CN106257231B - 一种单列双排式二维时栅直线位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单列双排式二维时栅直线位移传感器，包括定尺和动尺，定尺包括定尺基体和采用矩形波绕线的第一、第二激励线圈，动尺包括动尺基体和采用半正弦绕线方式绕制的第一、第二、第三、第四感应线圈；第一、第二激励线圈中通入激励电流，当动尺相对定尺运动时，第一感应线圈输出的感应信号移相90°后与第二感应线圈输出的感应信号叠加形成X向行波信号，第三感应线圈输出的感应信号移相90°后与第四感应线圈输出的感应信号叠加形成Y向行波信号，该X、Y向行波信号再分别与同频率参考信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到X、Y方向的直线位移。该传感器结构简单，测量分辨力高，易批量制造，成本低。

Description

一种单列双排式二维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，具体涉及一种单列双排式二维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，大量存在于以制造业为代表的工业实践和科学实践中，其中直线平面位移测量是其中的典型应用，常用于需要同时测量X坐标与Y坐标的机床设备以及平面工作台。目前，平面二维位移测量主要分为两种形式，一种是在X方向与Y方向分别安装直线位移传感器，实现平面二维位移的测量，另一种采用一体化的二维直线位移传感器，如二维光栅传感器、二维磁栅传感器等。第一种方式简单，但是同时安装两个传感器，安装精度的一致性难以保证，将会引入较大的测量误差，而且某些应用环境，不具备同时安装两个传感器的条件。第二种方式是目前优先的方案。目前，常用的平面二维传感器都是通过对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与精密测量要求，通常需要依靠复杂的电子细分技术，对传感器输出的原始信号进行细分处理，使测量系统的结构更加复杂，成本增加，且抗干扰能力差，易受到工作环境干扰的影响。

近年来国内研制出了一种以时钟脉冲作为位移测量基准的时栅直线位移传感器，其不依赖空间精密刻线，能实现高分辨力与高精度的位移测量。目前，已研制的二维时栅直线位移传感器，分层较多，激励线圈绕线复杂，从而使传感器结构较复杂，制造难度大且成本高，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。

发明内容

本发明的目的是提供一种单列双排式二维时栅直线位移传感器，以减少传感器线圈分层数与绕线复杂程度，简化传感器结构，降低制造成本。

本发明所述的单列双排式二维时栅直线位移传感器，包括定尺和与定尺平行正对且留有间隙的动尺。

所述定尺包括定尺基体、设在定尺基体正对动尺一面的第一激励线圈、设在第一激励线圈之上的第二布线层和设在第二布线层内的第二激励线圈，定尺基体的投影能将第一、第二激励线圈完全覆盖；所述第一激励线圈沿X方向呈矩形波绕制，该矩形波的幅值为L₁、周期为W₁、占空比为0.5、长度为N₁W₁；所述第二激励线圈沿Y方向呈矩形波绕制，该矩形波的幅值为L₂、周期为W₂、占空比为0.5、长度为N₂W₂；其中，L₁＝N₂W₂，L₂＝N₁W₁，N₁表示第一激励线圈的矩形波周期数，N₂表示第二激励线圈的矩形波周期数，第二激励线圈的起始位置与第一激励线圈的起始位置在垂直于定尺基体的方向上对齐。

