CN106338235B - 一种单列式时栅直线位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单列式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激励线圈，激励线圈沿测量方向呈矩形波绕制，动尺包括动尺基体和第一、第二感应线圈，第一、第二感应线圈采用半正弦绕线方式绕制，第一、第二感应线圈与激励线圈正对平行；激励线圈中通入正弦激励电流，当动尺相对定尺运动时，第一、第二感应线圈输出两路感应信号，将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行波信号，再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，具体涉及一种单列式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。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，此类传感器都是通过对空间均分的栅线进行计数得到位移量，其共同特点是利用高密度、超精密空间栅线来达到微小位移的分辨力要求。为了再进一步提高传感器的测量分辨力与测量精度，除了依靠先进的刻划工艺提高划线密度之外，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，从而使传感器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，其不依赖高密度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进行测量，其分辨力取决于高频插补时钟脉冲的空间当量和时栅传感器的极对数，极对数越高，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，要想进一步提高分辨力，只能通过进一步增加该传感器的极对数，其结果是使传感器系统结构复杂且制造成本高。
目前，已研制的时栅直线位移传感器，采用机加工线槽与绕线的形式，提高极对数难度大、成本高，并且对电磁矩形波信号采用谐波分析方法，主要考虑电磁信号中的基波信号的作用，电磁矩形波信号中高次谐波会影响感应信号的质量，降低直线位移传感器的测量精确度。
发明内容
本发明的目的是提供一种单列式时栅直线位移传感器，以消除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，提高直线位移测量的精确度。
本发明所述的单列式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和设在定尺基体正对动尺一面的激励线圈，定尺基体的投影能将激励线圈完全覆盖；所述激励线圈沿测量方向呈矩形波绕制，该矩形波的幅值为L、周期为W、占空比为0.5。当激励线圈中通入正弦激励电流后，激励线圈的一个周期内的两根与测量方向垂直的单元导线的周围空间将形成环形封闭磁力线，在任一瞬间(对正弦激励电流的瞬时电流而言)，由其中一根单元导线在单元导线区间所形成的磁感应强度由一侧到另一侧逐渐减弱，而由另一根单元导线在单元导线区间所形成的磁感应强度由另一侧到这一侧逐渐减弱，由于该区间内两根单元导线中的电流方向相反，故在该区间产生的磁力线方向一致，经合成后使该区间形成一个近似均匀磁场；磁通在任一瞬间的空间分布为近似矩形波，而它的幅值则按正弦激励电流的瞬时值以正弦规律变化，这种在空间位置固定、而大小随时间变化的磁场为脉振磁场，其磁感应强度将随加入的激励的变化而变化；相当于激励线圈在激励作用下，产生沿测量方向按正弦规律变化的磁场。
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、第二感应线圈，动尺基体的投影能将第一、第二感应线圈完全覆盖；所述第一感应线圈沿周期为W的曲线绕制，形成第一感应线圈绕线轨迹，其中，x方向为测量方向，i依次取值0至j-1中的所有整数，j为整数且(即j为0与之间的任一整数)，n表示传感器的极对数，W等于传感器的极距，A表示第一感应线圈绕线轨迹的幅值，且A＜L；所述第二感应线圈的绕线轨迹为第一感应线圈绕线轨迹沿测量方向右移后的曲线，其中，m为整数且j≤m＜n-j；第一、第二感应线圈与激励线圈正对平行。
定尺的激励线圈中通入正弦激励电流，当动尺与定尺沿测量方向发生相对运动时，第一、第二感应线圈相对于激励线圈运动，第一、第二感应线圈输出两路感应信号，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行波信号，将该行波信号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的直线位移。
所述定尺还包括设在激励线圈之上的定尺绝缘层；所述动尺还包括设在第一、第二感应线圈之下的动尺绝缘层。定尺绝缘层用于保护激励线圈，动尺绝缘层用于保护第一、第二感应线圈，定尺绝缘层和动尺绝缘层可以避免激励线圈与第一、第二感应线圈接触，避免影响感应信号的产生。
优选的，所述j取值为3，m取值为4，所述第二感应线圈的绕线轨迹为第一感应线圈绕线轨迹沿测量方向右移后的曲线。
所述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。
