CN106767386B - 一种绝对式时栅角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝对式时栅角位移传感器，包括定子、转子、信号调理电路、鉴相电路和微处理器，转子为布有激励线圈和感应线圈的环形印制电路板，定子为环形导磁体；激励线圈包括正弦激励线圈和余弦激励线圈，感应线圈由相同且独立工作的8个扇环形感应线圈组成；环形导磁体按照一定规则开设有扇环形通槽；正、余弦激励线圈中分别通入两相对称激励电流，8个扇环形感应线圈中产生的感应信号将发生周期性变化，8个感应信号与激励信号经调理后送入鉴相电路进行鉴相处理，相位差由高频时钟脉冲插补，再经微处理器运算、处理后，得到转子的绝对位移值。该传感器能避免出现激励磁场互相耦合问题，实现高精度的绝对位移测量，同时降低成本。

Description

一种绝对式时栅角位移传感器

技术领域

本发明属于精密位移测量领域，具体涉及一种绝对式时栅角位移传感器。

背景技术

近年来，随着工业自动化和智能化程度的提高，各闭环控制系统和测量系统对位移测量器件的要求也越来越高，其不仅要求位移测量器件具有高的测量精度和可靠性，而且要求其上电后能快速进入工作状态，以提高系统的响应速度和工作效率。因此，当今的闭环控制系统和测量系统越来越倾向于采用绝对式位移传感器。

时栅角位移传感器作为众多位移传感器中的一种，因其具有测量精度高、抗干扰能力强、稳定性好、成本低廉等优点，在精密位移测量领域获得了越来越广泛的应用。现有的时栅角位移传感器主要采用粗机加精机的组合方式实现高精度的绝对位移测量；其中，粗机输出与测量范围内的位移量一一对应的单周期信号，用于确定绝对位置，但精度不高；精机则输出在测量范围内多周期变化的信号，在每个变化周期内具有确定的位移，且精度较高。然而，这种采用粗机加精机组合方式进行绝对位移测量的时栅角位移传感器，粗机和精机的激励磁场会耦合到对方的输出绕组(即感应线圈)上，使粗机和精机的测量精度均达不到独立工作时的水平；为减小这种耦合的影响，其对传感器的结构和后期信号处理等均提出了更高的要求，从而使传感器的成本大大增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种绝对式时栅角位移传感器，以避免出现激励磁场互相耦合问题，实现高精度的绝对位移测量，同时降低成本。

本发明所述的绝对式时栅角位移传感器，包括转子、定子、信号调理电路、鉴相电路和微处理器，所述转子与定子同轴正对平行安装，且留有间隙；所述转子为布有激励线圈和感应线圈的环形印制电路板，所述定子为与转子相对的一面沿圆周开设有多个扇环形通槽的环形导磁体。

所述激励线圈由相同且关于圆心O对称布置的第一组线圈和第二组线圈组成，第一组、第二组线圈均包括正弦激励线圈和余弦激励线圈，所述正弦激励线圈由起始位置相同、幅值为A、周期为W＝360°/N、相位互差180°且沿半径为R的圆周正弦分布的两条导线构成，两条导线分别布于环形印制电路板的两层，且这两条导线的起始端通过过孔连接、另一端作为正弦激励信号输入端；所述余弦激励线圈由起始位置相同、幅值为A、周期为W＝360°/N、相位互差180°且沿半径为R的圆周正弦分布的两条导线构成，两条导线分别布于环形印制电路板的另外两层，且这两条导线的起始端通过过孔连接、另一端作为余弦激励信号输入端；其中，N为传感器的极对数，N≥8且取值为4的整数倍；所述正弦激励线圈的起始位置与余弦激励线圈的起始位置在环形印制电路板上沿圆周错开W/4，且正弦激励线圈与余弦激励线圈同时覆盖区域的圆心角大于或者等于4W。