所述动尺包括动尺基体和设在动尺基体正对定尺一面的第一、第二、第三、第四感应线圈，动尺基体的投影能将第一、第二、第三、第四感应线圈完全覆盖；所述第一感应线圈沿周期为W₁的曲线绕制，形成第一感应线圈绕线轨迹，所述第二感应线圈沿周期为W₁的曲线绕制，形成第二感应线圈绕线轨迹，其中，i₁依次取值0至j₁-1中的所有整数，j₁为整数且0＜j₁＜N₁(即j₁为0与N₁之间的任一整数)，N₁表示第一、第二激励线圈的矩形波周期数，b₁为常数，且b₁不等于0，A₁表示第一、第二感应线圈绕线轨迹的幅值，且2A₁+b₁＜L₁；所述第三感应线圈沿周期为W₂的曲线绕制，形成第三感应线圈绕线轨迹，所述第四感应线圈沿周期为W₂的曲线绕制，形成第四感应线圈绕线轨迹，其中，i₂依次取值0至j₂-1中的所有整数，j₂为整数且0＜j₂＜N₂(即j₂为0与N₂之间的任一整数)，N₂表示第三、第四激励线圈的矩形波周期数，b₂为常数，且b₂不等于0，A₂表示第三、第四感应线圈绕线轨迹的幅值，且2A₂+b₂＜L₂；第一感应线圈、第二感应线圈与第一激励线圈正对平行，第三感应线圈、第四感应线圈与第二激励线圈正对平行。

定尺的第一、第二激励线圈中通入正弦激励电流，当动尺与定尺发生相对运动时，第一、第二、第三、第四感应线圈输出四路感应信号，将第一感应线圈输出的感应信号移相90°，然后与第二感应线圈输出的感应信号叠加形成X向行波信号，将第三感应线圈输出的感应信号移相90°，然后与第四感应线圈输出的感应信号叠加形成Y向行波信号，将该X向、Y向行波信号分别与同频率参考信号进行比相，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在X方向和Y方向的直线位移。

所述定尺还包括设在第二布线层之上的定尺绝缘层；所述动尺还包括设在第一、第二、第三、第四感应线圈之下的动尺绝缘层。定尺绝缘层和动尺绝缘层可以避免第二激励线圈与第一、第二、第三、第四感应线圈接触，避免影响感应信号的产生。

优选的，所述W₁＝W₂、L₁＝L₂、N₁＝N₂、A₁＝A₂、b₁＝b₂，所述j₁、j₂取值为4。

所述X向行波信号与同频率参考信号经整形电路整形成方波后，再进行比相；所述Y向行波信号与同频率参考信号经整形电路整形成方波后，再进行比相。

本发明中第一、第二激励线圈采用矩形波绕线方式，第一、第二、第三、第四感应线圈采用半正弦绕线方式，其不仅消除了对电磁矩形波信号采用谐波分析方法所带来的高次谐波影响，提高了直线位移测量的精确度；并且也减少了传感器线圈分层数与绕线复杂程度，简化了传感器结构，降低了制造成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中第一激励线圈的绕线示意图。

图3为本发明中第二激励线圈的绕线示意图。

图4为本发明中第一、第二、第三、第四感应线圈的绕线示意图。

图5为本发明的信号处理原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1至图5所示的单列双排式二维时栅直线位移传感器，包括定尺1和与定尺1平行正对且留有0.2mm间隙的动尺2。

定尺1包括定尺基体11、布置在定尺基体11正对动尺一面的第一布线层内的第一激励线圈12、设在第一布线层之上的第二布线层14、布置在第二布线层14内的第二激励线圈13和设在第二布线层14之上的定尺绝缘层15，第一激励线圈12与第二激励线圈13之间相互绝缘且互不干扰，定尺基体11的投影能将第一、第二激励线圈完全覆盖，定尺基体11为厚度等于2mm的非导磁基体，采用陶瓷材料制作而成；第一激励线圈12沿X方向呈矩形波绕制，该矩形波的幅值为L₁、周期为W₁、占空比为0.5、长度为N₁W₁；第二激励线圈13沿Y方向呈矩形波绕制，该矩形波的幅值为L₂、周期为W₂、占空比为0.5、长度为N₂W₂；其中，L₁＝N₂W₂，L₂＝N₁W₁，N₁表示第一激励线圈的矩形波周期数，N₂表示第二激励线圈的矩形波周期数，第二激励线圈13的起始位置与第一激励线圈12的起始位置在垂直于定尺基体11的方向上对齐；本实施例中W₁＝W₂、N₁＝N₂，即第一激励线圈12的矩形波周期、幅值与第二激励线圈13的矩形波周期、幅值相等。另外，第一激励线圈12的矩形波周期W₁也可以不等于第二激励线圈13的矩形波周期W₂，第一激励线圈12的矩形波幅值L₁也可以不等于第二激励线圈13的矩形波幅值L₂，其不影响测量结果。