本发明中激励线圈采用矩形波绕线方式，第一、第二感应线圈采用半正弦绕线方式，其消除了对矩形波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；可采用先进的平面加工工艺，容易提高传感器极对数，成本低；并且该直线位移传感器结构简单，测量分辨力高，易批量制造。
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为本发明中第一、第二感应线圈的绕线示意图。
图4为本发明中某一时刻第一、第二感应线圈与激励线圈正对的位置关系图。
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所示的单列式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正对动尺一面的布线层内的激励线圈12和设在该布线层之上的定尺绝缘层13，定尺基体11的投影能将激励线圈12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；激励线圈12沿测量方向呈矩形波绕制，该矩形波的幅值为L、周期为W、占空比为0.5。
动尺2包括动尺基体21，布置在动尺基体21正对定尺一面的布线层内的第一感应线圈22、第二感应线圈23和设在该布线层之下的动尺绝缘层24，动尺基体21的投影能将第一、第二感应线圈完全覆盖，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W的曲线绕制，形成第一感应线圈绕线轨迹，其中，x方向为测量方向，i依次取值0至j-1中的所有整数，j为整数且n表示传感器的极对数，W等于传感器的极距，A表示第一感应线圈绕线轨迹的幅值，且A＜L，在此实施例中j＝3，则i依次取值0、1、2；第二感应线圈23的绕线轨迹为第一感应线圈绕线轨迹沿测量方向右移后的曲线，其中m为整数且j≤m＜n-j，在此实施例中m＝4，则第二感应线圈23的绕线轨迹为第一感应线圈绕线轨迹沿测量方向右移后的曲线；第一感应线圈22、第二感应线圈23与激励线圈12正对平行。
定尺1的激励线圈12中通入正弦激励电流(即在激励线圈12的两端加上激励信号u1＝Umsinωt)，当动尺2与定尺1沿测量方向发生相对运动时，第一感应线圈22、第二感应线圈23相对于激励线圈12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
第一感应线圈22将输出式(3)的感应信号：
第二感应线圈23将输出式(4)的感应信号：
将第一感应线圈22输出的感应信号e1通过移相电路移相90°，然后与第二感应线圈23输出的感应信号e2叠加，输出行波信号e(即动尺2的总感应电动势)为：
其中：Um为激励信号的幅值，ω为激励信号的频率，k1为比例系数，k为电势感应系数，x为动尺2相对定尺1的直线位移。
如图5所示，动尺2与定尺1沿测量方向发生相对运动，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(5)中的)变化一个周期。将行波信号e与相位固定的同频率参考信号u接入整形电路处理，转换为两路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的直线位移。

Claims (3)

1.一种单列式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)和设在定尺基体正对动尺一面的激励线圈(12)；所述激励线圈(12)沿测量方向呈矩形波绕制，该矩形波的幅值为L、周期为W、占空比为0.5；
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、第二感应线圈(22、23)；所述第一感应线圈(22)沿周期为W的曲线绕制，形成第一感应线圈绕线轨迹，其中，x方向为测量方向，i依次取值0至j-1中的所有整数，j为整数且n表示传感器的极对数，W等于传感器的极距，A表示第一感应线圈绕线轨迹的幅值，且A＜L；所述第二感应线圈(23)的绕线轨迹为第一感应线圈绕线轨迹沿测量方向右移后的曲线，其中，m为整数且j≤m＜n-j；第一、第二感应线圈(22、23)与激励线圈(12)正对平行；
所述定尺(1)还包括设在激励线圈(12)之上的定尺绝缘层(13)；所述动尺(2)还包括设在第一、第二感应线圈(22、23)之下的动尺绝缘层(24)；
定尺(1)的激励线圈(12)中通入正弦激励电流，当动尺(2)与定尺(1)沿测量方向发生相对运动时，第一、第二感应线圈(22、23)输出两路感应信号，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行波信号，将该行波信号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的直线位移。
2.根据权利要求1所述的单列式时栅直线位移传感器，其特征在于：所述j取值为3，m取值为4，所述第二感应线圈(23)的绕线轨迹为第一感应线圈绕线轨迹沿测量方向右移后的曲线。
3.根据权利要求2所述的单列式时栅直线位移传感器，其特征在于：所述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。
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