所述感应线圈由相同且关于圆心O对称布置的第一部分和第二部分组成，第一、第二部分均由相同且独立工作的4个扇环形感应线圈组成，扇环形感应线圈为具有一个开口，且开口端作为信号输出端的非闭合线圈，扇环形感应线圈的圆心角为W、内圆弧半径小于R-A、外圆弧半径大于R+A，以保证沿径向正弦激励线圈和余弦激励线圈的波峰和波谷完全位于扇环形感应线圈内。第一部分的4个扇环形感应线圈分别为第一、第二、第三、第四扇环形感应线圈，第一、第二、第三、第四扇环形感应线圈沿圆周逆时针方向依次排列，且相邻两个扇环形感应线圈的中心连线所对应的圆心角为W，第一部分能同时覆盖所述第一组线圈中的正弦激励线圈的连续4个周期和余弦激励线圈的连续4个周期(即沿圆周方向，第一部分覆盖第一组线圈中的正弦激励线圈所对应的圆心角为4W，同时覆盖余弦激励线圈所对应的圆心角也为4W)；第二部分的4个扇环形感应线圈分别为第五、第六、第七、第八扇环形感应线圈，第五、第六、第七、第八扇环形感应线圈沿圆周逆时针方向依次排列，由于第二部分与第一部分相同且关于圆心O对称布置，第一组线圈与第二组线圈相同且关于圆心O对称布置，因此，第二部分中相邻两个扇环形感应线圈的中心连线所对应的圆心角为W，第二部分能同时覆盖所述第二组线圈中的正弦激励线圈的连续4个周期和余弦激励线圈的连续4个周期(即沿圆周方向，第二部分覆盖第二组线圈中的正弦激励线圈所对应的圆心角为4W，同时覆盖余弦激励线圈所对应的圆心角也为4W)。

所述环形导磁体的内圆半径小于扇环形感应线圈的内圆弧半径、外圆半径大于扇环形感应线圈的外圆弧半径；所述环形导磁体沿圆周均分为N/2等份，形成N/2个圆心角为2W的扇环形等分区域，以其中某一等份作为第1个扇环形等分区域，其余等份沿圆周逆时针方向依次称为第2个扇环形等分区域、第3个扇环形等分区域、…、第N/2个扇环形等分区域；每个扇环形等分区域内都开设有扇环形通槽，且每个扇环形等分区域内所开扇环形通槽的面积之和为该扇环形等分区域面积的1/2；沿圆周逆时针方向，每个扇环形等分区域等分为4份，第2m-1个扇环形等分区域内的扇环形通槽开设在第1份位置和第3份位置，第2m个扇环形等分区域内的扇环形通槽开设在第1份和第3份同时沿圆周逆时针方向旋转后的位置，当扇环形通槽的开设位置因旋转而移出第2m个扇环形等分区域时，移出部分从该第2m个扇环形等分区域的另一侧移入，形成开槽的空间循环移位，满足该扇环形等分区域内所开扇环形通槽的面积之和为该扇环形等分区域面积的1/2，其中，m依次取值1至N/4中的所有整数。

将所述环形导磁体的每个扇环形等分区域都等分为2份，形成N个圆心角为W的极对，由第1个扇环形等分区域的起始位置开始，沿圆周逆时针方向依次称为第1个极对、第2个极对、第3个极对、…、第N个极对，将第一扇环形感应线圈完整覆盖第1个极对时的位置作为测量的绝对零位；正弦激励线圈和余弦激励线圈中分别通入两相对称激励电流(即幅值相同、相位相差90°的两相电流)，作为正弦激励信号和余弦激励信号，8个扇环形感应线圈中将产生感应信号，当转子相对于定子转动时，8个扇环形感应线圈中产生的感应信号将发生周期性变化，将该8个感应信号与激励信号输入至信号调理电路进行信号调理后，送入鉴相电路进行鉴相处理，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经微处理器运算、处理后，得到转子的绝对位移值。