动尺2包括动尺基体21、布置在动尺基体21正对定尺一面的同一布线层内的第一感应线圈22、第二感应线圈23、第三感应线圈24、第四感应线圈25和设在该布线层之下的动尺绝缘层26，动尺基体21的投影能将第一、第二、第三、第四感应线圈完全覆盖，动尺基体21为厚度等于2mm的非导磁基体，采用陶瓷材料制作而成。第一感应线圈22沿周期为W₁的曲线绕制，形成第一感应线圈绕线轨迹，第二感应线圈23沿周期为W₁的曲线绕制，形成第二感应线圈绕线轨迹，其中，i₁依次取值0至j₁-1中的所有整数，j₁为整数且0＜j₁＜N₁，N₁表示第一、第二激励线圈的矩形波周期数，b₁为常数，且b₁不等于0，A₁表示第一、第二感应线圈绕线轨迹的幅值，且2A₁+b₁＜L₁，本实施例中j₁＝4，则i₁依次取值0、1、2、3，形成第二感应线圈23的起始位置与第一感应线圈22的起始位置相差第三感应线圈24沿周期为W₂的曲线绕制，形成第三感应线圈绕线轨迹，第四感应线圈25沿周期为W₂的曲线绕制，形成第四感应线圈绕线轨迹，其中，i₂依次取值0至j₂-1中的所有整数，j₂为整数且0＜j₂＜N₂，N₂表示第三、第四激励线圈的矩形波周期数，b₂为常数，且b₂不等于0，A₂表示第三、第四感应线圈绕线轨迹的幅值，且2A₂+b₂＜L₂；本实施例中N₁＝N₂、A₁＝A₂、b₁＝b₂、j₂＝4，则i₂依次取值0、1、2、3，形成第四感应线圈25的起始位置与第三感应线圈24的起始位置相差第一感应线圈22、第二感应线圈23与第一激励线圈12正对平行，第三感应线圈24、第四感应线圈25与第二激励线圈13正对平行。

定尺1的第一激励线圈12中通入正弦激励电流(即在第一激励线圈12的两端加上激励信号u₁＝U_m1sinω₁t)，第二激励线圈13中通入正弦激励电流(即在第二激励线圈13的两端加上激励信号u₂＝U_m2sinω₂t)，当动尺2与定尺1发生相对运动时，第一感应线圈22、第二感应线圈23相对于第一激励线圈12运动，第三感应线圈24、第四感应线圈25相对于第二激励线圈13运动，

第一感应线圈22中将产生式(1)的磁通量：

第二感应线圈23中将产生式(2)的磁通量：

第三感应线圈24中将产生式(3)的磁通量：

第四感应线圈25中将产生式(4)的磁通量：

第一感应线圈22将输出式(5)的感应信号：

第二感应线圈23将输出式(6)的感应信号：

第三感应线圈24将输出式(7)的感应信号：

第四感应线圈25将输出式(8)的感应信号：

将e₁通过移相电路移相90°，然后与e₂叠加，输出X向行波信号e_x为：

将e₃通过移相电路移相90°，然后与e₄叠加，输出Y向行波信号e_y为：

其中：U_m1为第一激励线圈的激励信号的幅值，U_m2为第二激励线圈的激励信号的幅值，ω₁为第一激励线圈的激励信号的频率，ω₂为第二激励线圈的激励信号的频率，k₁、k₂为比例系数，k_x、k_y为电势感应系数，x为动尺2相对定尺1在X方向的直线位移，y为动尺2相对定尺1在Y方向的直线位移。

如图5所示，动尺2与定尺1发生相对运动，感应信号的相位角将发生周期性变化，动尺2相对于定尺1运动一个极距，感应信号的相位角(即式(9)、式(10)中的)变化一个周期。将X向行波信号e_x、Y向行波信号e_y分别与相位固定的同频率参考信号u_x、u_y接入整形电路处理，转换为方波信号后送入信号处理模块进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后即可得到动尺2相对定尺1在X方向和Y方向的直线位移。

