CN105300262A

CN105300262A - 一种绝对式时栅直线位移传感器

Info

Publication number: CN105300262A
Application number: CN201510772771.7A
Authority: CN
Inventors: 汤其富; 彭东林; 陈锡侯; 鲁进; 武亮; 王阳阳
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing Han's Shizha Technology Co., Ltd.
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2035-11-12
Also published as: CN105300262B

Abstract

本发明公开了一种绝对式时栅直线位移传感器，包括定尺和动尺；定尺由定尺基体和第一、第二感应线圈构成，第一、第二感应线圈采用“∞”字形绕线方式绕线；动尺由动尺基体和第一、第二激励单元构成，第一激励单元由4a₁个第一导磁体和4a₁个第一励磁线圈构成，第二激励单元由4a₂个第二导磁体和4a₂个第二励磁线圈构成，4a₁个第一励磁线圈中分别通入四路激励电流，4a₂个第二励磁线圈也分别通入四路激励电流，动尺相对于定尺运动，第一、第二感应线圈中分别输出第一、第二感应信号，将第一、第二感应信号进行鉴相处理，得到的相位差用插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后即可得到动尺的绝对位移量。该传感器能在实现绝对式直线位移测量的同时提高测量分辨力和精度。

Description

一种绝对式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，具体涉及一种绝对式时栅直线位移传感器。

背景技术

安装有绝对式直线位移传感器的机床或生产线，在重新上电后就可以立即得到当前的位置信息，不需要执行寻零操作，可以马上从中断处继续原来的加工操作，因此绝对式直线位移测量可以提高系统的工作效率；另外，绝对式直线位移测量不会引起累计误差，其可靠性和抗干扰性要优于增量式直线位移测量。

目前，精密的绝对式直线位移测量通常采用光栅尺作为传感单元，但因其工作原理的特点，对工作环境要求较高。基于电磁感应原理的时栅直线位移传感器可以应用于环境较差的工作场合，但目前大多数都是增量式直线位移传感器，而且即使采用单周期结构的位移传感器进行绝对式直线位移测量，也很难保证其具有较高的测量分辨力和测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种绝对式时栅直线位移传感器，以在实现绝对式直线位移测量的同时提高测量分辨力和测量精度。

本发明所述的绝对式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)、设在定尺基体正面上部的第一感应线圈和设在定尺基体正面下部的第二感应线圈构成，第一感应线圈与第二感应线圈互不干扰(即第一感应线圈产生的第一感应信号与第二感应线圈产生的第二感应信号互不影响)。

所述第一感应线圈沿测量方向采用“∞”字形绕线方式绕线，由零点(坐标为(0，0))开始，两端同时沿幅值为A₁、周期为W₁、初相角为0和π的两条正弦曲线分别绕线，交错形成具有N₁个“∞”字形的第一感应线圈绕线轨迹，前述零点(即绕线起始点)是两条正弦曲线的第一个交点；所述第二感应线圈沿测量方向采用“∞”字形绕线方式绕线，由零点(坐标为(0，0))开始，两端同时沿幅值为A₂、周期为W₂、初相角为0和π的两条正弦曲线分别绕线，交错形成具有N₂个“∞”字形的第二感应线圈绕线轨迹，前述零点(即绕线起始点)是两条正弦曲线的第一个交点；第一感应线圈绕线轨迹的起始位置沿测量方向与第二感应线圈绕线轨迹的起始位置相距S；其中，N₁＞3，N₂＞3，N₁、N₂为整数且N₂＝N₁±1，(即当N₂＝N₁+1时，当N₂＝N₁-1时，)。第一感应线圈的中心与第二感应线圈的中心在垂直于测量方向上的距离k满足：k≥A₁+A₂+5mm，就可以保证第一感应线圈产生的第一感应信号与第二感应线圈产生的第二感应信号互不影响。

所述动尺由导磁的动尺基体(即动尺基体由导磁材料制作)、设在动尺基体背面上部的第一激励单元和设在动尺基体背面下部的第二激励单元构成，第一激励单元的起始位置沿测量方向与第二激励单元的起始位置相距S。

