CN104848778A - 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，包括由定尺基体和两个传感单元组成的定尺以及由动尺基体和两个导磁单元组成的动尺；传感单元包括激励线圈和感应线圈，激励线圈由零点开始，两端沿两条交错的周期为W的分段函数绕线形成N个“∞”字形连续的绕线轨迹，感应线圈的绕线方式与激励线圈相同，其绕线轨迹为激励线圈绕线轨迹沿测量方向右移后的曲线，两个传感单元的感应线圈串联；导磁单元由多个导磁体沿测量方向等间距排列构成，相邻两个导磁体的中心距等于，每个导磁体的宽度b、长度L满足特定的条件，两个导磁单元内的导磁体的起始位置满足特定的条件。其能避免激励线圈匝数和各匝线圈分布情况对测量精度造成影响。

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

精密直线位移测量通常采用各类直线位移传感器，如光栅、齿栅、容栅等等。它们主要通过两个途径来提高测量分辨力：一是提高空间刻划密度，减小空间栅距；二是提高电子细分倍数。近年来出现了一种基于电磁感应原理的时栅直线位移传感器，与上述直线位移传感器不同，时栅直线位移传感器采用时钟脉冲作为测量基准，因此其分辨力一方面取决于传感器的空间极距，另一方面也取决于插补时钟脉冲的空间当量；由于插补时钟脉冲的空间当量可以取极小，故时栅直线位移传感器在较大的空间极距下也能实现高分辨力位移测量。但若需进一步提高其分辨力，只能通过减小空间极距或者增加传感器的极对数实现，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极对数的情况下，将时栅直线位移传感器的测量分辨力提高一倍，但是其传感单元的激励线圈由多个正绕平面矩形螺旋激励线圈和多个反绕平面矩形螺旋激励线圈沿测量方向依次交错排列构成，传感单元的感应线圈与激励线圈绕线方式不同，激励线圈绕线复杂，从而使传感器结构较复杂，不容易实现；并且传感器的测量精度也会受到激励线圈匝数和各匝线圈分布情况的影响，精度不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种时栅直线位移传感器，以在保证测量分辨力提高一倍的前提下，使传感器结构更简单，以避免激励线圈匝数和各匝线圈分布情况对测量精度造成影响。

本发明所述的时栅直线位移传感器，包括定尺和动尺；所述定尺由导磁的定尺基体(即定尺基体采用导磁材料制作)和设在定尺基体上、下部的两个互不干扰的相同且相互平行的传感单元组成，传感单元包括激励线圈和感应线圈；两个传感单元相距足够远，以保证两个传感单元间互不影响(即其中一个传感单元的激励线圈产生的磁场不会在另一个传感单元的感应线圈中感应出电信号，或者感应出的电信号极小，可以被忽略)，两个传感单元之间的间距一般不低于10mm。

所述动尺由非导磁的动尺基体(即动尺基体采用非导磁材料制作，动尺基体的形状应保证在测量过程中与定尺相对运动时不发生干涉)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，所述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等间距排列构成。

所述激励线圈沿测量方向采用“∞”字形绕线方式绕线，即激励线圈由零点(坐标为(0，0))开始，两端沿两条交错为N个“∞”字形的周期为W的曲线分别绕线，形成激励线圈绕线轨迹(即N个“∞”字形连续的绕线轨迹)，前述零点(即绕线起始点)是两条周期为W的曲线的第一个交点，两条周期为W的曲线都是分段函数，其中一条周期为W的曲线表示为：

$y_1=\left\{\begin{array}{cc}A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[0+\mathrm{iW},\frac{W}{8}+\mathrm{iW})\\ A& x\∈[\frac{W}{8}+\mathrm{iW},\frac{3W}{8}+\mathrm{iW})\\ -A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[\frac{3W}{8}+\mathrm{iW},\frac{5W}{8}+\mathrm{iW})\\ -A& x\∈[\frac{5W}{8}+\mathrm{iW},\frac{7W}{8}+\mathrm{iW})\\ A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[\frac{7W}{8}+\mathrm{iW},W+\mathrm{iW})\end{array}\right.$