微处理器已预先设定第一扇环形感应线圈的位移测量值的取值范围为[0,W)(即)、第二扇环形感应线圈的位移测量值的取值范围为[0,W)、第三扇环形感应线圈的位移测量值的取值范围为[0,W)、第四扇环形感应线圈的位移测量值的取值范围为[0,W)、第五扇环形感应线圈的位移测量值的取值范围为[0,W)、第六扇环形感应线圈的位移测量值的取值范围为[0,W)、第七扇环形感应线圈的位移测量值的取值范围为[0,W)、第八扇环形感应线圈的位移测量值的取值范围为[0,W)，设定转子位于绝对零位时，(即第一扇环形感应线圈的位移测量值与第二扇环形感应线圈的位移测量值第五扇环形感应线圈的位移测量值第六扇环形感应线圈的位移测量值同时为零)。微处理器接收到鉴相电路输出的信号后，先对鉴相电路输出的信号进行处理，得到转子位于某个位置时第一至第八扇环形感应线圈的位移测量值至然后再计算转子位于该位置时的绝对位移值。

所述转子的绝对位移值的计算公式为：

式中，表示扇环形感应线圈的位移测量值，K表示转子位于的极对。

微处理器将第一扇环形感应线圈的位移测量值与第二扇环形感应线圈的位移测量值进行比较，将第一扇环形感应线圈的位移测量值与第四扇环形感应线圈的位移测量值进行比较，将第二扇环形感应线圈的位移测量值与第三扇环形感应线圈的位移测量值进行比较，将第三扇环形感应线圈的位移测量值与第四扇环形感应线圈的位移测量值进行比较，将第一扇环形感应线圈的位移测量值与第五扇环形感应线圈的位移测量值进行比较，将第二扇环形感应线圈的位移测量值与第六扇环形感应线圈的位移测量值进行比较，将第三扇环形感应线圈的位移测量值与第七扇环形感应线圈的位移测量值进行比较，将第四扇环形感应线圈的位移测量值与第八扇环形感应线圈的位移测量值进行比较。

如果(即第一扇环形感应线圈的位移测量值与第二扇环形感应线圈的位移测量值同时为零)，则K＝4n-3，其中

如果(即第一扇环形感应线圈的位移测量值与第五扇环形感应线圈的位移测量值相等，但不等于零)，则K＝4n-3，其中

如果(即第一扇环形感应线圈的位移测量值与第四扇环形感应线圈的位移测量值同时为零)，则K＝4n-2，其中

如果(即第四扇环形感应线圈的位移测量值与第八扇环形感应线圈的位移测量值相等，但不等于零)，则K＝4n-2，其中

如果(即第三扇环形感应线圈的位移测量值与第四扇环形感应线圈的位移测量值同时为零)，则K＝4n-1，其中

如果(即第三扇环形感应线圈的位移测量值与第七扇环形感应线圈的位移测量值相等，但不等于零)，则K＝4n-1，其中

如果(即第二扇环形感应线圈的位移测量值与第三扇环形感应线圈的位移测量值同时为零)，则当n＞1时，K＝4n-4，当n＝1时，K＝N；

如果(即第二扇环形感应线圈的位移测量值与第六扇环形感应线圈的位移测量值相等，但不等于零)，则当n＞1时，K＝4n-4，当n＝1时，K＝N。

所述第一、第三、第五、第七扇环形感应线圈沿圆周逆时针方向布于环形印制电路板的一层，所述第二、第四、第六、第八扇环形感应线圈沿圆周逆时针方向布于环形印制电路板的另一层。

所述环形导磁体上开设的扇环形通槽的深度大于或者等于1mm。

本发明由于采用了上述结构形式的转子和定子，感应线圈共用一个激励磁场，并且通过在环形导磁体上按照一定规则进行开槽，形成特殊的编码实现位移的绝对测量；其与现有的绝对式时栅角位移传感器相比，不存在磁场互相耦合的问题，故测量精度高，且传感器结构简单、成本低、抗干扰能力强。

附图说明

图1为本发明中转子与定子正对的结构示意图。

图2为本发明中转子的结构示意图。

图3为本发明中激励线圈的布线示意图。

图4为本发明中感应线圈的布线示意图。

图5为本发明中定子的结构示意图。

图6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6所示的绝对式时栅角位移传感器，包括转子1、定子2、信号调理电路3、鉴相电路4和微处理器5，转子1为布有激励线圈11和感应线圈12的印制电路板，定子2为表面沿圆周开设有多个扇环形通槽的环形导磁体，转子1与定子2同轴正对(即转子1同轴正对定子2开槽的表面)平行安装，并留有0.3mm的间隙。