所述第一激励单元由等间距排列构成的4a₁个方形的第一导磁体和分别套在第一导磁体上与第一导磁体形状相匹配的4a₁个第一励磁线圈构成，相邻两个第一导磁体的中心距等于其中，a₁为整数且(即a₁的取值为该范围内的任一整数)，在测量方向上，第一导磁体的宽度b₁应满足：第一导磁体的长度l₁应大于2A₁。所述第二激励单元由等间距排列构成的4a₂个方形的第二导磁体和分别套在第二导磁体上与第二导磁体形状相匹配的4a₂个第二励磁线圈构成，相邻两个第二导磁体的中心距等于其中，a₂为整数且(即a₂的取值为该范围内的任一整数)，在测量方向上，第二导磁体的宽度b₂应满足：第二导磁体的长度l₂应大于2A₂，第二导磁体的高度与第一导磁体的高度相等。第一激励单元的中心与第二激励单元的中心在垂直于测量方向上的距离等于第一感应线圈的中心与第二感应线圈的中心在垂直于测量方向上的距离k，第一、第二激励单元与第一、第二感应线圈分别正对平行且留有尽可能小的间隙。

第一激励单元的起始位置与第一感应线圈的起始位置对齐时的位置为动尺运动的起始位置，第一激励单元的终止位置与第一感应线圈的终止位置或者第二激励单元的终止位置与第二感应线圈的终止位置先对齐时的位置为动尺运动的终止位置，从动尺运动的起始位置起到动尺运动的终止位置止的长度为传感器的位移量程L(即直线位移的测量范围为0～L)，当

3 W_{1} a_{1} - \frac{3 W_{1}}{4} + b_{1} > 3 W_{2} a_{2} - \frac{3 W_{2}}{4} + b_{2}

时，

L = N_{1} W_{1} - 3 W_{1} a_{1} + \frac{3 W_{1}}{4} - b_{1};

当

3 W_{1} a_{1} - \frac{3 W_{1}}{4} + b_{1} < 3 W_{2} a_{2} - \frac{3 W_{2}}{4} + b_{2}

时，

L = N_{2} W_{2} - 3 W_{2} a_{2} + \frac{3 W_{2}}{4} - b_{2} .

第4m₁-3个第一励磁线圈和第4m₂-3个第二励磁线圈中都通入第一激励电流第4m₁-2个第一励磁线圈和第4m₂-2个第二励磁线圈中都通入第二激励电流第4m₁-1个第一励磁线圈和第4m₂-1个第二励磁线圈中都通入第三激励电流第4m₁个第一励磁线圈和第4m₂个第二励磁线圈中都通入第四激励电流m₁依次取值1至a₁中的所有整数，m₂依次取值1至a₂中的所有整数；动尺沿测量方向相对于定尺运动，第一、第二激励单元相对于第一、第二感应线圈运动，第一、第二感应线圈内的磁通量发生周期性变化，第一感应线圈中输出幅值恒定、相位周期性变化的第一感应信号，第二感应线圈中输出幅值恒定、相位周期性变化的第二感应信号，将第一、第二感应信号进行鉴相处理，得到第一、第二感应信号的相位差，令动尺运动的起始位置的第一、第二感应信号的相位差为0，则在整个测量范围0～L内，第一、第二感应信号的相位差将从0线性变化到将某个位置对应的相位差θ用插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后即可得到动尺在该位置的绝对位移量

第一、第二感应线圈的布置方式有两种：第一种是，在定尺基体正面上部开设第一嵌线槽，第一感应线圈嵌在该第一嵌线槽内，在定尺基体正面下部开设第二嵌线槽，第二感应线圈嵌在该第二嵌线槽内；第二种是，将第一、第二感应线圈独立的布置在定尺印制电路板的布线层上，将定尺印制电路板安装在定尺基体上。

第一、第二励磁线圈的布置方式有两种：第一种是，直接由漆包线沿第一导磁体的四周绕制形成第一励磁线圈，直接由漆包线沿第二导磁体的四周绕制形成第二励磁线圈；第二种是，将第一励磁线圈布置在第一印制电路板上，在第一印制电路板中心开设与第一导磁体的形状相匹配的方形孔，将第一印制电路板通过该方形孔套在第一导磁体上，将第二励磁线圈布置在第二印制电路板上，在第二印制电路板中心开设与第二导磁体的形状相匹配的方形孔，将第二印制电路板通过该方形孔套在第二导磁体上。