另一条周期为W的曲线表示为：

$y_2=\left\{\begin{array}{cc}-A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[0+\mathrm{iW},\frac{W}{8}+\mathrm{iW})\\ -A& x\∈[\frac{W}{8}+\mathrm{iW},\frac{3W}{8}+\mathrm{iW})\\ A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[\frac{3W}{8}+\mathrm{iW},\frac{5W}{8}+\mathrm{iW})\\ A& x\∈[\frac{5W}{8}+\mathrm{iW},\frac{7W}{8}+\mathrm{iW})\\ -A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[\frac{7W}{8}+\mathrm{iW},W+\mathrm{iW})\end{array}\right.$

式中，x方向为测量方向，i依次取值0至N-1中的所有整数(即i＝0,1,2,3,…,N-1)，N表示传感器的极对数，A表示激励线圈绕线轨迹正弦部分的幅值，W等于传感器的极距。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。

所述感应线圈的绕线方式与激励线圈的绕线方式相同，感应线圈绕线轨迹为激励线圈绕线轨迹沿测量方向右移后的曲线，且感应线圈绕线轨迹的“∞”字形个数小于激励线圈绕线轨迹的“∞”字形个数；设在定尺基体上部的传感单元的感应线圈与设在定尺基体下部的传感单元的感应线圈串联。

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在测量方向上，每个导磁体的宽度b应满足：每个导磁体的长度L应大于2A，以保证产生准确可靠的感应信号。

嵌于动尺基体上、下部的两个导磁单元与设在定尺基体上、下部的两个传感单元在垂直于定尺基体的方向上分别正对平行放置，且留有尽可能小的间隙；两个导磁单元内的导磁体与两个传感单元的激励线圈的位置应满足：如果设在定尺基体上部的传感单元的激励线圈的起始位置沿测量方向与设在定尺基体下部的传感单元的激励线圈的起始位置相距S，则嵌于动尺基体上部的导磁单元内的导磁体的起始位置沿测量方向与嵌于动尺基体下部的导磁单元内的导磁体的起始位置相距或者

定尺的两个传感单元的激励线圈分别连接两相对称激励电流(即幅值相同、相位相差90°的两相电流)，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，两个传感单元的两个串联的感应线圈内的磁通量发生周期性变化，并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。

所述激励线圈与感应线圈可以独立的布置在定尺基体的印制电路板的不同布线层上，也可以相互绝缘的嵌在定尺基体的槽内。同一传感单元的激励线圈与感应线圈相互独立，在垂直于定尺基体的方向上尽量靠近，以获得较强的感应信号。

所述导磁体在测量方向上的宽度b等于由于，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；取b等于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。

本发明由于采用了上述结构形式的定尺和动尺，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两个周期，在没有增加刻线精密度或者传感器极对数的情况下，其分辨力提高了一倍；激励线圈与感应线圈都采用“∞”字形绕线方式绕线，传感器结构更简单，避免了激励线圈匝数和各匝线圈分布情况对测量精度造成影响，提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为两个传感单元的激励线圈与感应线圈的一种位置关系图。

图3为动尺基体上的两个导磁单元的一种位置关系图。

图4为两个导磁单元与两个传感单元在垂直于定尺基体的方向上正对的一种位置关系图。

图5为两个传感单元的激励线圈与感应线圈的另一种位置关系图。

图6为动尺基体上的两个导磁单元的另一种位置关系图。

图7为两个导磁单元与两个传感单元在垂直于定尺基体的方向上正对的另一种位置关系图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作详细说明。

实施例1:如图1至图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由定尺基体11和两个互不干扰的相同且相互平行的传感单元12组成，两个传感单元12之间的间距等于10mm，定尺基体11为长方体状的铁基体，以定尺基体11的长边方向为测量方向，传感单元12包括激励线圈121和感应线圈122，激励线圈121与感应线圈122采用印制电路布线方法，独立的布置在印制电路板的不同布线层上，将两组布置有激励线圈121与感应线圈122的印制电路板相互平行地固定在定尺基体11的表面的上部、下部即构成前述的两个传感单元12。