Claims (3)

1.一种单列双排式二维时栅直线位移传感器，包括定尺(1)和与定尺平行正对且留有间隙的动尺(2)，其特征在于：

所述定尺(1)包括定尺基体(11)、设在定尺基体正对动尺一面的第一激励线圈(12)、设在第一激励线圈之上的第二布线层(14)和设在第二布线层(14)内的第二激励线圈(13)；所述第一激励线圈(12)沿X方向呈矩形波绕制，该矩形波的幅值为L₁、周期为W₁、占空比为0.5、长度为N₁W₁；所述第二激励线圈(13)沿Y方向呈矩形波绕制，该矩形波的幅值为L₂、周期为W₂、占空比为0.5、长度为N₂W₂；其中，L₁＝N₂W₂，L₂＝N₁W₁，N₁表示第一激励线圈的矩形波周期数，N₂表示第二激励线圈的矩形波周期数，第二激励线圈(13)的起始位置与第一激励线圈(12)的起始位置在垂直于定尺基体的方向上对齐；

所述动尺(2)包括动尺基体(21)和设在动尺基体正对定尺一面的第一、第二、第三、第四感应线圈(22、23、24、25)；所述第一感应线圈(22)沿周期为W₁的曲线绕制，形成第一感应线圈绕线轨迹，所述第二感应线圈(23)沿周期为W₁的曲线绕制，形成第二感应线圈绕线轨迹，其中，i₁依次取值0至j₁-1中的所有整数，j₁为整数且0＜j₁＜N₁，N₁表示第一、第二激励线圈的矩形波周期数，b₁为常数，且b₁不等于0，A₁表示第一、第二感应线圈绕线轨迹的幅值，且2A₁+b₁＜L₁；所述第三感应线圈(24)沿周期为W₂的曲线绕制，形成第三感应线圈绕线轨迹，所述第四感应线圈(25)沿周期为W₂的曲线绕制，形成第四感应线圈绕线轨迹，其中，i₂依次取值0至j₂-1中的所有整数，j₂为整数且0＜j₂＜N₂，N₂表示第三、第四激励线圈的矩形波周期数，b₂为常数，且b₂不等于0，A₂表示第三、第四感应线圈绕线轨迹的幅值，且2A₂+b₂＜L₂；第一、第二感应线圈(22、23)与第一激励线圈(12)正对平行，第三、第四感应线圈(24、25)与第二激励线圈(13)正对平行；

所述定尺(1)还包括设在第二布线层(14)之上的定尺绝缘层(15)；所述动尺(2)还包括设在第一、第二、第三、第四感应线圈(22、23、24、25)之下的动尺绝缘层(26)；

定尺(1)的第一、第二激励线圈(12、13)中通入正弦激励电流，当动尺(2)与定尺(1)发生相对运动时，第一、第二、第三、第四感应线圈(22、23、24、25)输出四路感应信号，将第一感应线圈(22)输出的感应信号移相90°，然后与第二感应线圈(23)输出的感应信号叠加形成X向行波信号，将第三感应线圈(24)输出的感应信号移相90°，然后与第四感应线圈(25)输出的感应信号叠加形成Y向行波信号，将该X向、Y向行波信号分别与同频率参考信号进行比相，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在X方向和Y方向的直线位移。

2.根据权利要求1所述的单列双排式二维时栅直线位移传感器，其特征在于：所述W₁＝W₂、L₁＝L₂、N₁＝N₂、A₁＝A₂、b₁＝b₂，所述j₁、j₂取值为4。

3.根据权利要求1或2所述的单列双排式二维时栅直线位移传感器，其特征在于：所述X向行波信号与同频率参考信号经整形电路整形成方波后，再进行比相；所述Y向行波信号与同频率参考信号经整形电路整形成方波后，再进行比相。