所述第一导磁体的宽度b₁等于所述第二导磁体的宽度b₂等于由于，在时，随着b₁、b₂的增大第一感应线圈输出的第一感应信号和第二感应线圈输出的第二感应信号越强，在时，第一感应线圈输出的第一感应信号和第二感应线圈输出的第二感应信号最强；在时，随着b₁、b₂的增大第一感应线圈输出的第一感应信号和第二感应线圈输出的第二感应信号越弱，且随着b₁、b₂的增大，布置第一、第二励磁线圈的空间越小；取第一感应线圈输出的第一感应信号和第二感应线圈输出的第二感应信号最强(即幅值最大)，测量更方便、容易。

本发明与现有技术相比具有如下效果：

(1)本发明采用了与增量式传感器类似的多周期重复结构(即第一、第二感应线圈具有多个重复周期)，在测量范围内感应信号变化多个周期，而单周期结构的时栅直线位移传感器在测量范围内感应信号仅变化一个周期。因此，本发明的测量分辨力比单周期结构的时栅直线位移传感器的分辨力高。

(2)由于本发明采用了多周期重复结构，第一、第二激励单元产生的磁场可同时作用于多个周期的第一、第二感应线圈，使第一、第二感应线圈内的总磁通具有平均效果，从而减小了传感器的安装误差对测量结果的影响。

(3)本发明将第一、第二感应线圈设计为正弦形状，可以抑制磁通谐波，使感应信号相位与被测位移之间的线性度较高，而传统的时栅直线位移传感器采用方形感应线圈使磁通中含有奇次谐波，导致了感应信号相位与被测位移之间的线性误差。因此，本发明的测量精度因磁通谐波被抑制而得到了提高。

综上所述，本发明不仅能进行绝对直线位移测量，同时也提高了测量分辨力和测量精度，而且受安装结构影响较小。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为实施例1中定尺的结构示意图。

图3为实施例1中动尺的后视图。

图4为实施例1中动尺运动的起始位置第一、第二激励单元与第一、第二感应线圈的关系图。

图5为实施例1动尺运动过程中第一、第二激励单元与第一、第二感应线圈的位置关系图。

图6为实施例1中动尺运动的终止位置第一、第二激励单元与第一、第二感应线圈的关系图。

图7为实施例2中定尺的结构示意图。

图8为实施例2中动尺的后视图。

图9为实施例2中动尺运动的起始位置第一、第二激励单元与第一、第二感应线圈的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

实施例1：如图1至图6所示的绝对式时栅直线位移传感器，包括定尺1和动尺2。

定尺1由导磁的定尺基体13、第一感应线圈11和第二感应线圈12构成，定尺基体13采用长方体状的铁基体，以定尺基体13的长边方向为测量方向，定尺基体13正面上部开设有第一嵌线槽131，第一感应线圈11嵌在该第一嵌线槽131内，定尺基体13正面下部开设有第二嵌线槽132，第二感应线圈12嵌在该第二嵌线槽132内，第一感应线圈11与第二感应线圈12互不干扰(即第一感应线圈11产生的第一感应信号与第二感应线圈12产生的第二感应信号互不影响)。

第一感应线圈11沿测量方向采用“∞”字形绕线方式绕线，由零点(坐标为(0，0))开始，两端同时沿幅值为3mm、周期为16mm、初相角为0和π的两条正弦曲线分别绕线，交错形成具有4个“∞”字形的第一感应线圈绕线轨迹，前述零点(即绕线起始点)是两条正弦曲线的第一个交点(即图2中的A点)；第二感应线圈12沿测量方向采用“∞”字形绕线方式绕线，由零点(坐标为(0，0))开始，两端同时沿幅值为3mm、周期为12.8mm、初相角为0和π的两条正弦曲线分别绕线，交错形成具有5个“∞”字形的第二感应线圈绕线轨迹，前述零点(即绕线起始点)是两条正弦曲线的第一个交点(即图2中的B点)；第一感应线圈绕线轨迹的起始位置(对应于图2中的A点)沿测量方向与第二感应线圈绕线轨迹的起始位置(对应于图2中的B点)对齐(即S＝0)；第一感应线圈11的中心与第二感应线圈12的中心在垂直于测量方向上的距离等于11mm。

动尺2由导磁的动尺基体23、设在动尺基体23背面上部的第一激励单元21和设在动尺基体23背面下部的第二激励单元22构成，动尺基体23采用长方体状的铁基体，第一激励单元21的起始位置沿测量方向与第二激励单元22的起始位置对齐，第一激励单元21的中心与第二激励单元22的中心在垂直于测量方向上的距离等于11mm。