其中，激励线圈121沿测量方向采用“∞”字形绕线方式绕线，即激励线圈121由零点(坐标为(0，0))开始，两端沿两条交错为4个“∞”字形的周期为W的曲线分别绕线，形成激励线圈绕线轨迹(即4个“∞”字形连续的绕线轨迹)，前述零点(即绕线起始点)是两条周期为W的曲线的第一个交点(即图2中的C点)，两条周期为W的曲线都是分段函数，其中一条周期为W的曲线表示为：

$y_1=\left\{\begin{array}{cc}A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[0+\mathrm{iW},\frac{W}{8}+\mathrm{iW})\\ A& x\∈[\frac{W}{8}+\mathrm{iW},\frac{3W}{8}+\mathrm{iW})\\ -A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[\frac{3W}{8}+\mathrm{iW},\frac{5W}{8}+\mathrm{iW})\\ -A& x\∈[\frac{5W}{8}+\mathrm{iW},\frac{7W}{8}+\mathrm{iW})\\ A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[\frac{7W}{8}+\mathrm{iW},W+\mathrm{iW})\end{array}\right.---\left(1\right)$

另一条周期为W的曲线表示为：

$y_2=\left\{\begin{array}{cc}-A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[0+\mathrm{iW},\frac{W}{8}+\mathrm{iW})\\ -A& x\∈[\frac{W}{8}+\mathrm{iW},\frac{3W}{8}+\mathrm{iW})\\ A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[\frac{3W}{8}+\mathrm{iW},\frac{5W}{8}+\mathrm{iW})\\ A& x\∈[\frac{5W}{8}+\mathrm{iW},\frac{7W}{8}+\mathrm{iW})\\ -A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[\frac{7W}{8}+\mathrm{iW},W+\mathrm{iW})\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，x方向为测量方向，i＝0,1,2,3，A表示激励线圈绕线轨迹正弦部分的幅值，W等于传感器的极距。激励线圈121的两条绕线(即沿y₁、y₂曲线绕制的两条线)分别布置在印制电路板的两个独立的布线层上，两条绕线的起始点(对应于图2中的C点)通过过孔连接，一条绕线的终点为激励电流的流入端，另一条绕线的终点为激励电流的流出端；定尺基体11上部的传感单元12的激励线圈121的起始位置沿测量方向与定尺基体11下部的传感单元12的激励线圈121的起始位置对齐(即定尺基体11上部的传感单元12的激励线圈121的起始位置沿测量方向与定尺基体11下部的传感单元12的激励线圈121的起始位置相距S，该S取值为0)。

感应线圈122的绕线方式与激励线圈121的绕线方式相同，感应线圈绕线轨迹为激励线圈绕线轨迹沿测量方向右移后且只有3个“∞”字形连续的绕线轨迹；感应线圈122的两条绕线分别布置在印制电路板的两个独立的布线层上，两条绕线的起始点(对应于图2中的D点)通过过孔连接，一条绕线的终点为感应电流的输出端，另一条绕线的终点为连接端；定尺基体11上部的传感单元12的感应线圈122的起始位置沿测量方向与定尺基体11下部的传感单元12的感应线圈122的起始位置对齐，定尺基体11上部的传感单元12的感应线圈122与定尺基体11下部的传感单元12的感应线圈122串联(即两个感应线圈在前述连接端处连接)。同一传感单元的激励线圈与感应线圈在垂直于定尺基体的方向上尽量靠近，以获得较强的感应信号。

动尺2由呈长方体状的动尺基体21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；动尺基体21采用非导磁材料铝制作；每个导磁单元均由3个相同的长方体状的导磁体22沿测量方向等间距排列构成，相邻两个导磁体22的中心距等于以导磁体22嵌入动尺基体21的方向为导磁体的高度方向，在测量方向上，每个导磁体的宽度b等于每个导磁体的长度L大于2A；嵌于动尺基体21上部的导磁单元内的导磁体22的起始位置沿测量方向与嵌于动尺基体21下部的导磁单元内的导磁体22的起始位置相距