如图1、图2、图3所示，激励线圈11由相同且关于圆心O对称布置的第一组线圈和第二组线圈组成，第一组、第二组线圈均包括正弦激励线圈111和余弦激励线圈112，正弦激励线圈111由起始位置相同、幅值为A、周期为W＝360°/N＝360°/16＝22.5°(其中，N为传感器的极对数，取值为N＝16；另外N也可以取20、24、28等4的整数倍)、周期个数为4.5个、相位互差180°且沿半径为R的圆周顺时针正弦分布的两条铜线构成，两条铜线分别布于环形印制电路板的两层，且这两条铜线的起始端通过过孔连接、另一端通过两条导线引出作为正弦激励信号输入端；余弦激励线圈112由起始位置相同、幅值为A、周期为W＝22.5°、周期个数为5个、相位互差180°且沿半径为R的圆周顺时针正弦分布的两条铜线构成，两条铜线分别布于环形印制电路板的另外两层，且这两条铜线的起始端通过过孔连接、另一端通过两条导线引出作为余弦激励信号输入端。第一组线圈中的正弦激励线圈111的起始位置在环形印制电路板上沿圆周顺时针方向与余弦激励线圈112的起始位置相差5.625°(即W/4)，且正弦激励线圈111与余弦激励线圈112同时覆盖区域的圆心角等于101.25°(即4.5W)。由于第二组线圈与第一组线圈相同且关于圆心O对称布置，因此，第二组线圈中的正弦激励线圈111的起始位置在环形印制电路板上沿圆周顺时针方向与余弦激励线圈112的起始位置相差5.625°(即W/4)，且正弦激励线圈111与余弦激励线圈112同时覆盖区域的圆心角等于101.25°(即4.5W)。

如图1、图2、图4所示，感应线圈12由相同且关于圆心O对称布置的第一部分和第二部分组成，第一、第二部分均由相同且独立工作的4个扇环形感应线圈组成，扇环形感应线圈为具有一个尽可能小开口的非闭合铜线圈，且其开口两端通过两条导线引出作为信号输出端，扇环形感应线圈的圆心角为22.5°(即W)、内圆弧半径小于R-A、外圆弧半径大于R+A。第一部分的4个扇环形感应线圈分别为第一扇环形感应线圈121、第二扇环形感应线圈122、第三扇环形感应线圈123、第四扇环形感应线圈124，第一扇环形感应线圈121、第二扇环形感应线圈122、第三扇环形感应线圈123、第四扇环形感应线圈124沿圆周逆时针方向依次排列，且相邻两个扇环形感应线圈的中心连线所对应的圆心角为22.5°(即W)(比如沿圆周逆时针方向，第一扇环形感应线圈121的中心与第二扇环形感应线圈122的中心连线所对应的圆心角为22.5°、第二扇环形感应线圈122的中心与第三扇环形感应线圈123的中心连线所对应的圆心角为22.5°)；第二部分的4个扇环形感应线圈分别为第五扇环形感应线圈125、第六扇环形感应线圈126、第七扇环形感应线圈127、第八扇环形感应线圈128，第五扇环形感应线圈125、第六扇环形感应线圈126、第七扇环形感应线圈127、第八扇环形感应线圈128沿圆周逆时针方向依次排列，且相邻两个扇环形感应线圈的中心连线所对应的圆心角为22.5°(比如沿圆周逆时针方向，第五扇环形感应线圈125的中心与第六扇环形感应线圈126的中心连线所对应的圆心角为22.5°、第六扇环形感应线圈126的中心与第七扇环形感应线圈127的中心连线所对应的圆心角为22.5°)；其中，第一扇环形感应线圈121、第三扇环形感应线圈123、第五扇环形感应线圈125、第七扇环形感应线圈127沿圆周逆时针方向布于环形印制电路板的一层，第二扇环形感应线圈122、第四扇环形感应线圈124、第六扇环形感应线圈126、第八扇环形感应线圈128沿圆周逆时针方向布于环形印制电路板的另一层。第一部分的起始位置(即第一扇环形感应线圈121的起始位置)沿圆周逆时针方向与第一组线圈中的正弦激励线圈111的终点位置相差5.625°(即W/4)，第一部分能同时覆盖第一组线圈中的正弦激励线圈111的连续4个周期和余弦激励线圈112的连续4个周期(即沿圆周方向，第一部分覆盖第一组线圈中的正弦激励线圈111所对应的圆心角为90°，同时覆盖余弦激励线圈112所对应的圆心角也为90°)。第二部分的起始位置(即第五扇环形感应线圈125的起始位置)沿圆周逆时针方向与第二组线圈中的正弦激励线圈111的终点位置相差5.625°(即W/4)，第二部分能同时覆盖第二组线圈中的正弦激励线圈111的连续4个周期和余弦激励线圈112的连续4个周期(即沿圆周方向，第二部分覆盖第二组线圈中的正弦激励线圈111所对应的圆心角为90°，同时覆盖余弦激励线圈112所对应的圆心角也为90°)。