第一激励单元21由等间距排列构成的4个相同的第一导磁体211和分别套在4个第一导磁体211上与第一导磁体形状相匹配的4个第一励磁线圈212构成，第一导磁体211为长方体状的铁块，第一励磁线圈212由漆包线沿第一导磁体211的四周绕制形成，相邻两个第一导磁体211的中心距等于12mm，在测量方向上，第一导磁体211的宽度b₁等于8mm，第一导磁体211的长度l₁等于7mm；第二激励单元22由等间距排列构成的4个相同的第二导磁体221和分别套在4个第二导磁体221上与第二导磁体形状相匹配的4个第二励磁线圈222构成，第二导磁体221为长方体状的铁块，第二励磁线圈222由漆包线沿第二导磁体221的四周绕制形成，相邻两个第二导磁体221的中心距等于9.6mm，在测量方向上，第二导磁体221的宽度b₂等于6.4mm，第二导磁体221的长度l₂等于7mm。第一、第二导磁体的高度相等，都等于7mm。

第一、第二激励单元与第一、第二感应线圈分别正对平行且留有0.1mm～1mm的间隙，第一激励单元21的起始位置沿测量方向与第一感应线圈11的起始位置对齐，第二激励单元22的起始位置沿测量方向与第二感应线圈12的起始位置对齐。

第一激励单元21的起始位置与第一感应线圈11的起始位置对齐时的位置为动尺2运动的起始位置，第一激励单元21的终止位置与第一感应线圈11的终止位置(对应于图2中的E点)对齐时的位置为动尺2运动的终止位置，从动尺2运动的起始位置起到动尺2运动的终止位置止的长度为传感器的位移量程20mm(即直线位移的测量范围为0～20mm)。

第一个第一励磁线圈212和第一个第二励磁线圈222中都通入第一激励电流第二个第一励磁线圈212和第二个第二励磁线圈222中都通入第二激励电流第三个第一励磁线圈212和第三个第二励磁线圈222中都通入第三激励电流第四个第一励磁线圈212和第四个第二励磁线圈222中都通入第四激励电流动尺2沿测量方向相对于定尺1运动，第一激励单元21、第二激励单元22相对于第一感应线圈11、第二感应线圈12运动，第一感应线圈11和第二感应线圈12内的磁通量发生周期性变化，第一感应线圈11中输出幅值恒定、相位周期性变化的第一感应信号，第二感应线圈12中输出幅值恒定、相位周期性变化的第二感应信号，将第一感应信号与第二感应信号进行鉴相处理，得到第一、第二感应信号的相位差，令动尺2运动的起始位置的第一、第二感应信号的相位差为0，则在整个测量范围0～20mm内，第一、第二感应信号的相位差将从0线性变化到将某个位置对应的相位差θ用插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后即可得到动尺在该位置的绝对位移量

实施例2：如图7至图9所示的绝对式时栅直线位移传感器，其结构以及工作原理与实施例1中的大部分相同，不同之处在于：第一感应线圈11与第二感应线圈12独立的布置在定尺印制电路板14的布线层上，定尺印制电路板14安装在定尺基体13上，第一感应线圈绕线轨迹的起始位置(对应于图7中的C点)沿测量方向与第二感应线圈绕线轨迹的起始位置(对应于图7中的D点)相距2mm。第一励磁线圈212布置在第一印制电路板24上，该第一印制电路板中心开设有与第一导磁体211的形状相匹配的长方形孔，第一印制电路板24通过该长方形孔套在第一导磁体211上；第二励磁线圈222布置在第二印制电路板25上，该第二印制电路板中心开设有与第二导磁体221的形状相匹配的长方形孔，第二印制电路板25通过该长方形孔套在第二导磁体221上，第一激励单元21的起始位置沿测量方向与第二激励单元22的起始位置相距2mm。

Claims

1.一种绝对式时栅直线位移传感器，包括定尺(1)和动尺(2)，其特征在于：

所述定尺(1)由导磁的定尺基体(13)、设在定尺基体正面上部的第一感应线圈(11)和设在定尺基体正面下部的第二感应线圈(12)构成，第一感应线圈(11)与第二感应线圈(12)互不干扰；