动尺基体21上、下部的两个导磁单元与定尺基体11上、下部的两个传感单元12在垂直于定尺基体11的方向上分别正对平行放置，且留有尽可能小的间隙。

定尺基体11上部、下部的两个传感单元12的激励线圈121分别连接两相幅值相同、相位相差90°的正弦激励电流，当动尺2与定尺1沿测量方向发生相对运动时，导磁体22相对感应线圈122运动，两个传感单元的感应线圈将分别产生式(3)和式(4)的感应信号：

$e_1=E_1\sin 2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\sin (2\mathrm{\π}\frac{x}{W}+\frac{\mathrm{\π}}{4})\cos (2\mathrm{\π}\frac{x}{W}+\frac{\mathrm{\π}}{4})---\left(3\right)$

$e_2=E_1\cos 2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\sin 2\mathrm{\π}\frac{x}{W}\cos 2\mathrm{\π}\frac{x}{w}---\left(4\right)$

两个传感单元的感应线圈串联输出式(5)的感应信号：

$e=e_1+e_2=\frac{1}{2}{E}_1\sin (2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2})---\left(5\right)$

式中：E₁为两个传感单元的感应线圈分别产生的感应电压的幅值，T为电流变化周期，x为动尺相对定尺的直线位移。

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1个极距W，感应信号的初相角(即式(5)中的)变化两个周期，将式(5)中的感应信号与上述正弦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2相对定尺1的直线位移。

实施例2：如图5至图7所示的时栅直线位移传感器，其结构大部分与实施例1相同，不同之处在于：定尺基体11上部的传感单元12的激励线圈121的起始位置沿测量方向与定尺基体11下部的传感单元12的激励线圈121的起始位置相距S(S不等于0)，定尺基体11上部的传感单元12的感应线圈122的起始位置沿测量方向与定尺基体11下部的传感单元12的感应线圈122的起始位置相距S(S不等于0)。嵌于动尺基体21上部的导磁单元内的导磁体22的起始位置沿测量方向与嵌于动尺基体21下部的导磁单元内的导磁体22的起始位置相距 $S-\frac{W}{8}.$

定尺基体11上部、下部的两个传感单元12的激励线圈121分别连接两相幅值相同、相位相差90°的正弦激励电流，当动尺2与定尺1沿测量方向发生相对运动时，导磁体22相对感应线圈122运动，两个传感单元的感应线圈将分别产生式(6)和式(7)的感应信号：

$e_1=E_2\sin 2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\sin (2\mathrm{\π}\frac{x}{W}+\frac{\mathrm{\π}}{4})\cos (2\mathrm{\π}\frac{x}{W}+\frac{\mathrm{\π}}{4})---\left(6\right)$

$e_2=E_2\cos 2\mathrm{\π}\frac{t}{T}\sin 2\mathrm{\π}\frac{x}{W}\cos 2\mathrm{\π}\frac{x}{w}---\left(7\right)$

两个传感单元的感应线圈串联输出式(8)的感应信号：

$e=e_1+e_2=\frac{1}{2}{E}_2\sin (2\mathrm{\π}\frac{t}{T}+2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2})---\left(8\right)$

式中：E₂为两个传感单元的感应线圈分别产生的感应电压的幅值，T为电流变化周期，x为动尺相对定尺的直线位移。

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运动一个极距，感应信号的初相角(即式(8)中的)变化两个周期，将式(8)中的感应信号与上述正弦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2相对定尺1的直线位移。

实施例3：其结构大部分与实施例1相同，不同之处在于：导磁单元由一个长方体状的导磁体22构成；激励线圈121与感应线圈122相互绝缘的嵌在定尺基体11的槽内。

Claims (4)