如图1、图5所示，环形导磁体的内圆半径小于扇环形感应线圈的内圆弧半径、外圆半径大于扇环形感应线圈的外圆弧半径，环形导磁体沿圆周均分为8等份，形成8个圆心角为45°的扇环形等分区域，以其中某一等份作为第1个扇环形等分区域，其余等份沿圆周逆时针方向依次称为第2个扇环形等分区域、第3个扇环形等分区域、第4个扇环形等分区域、第5个扇环形等分区域、第6个扇环形等分区域、第7个扇环形等分区域、第8个扇环形等分区域；每个扇环形等分区域内都开设有深度等于1mm的扇环形通槽，且每个扇环形等分区域内所开扇环形通槽的面积之和为该扇环形等分区域面积的1/2；沿圆周逆时针方向，每个扇环形等分区域等分为4份，第1个扇环形等分区域内的扇环形通槽开设在第1份位置和第3份位置；第2个扇环形等分区域内的扇环形通槽开设在第1份和第3份同时沿圆周逆时针方向旋转4.5°(即W/5)后的位置；第3个扇环形等分区域内的扇环形通槽开设在第1份位置和第3份位置；第4个扇环形等分区域内的扇环形通槽开设在第1份和第3份同时沿圆周逆时针方向旋转9°(即2W/5)后的位置；第5个扇环形等分区域内的扇环形通槽开设在第1份位置和第3份位置；第6个扇环形等分区域内的扇环形通槽开设在第1份和第3份同时沿圆周逆时针方向旋转13.5°(即3W/5)后的位置，由于与第3份对应的扇环形通槽的开设位置因旋转而超出了第6个扇环形等分区域，超出的圆心角为2.25°(即W/10)的扇环形通槽则开设在第6个扇环形等分区域的另一侧(即在第6个扇环形等分区域内，由第6个扇环形等分区域的起始位置沿圆周逆时针方向开设圆心角为2.25°的扇环形通槽)，形成开槽的空间循环移位，满足第6个扇环形等分区域内所开扇环形通槽的面积之和为第6个扇环形等分区域面积的1/2；第7个扇环形等分区域内的扇环形通槽开设在第1份位置和第3份位置；第8个扇环形等分区域内的扇环形通槽开设在第1份和第3份同时沿圆周逆时针方向旋转18°(即4W/5)后的位置，由于与第3份对应的扇环形通槽的开设位置因旋转而超出了第8个扇环形等分区域，超出的圆心角为6.75°(即3W/10)的扇环形通槽则开设在第8个扇环形等分区域的另一侧(即在第8个扇环形等分区域内，由第8个扇环形等分区域的起始位置沿圆周逆时针方向开设圆心角为6.75°的扇环形通槽)，形成开槽的空间循环移位，满足第8个扇环形等分区域内所开扇环形通槽的面积之和为第8个扇环形等分区域面积的1/2。

