在定阵面基体上布置单层或多层完全相同的并串联的激励线圈矩阵。定阵面基体采用导磁材料，定阵面采用半导体加工工艺，激励线圈矩阵与定阵面基体之间采用0.1mm厚的绝缘材料间隔。

如图2所示，定阵面1的激励线圈矩阵由四个相同的激励线圈阵列单元111沿“Z”字型依次串联构成，且相邻的两个激励线圈阵列单元的中心距为一个极距W。沿X方向和沿Y方向的极距可以相同也可以不同。

如图2所示，激励线圈阵列单元111由尺寸、匝数均相同的1个正绕平面矩形螺旋激励线圈1111、1个反绕平面矩形螺旋激励线圈1112、1个正绕平面矩形螺旋激励线圈1113和1个反绕平面矩形螺旋激励线圈1114首尾相连，串联组成。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3匝，沿X方向和Y方向的中心距为W/2。沿X方向或Y方向，正绕或反绕平面矩形螺旋激励线圈由内到外的第p匝线圈与线圈中心的距离为：p＝1,2,3；相邻两个平面矩形螺旋激励线圈的最外匝间距为：

参见图3，动阵面2由动阵面基体和布置于动阵面基体表面的第一感应线圈、第二感应线圈和第三感应线圈组成。动阵面基体采用导磁材料，第一、二、三感应线圈都由尺寸相同的单匝感应线圈单元组成。第二感应线圈与第一感应线圈沿Y方向的中心距为零，沿X方向的中心距为：最外匝间距为第三感应线圈和第一感应线圈的中心距为沿X方向为零，沿Y方向为最外匝间距为

采用上述结构布置的传感器，将激励线圈连接角频率为ω的交流激励信号，定阵面上方(x，y，δ)处的磁场强度为：

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。

第一感应线圈21、第二感应线圈22和第三感应线圈23得到的电信号分别为：

其中：k为常系数。

将感应信号进行处理，得到关于X方向和Y方向的位移量x和y的正切函数：

通过反正切运算，求得动阵面相对于定阵面在X方向和Y方向的位移量x和y分别为：

Claims (5)

1.一种平面二维位移传感器，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)具有定阵面基体，在定阵面基体上布置单层或多层完全相同的并串联的激励线圈矩阵，每一层激励线圈矩阵是由沿X和Y方向布置的多个相同的激励线圈阵列单元构成，所述激励线圈阵列单元之间沿“Z”字型依次串联，且相邻两个激励线圈阵列单元的中心距为一个极距W；

所述动阵面(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；所述感应线圈由尺寸匝数均相同的三个感应线圈组成，且第一感应线圈(21)和第二感应线圈(22)沿X方向布置,第一感应线圈(21)和第三感应线圈(23)沿Y方向布置；

定阵面(1)的激励线圈连接交流激励电信号，在定阵面表面产生的磁场强度随着平面二维位置变化呈现周期性变化；当动阵面(2)与定阵面(1)发生相对运动时，第一感应线圈(21)、第二感应线圈(22)和第三感应线圈(23)的感应信号幅值分别发生变化，将第一感应线圈与第二感应线圈的感应信号相除得到仅关于X方向位移量的正切函数信号，将第一感应线圈与第三感应线圈的感应信号相除得到仅关于Y方向位移量的正切函数信号，再分别经过反正切运算即可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所述的平面二维位移传感器，其特征是：所述激励线圈阵列单元由尺寸、匝数均相同的2个正绕平面矩形螺旋激励线圈和2个反绕平面矩形螺旋激励线圈按“田”字型排列、并按“U”字型串联以保证任意两个相邻的平面矩形螺旋激励线圈绕制方向相反；相邻两个平面矩形螺旋激励线圈的中心距为半个极距，即W/2；沿X方向或Y方向，正绕或反绕平面矩形螺旋激励线圈由内到外的第p匝线圈与线圈中心的距离为：其中q为正绕或反绕平面矩形螺旋激励线圈的总匝数，p＝1,2,3…q；相邻两个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所述的平面二维位移传感器，其特征是：所述激励线圈中沿X方向的极距与沿Y方向的极距相同或不同。

4.根据权利要求1所述的平面二维位移传感器，其特征是：所述第一感应线圈和第二感应线圈沿Y方向的中心距为零，沿X方向的中心距为m＝1,2,3…，最外匝间距为第一感应线圈和第三感应线圈沿X方向的中心距为零，沿Y方向的中心距为n＝1,2,3…，最外匝间距为其中q为正绕或反绕平面矩形螺旋激励线圈的总匝数。

5.根据权利要求1或4所述的平面二维位移传感器，其特征是：所述第一感应线圈(21)、第二感应线圈(22)和第三感应线圈(23)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。