所述第一感应线圈(11)由零点开始，两端同时沿幅值为A₁、周期为W₁、初相角为0和π的两条正弦曲线分别绕线，交错形成具有N₁个“∞”字形的第一感应线圈绕线轨迹；所述第二感应线圈(12)由零点开始，两端同时沿幅值为A₂、周期为W₂、初相角为0和π的两条正弦曲线分别绕线，交错形成具有N₂个“∞”字形的第二感应线圈绕线轨迹；第一感应线圈绕线轨迹的起始位置沿测量方向与第二感应线圈绕线轨迹的起始位置相距S；其中，N₁＞3，N₂＞3，N₁、N₂为整数且N₂＝N₁±1，

所述动尺(2)由导磁的动尺基体(23)、设在动尺基体背面上部的第一激励单元(21)和设在动尺基体背面下部的第二激励单元(22)构成，第一激励单元的起始位置沿测量方向与第二激励单元的起始位置相距S；

所述第一激励单元(21)由等间距排列构成的4a₁个方形的第一导磁体(211)和分别套在第一导磁体上与第一导磁体形状相匹配的4a₁个第一励磁线圈(212)构成，相邻两个第一导磁体的中心距等于其中，a₁为整数且在测量方向上，第一导磁体的宽度b₁应满足：第一导磁体的长度l₁应大于2A₁；

所述第二激励单元(22)由等间距排列构成的4a₂个方形的第二导磁体(221)和分别套在第二导磁体上与第二导磁体形状相匹配的4a₂个第二励磁线圈(222)构成，相邻两个第二导磁体的中心距等于其中，a₂为整数且在测量方向上，第二导磁体的宽度b₂应满足：第二导磁体的长度l₂应大于2A₂，第二导磁体的高度与第一导磁体的高度相等；

第一激励单元(21)的中心与第二激励单元(22)的中心在垂直于测量方向上的距离等于第一感应线圈(11)的中心与第二感应线圈(12)的中心在垂直于测量方向上的距离，第一、第二激励单元(21、22)与第一、第二感应线圈(11、12)分别正对平行且留有间隙；

第4m₁-3个第一励磁线圈和第4m₂-3个第二励磁线圈中都通入第一激励电流第4m₁-2个第一励磁线圈和第4m₂-2个第二励磁线圈中都通入第二激励电流第4m₁-1个第一励磁线圈和第4m₂-1个第二励磁线圈中都通入第三激励电流第4m₁个第一励磁线圈和第4m₂个第二励磁线圈中都通入第四激励电流m₁依次取值1至a₁中的所有整数，m₂依次取值1至a₂中的所有整数；动尺(2)沿测量方向相对于定尺(1)运动，第一感应线圈中输出幅值恒定、相位周期性变化的第一感应信号，第二感应线圈中输出幅值恒定、相位周期性变化的第二感应信号，将第一、第二感应信号进行鉴相处理，相位差用插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到动尺的绝对位移量。

2.根据权利要求1所述的绝对式时栅直线位移传感器，其特征在于：所述定尺基体(13)正面上部开设有第一嵌线槽(131)，所述第一感应线圈(11)嵌在该第一嵌线槽内；所述定尺基体(13)正面下部开设有第二嵌线槽(132)，所述第二感应线圈(12)嵌在该第二嵌线槽内。

3.根据权利要求1所述的绝对式时栅直线位移传感器，其特征在于：所述第一感应线圈(11)与第二感应线圈(12)独立的布置在定尺基体的定尺印制电路板(14)的布线层上。

4.根据权利要求1所述的绝对式时栅直线位移传感器，其特征在于：所述第一励磁线圈(212)由漆包线沿第一导磁体(211)的四周绕制形成，所述第二励磁线圈(222)由漆包线沿第二导磁体(221)的四周绕制形成。

5.根据权利要求1所述的绝对式时栅直线位移传感器，其特征在于：所述第一励磁线圈(212)布置在第一印制电路板(24)上，该第一印制电路板中心开设有与第一导磁体的形状相匹配的方形孔，第一印制电路板通过该方形孔套在第一导磁体(211)上；所述第二励磁线圈(222)布置在第二印制电路板(25)上，该第二印制电路板中心开设有与第二导磁体的形状相匹配的方形孔，第二印制电路板通过该方形孔套在第二导磁体(221)上。

6.根据权利要求1至5任一所述的绝对式时栅直线位移传感器，其特征在于：所述第一导磁体(211)的宽度b₁等于所述第二导磁体(221)的宽度b₂等于