将环形导磁体的每个扇环形等分区域都再等分为2份，形成16个圆心角为22.5°的极对，由第1个扇环形等分区域的起始位置开始，沿圆周逆时针方向依次称为第1个极对、第2个极对、第3个极对、…、第16个极对，将第一扇环形感应线圈121完整覆盖第1个极对时的位置作为测量的绝对零位；正弦激励线圈111和余弦激励线圈112中分别通入两相对称激励电流(即幅值相同、相位相差90°的两相电流)，作为正弦激励信号和余弦激励信号，第一扇环形感应线圈121、第二扇环形感应线圈122、第三扇环形感应线圈123、第四扇环形感应线圈124、第五扇环形感应线圈125、第六扇环形感应线圈126、第七扇环形感应线圈127、第八扇环形感应线圈128中将产生感应信号并分别从其信号输出端输出，当转子1相对于定子2转动时，第一扇环形感应线圈121、第二扇环形感应线圈122、第三扇环形感应线圈123、第四扇环形感应线圈124、第五扇环形感应线圈125、第六扇环形感应线圈126、第七扇环形感应线圈127、第八扇环形感应线圈128中产生的感应信号将发生周期性变化，将该8个感应信号与激励信号同时输入至信号调理电路3进行信号调理后，送入鉴相电路4进行鉴相处理，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经微处理器5运算、处理后，得到转子1的绝对位移值(参见图6)。

微处理器5已预先设定第一扇环形感应线圈121的位移测量值的取值范围为[0,22.5°)(即)、第二扇环形感应线圈122的位移测量值的取值范围为[0,22.5°)、第三扇环形感应线圈123的位移测量值的取值范围为[0,22.5°)、第四扇环形感应线圈124的位移测量值的取值范围为[0,22.5°)、第五扇环形感应线圈125的位移测量值的取值范围为[0,22.5°)、第六扇环形感应线圈126的位移测量值的取值范围为[0,22.5°)、第七扇环形感应线圈127的位移测量值的取值范围为[0,22.5°)、第八扇环形感应线圈128的位移测量值的取值范围为[0,22.5°)，设定转子1位于绝对零位时，微处理器5的运算、处理过程为：微处理器5接收到鉴相电路4输出的信号后，先对鉴相电路4输出的信号进行处理，得到转子1位于某个位置时第一至第八扇环形感应线圈的位移测量值至并将第一扇环形感应线圈121的位移测量值与第二扇环形感应线圈122的位移测量值进行比较，将第一扇环形感应线圈121的位移测量值与第四扇环形感应线圈124的位移测量值进行比较，将第二扇环形感应线圈122的位移测量值与第三扇环形感应线圈123的位移测量值进行比较，将第三扇环形感应线圈123的位移测量值与第四扇环形感应线圈124的位移测量值进行比较，将第一扇环形感应线圈121的位移测量值与第五扇环形感应线圈125的位移测量值进行比较，将第二扇环形感应线圈122的位移测量值与第六扇环形感应线圈126的位移测量值进行比较，将第三扇环形感应线圈123的位移测量值与第七扇环形感应线圈127的位移测量值进行比较，将第四扇环形感应线圈124的位移测量值与第八扇环形感应线圈128的位移测量值进行比较；然后，利用公式：

计算转子1的绝对位移值Φ；

式(1)中，表示扇环形感应线圈的位移测量值，K表示转子位于的极对；其中，K的取值方式如下：

如果(即第一扇环形感应线圈121的位移测量值与第二扇环形感应线圈122的位移测量值同时为零)，则K＝4n-3，其中

如果(即第一扇环形感应线圈121的位移测量值与第五扇环形感应线圈125的位移测量值相等，但不等于零)，则K＝4n-3，其中 表示第一扇环形感应线圈121的位移测量值与第三扇环形感应线圈123的位移测量值相减后差值的绝对值；

如果(即第一扇环形感应线圈121的位移测量值与第四扇环形感应线圈124的位移测量值同时为零)，则K＝4n-2，其中

如果(即第四扇环形感应线圈124的位移测量值与第八扇环形感应线圈128的位移测量值相等，但不等于零)，则K＝4n-2，其中 表示第四扇环形感应线圈124的位移测量值与第二扇环形感应线圈122的位移测量值相减后差值的绝对值；