1.一种时栅直线位移传感器，包括定尺(1)和动尺(2)，所述定尺(1)由导磁的定尺基体(11)和设在定尺基体上、下部的两个互不干扰的相同且相互平行的传感单元(12)组成，传感单元包括激励线圈(121)和感应线圈(122)；所述动尺(2)由非导磁的动尺基体(21)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，所述导磁单元由一个长方体状的导磁体(22)构成或者由多个相同的长方体状的导磁体(22)沿测量方向等间距排列构成；其特征在于：

所述激励线圈(121)由零点开始，两端沿两条交错为N个“∞”字形的周期为W的曲线分别绕线，形成激励线圈绕线轨迹，其中一条周期为W的曲线表示为：

$y_1=\left\{\begin{array}{cc}A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[0+\mathrm{iW},\frac{W}{8}+\mathrm{iW})\\ A& x\∈[\frac{W}{8}+\mathrm{iW},\frac{3W}{8}+\mathrm{iW})\\ -A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[\frac{3W}{8}+\mathrm{iW},\frac{5W}{8}+\mathrm{iW})\\ -A& x\∈[\frac{5W}{8}+\mathrm{iW},\frac{7W}{8}+\mathrm{iW})\\ A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[\frac{7W}{8}+\mathrm{iW},W+\mathrm{iW})\end{array}\right.$

另一条周期为W的曲线表示为：

$y_2=\left\{\begin{array}{cc}-A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[0+\mathrm{iW},\frac{W}{8}+\mathrm{iW})\\ -A& x\∈[\frac{W}{8}+\mathrm{iW},\frac{3W}{8}+\mathrm{iW})\\ A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[\frac{3W}{8}+\mathrm{iW},\frac{5W}{8}+\mathrm{iW})\\ A& x\∈[\frac{5W}{8}+\mathrm{iW},\frac{7W}{8}+\mathrm{iW})\\ -A\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{W/2}\right)& x\∈[\frac{7W}{8}+\mathrm{iW},W+\mathrm{iW})\end{array}\right.$

式中，x方向为测量方向，i依次取值0至N-1中的所有整数，N表示传感器的极对数，A表示激励线圈绕线轨迹正弦部分的幅值，W等于传感器的极距；

所述感应线圈(122)的绕线方式与激励线圈(121)的绕线方式相同，感应线圈绕线轨迹为激励线圈绕线轨迹沿测量方向右移后的曲线，且感应线圈绕线轨迹的“∞”字形个数小于激励线圈绕线轨迹的“∞”字形个数；设在定尺基体上部的传感单元的感应线圈与设在定尺基体下部的传感单元的感应线圈串联；

在由多个所述导磁体(22)构成的导磁单元中，相邻两个导磁体的中心距等于在测量方向上，每个导磁体的宽度b应满足：每个导磁体的长度L应大于2A；

嵌于动尺基体上、下部的两个导磁单元与设在定尺基体上、下部的两个传感单元在垂直于定尺基体的方向上分别正对平行放置，且留有间隙；两个导磁单元内的导磁体与两个传感单元的激励线圈的位置应满足：如果设在定尺基体上部的传感单元的激励线圈的起始位置沿测量方向与设在定尺基体下部的传感单元的激励线圈的起始位置相距S，则嵌于动尺基体上部的导磁单元内的导磁体的起始位置沿测量方向与嵌于动尺基体下部的导磁单元内的导磁体的起始位置相距或者

定尺(1)的两个传感单元(12)的激励线圈(121)分别连接两相对称激励电流，当动尺(2)与定尺(1)沿测量方向发生相对运动时，导磁体(22)相对感应线圈(122)运动，两个传感单元的感应线圈串联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：所述激励线圈(121)与感应线圈(122)独立的布置在定尺基体的印制电路板的不同布线层上。

3.根据权利要求1所述的时栅直线位移传感器，其特征在于：所述激励线圈(121)与感应线圈(122)相互绝缘的嵌在定尺基体的槽内。

4.根据权利要求1或2或3所述的时栅直线位移传感器，其特征在于：所述导磁体(22)在测量方向上的宽度b等于