如果(即第三扇环形感应线圈123的位移测量值与第四扇环形感应线圈124的位移测量值同时为零)，则K＝4n-1，其中

如果(即第三扇环形感应线圈的位移测量值与第七扇环形感应线圈的位移测量值相等，但不等于零)，则K＝4n-1，其中 表示第三扇环形感应线圈123的位移测量值与第一扇环形感应线圈121的位移测量值相减后差值的绝对值；

如果(即第二扇环形感应线圈122的位移测量值与第三扇环形感应线圈123的位移测量值同时为零)，则当n＞1时，K＝4n-4，当n＝1时，K＝16；

如果(即第二扇环形感应线圈122的位移测量值与第六扇环形感应线圈126的位移测量值相等，但不等于零)，则当n＞1时，K＝4n-4，当n＝1时，K＝16；表示第二扇环形感应线圈122的位移测量值与第四扇环形感应线圈124的位移测量值相减后差值的绝对值。

Claims (4)

1.一种绝对式时栅角位移传感器，包括转子(1)、定子(2)、信号调理电路(3)、鉴相电路(4)和微处理器(5)，所述转子(1)与定子(2)同轴正对平行安装，且留有间隙；其特征在于：所述转子(1)为布有激励线圈(11)和感应线圈(12)的环形印制电路板，所述定子(2)为与转子(1)相对的一面沿圆周开设有多个扇环形通槽的环形导磁体；

所述激励线圈(11)由相同且关于圆心O对称布置的第一组线圈和第二组线圈组成，第一组、第二组线圈均包括正弦激励线圈(111)和余弦激励线圈(112)，所述正弦激励线圈(111)由起始位置相同、幅值为A、周期为W＝360°/N、相位互差180°且沿半径为R的圆周正弦分布的两条导线构成，两条导线分别布于环形印制电路板的两层，且其起始端通过过孔连接、另一端作为正弦激励信号输入端；所述余弦激励线圈(112)由起始位置相同、幅值为A、周期为W＝360°/N、相位互差180°且沿半径为R的圆周正弦分布的两条导线构成，两条导线分别布于环形印制电路板的另外两层，且其起始端通过过孔连接、另一端作为余弦激励信号输入端；其中，N为传感器的极对数，N≥8且取值为4的整数倍；所述正弦激励线圈(111)的起始位置与余弦激励线圈(112)的起始位置在环形印制电路板上沿圆周错开W/4，且正弦激励线圈(111)与余弦激励线圈(112)同时覆盖区域的圆心角大于或者等于4W；

所述感应线圈(12)由相同且关于圆心O对称布置的第一部分和第二部分组成，第一、第二部分均由相同且独立工作的4个扇环形感应线圈组成，扇环形感应线圈为具有一个开口，且开口端作为信号输出端的非闭合线圈，扇环形感应线圈的圆心角为W、内圆弧半径小于R-A、外圆弧半径大于R+A；第一部分的4个扇环形感应线圈分别为第一、第二、第三、第四扇环形感应线圈(121、122、123、124)，其沿圆周逆时针方向依次排列，且相邻两个扇环形感应线圈的中心连线所对应的圆心角为W，第一部分能同时覆盖所述第一组线圈中的正弦激励线圈的连续4个周期和余弦激励线圈的连续4个周期；第二部分的4个扇环形感应线圈分别为第五、第六、第七、第八扇环形感应线圈(125、126、127、128)，其沿圆周逆时针方向依次排列；

所述环形导磁体的内圆半径小于扇环形感应线圈的内圆弧半径、外圆半径大于扇环形感应线圈的外圆弧半径；所述环形导磁体沿圆周均分为N/2等份，形成N/2个圆心角为2W的扇环形等分区域，以其中某一等份作为第1个扇环形等分区域，其余等份沿圆周逆时针方向依次称为第2个扇环形等分区域至第N/2个扇环形等分区域；每个扇环形等分区域内都开设有扇环形通槽，且所开扇环形通槽的面积之和为该扇环形等分区域面积的1/2；沿圆周逆时针方向，每个扇环形等分区域等分为4份，第2m-1个扇环形等分区域内的扇环形通槽开设在第1份位置和第3份位置，第2m个扇环形等分区域内的扇环形通槽开设在第1份和第3份同时沿圆周逆时针方向旋转后的位置，当扇环形通槽的开设位置因旋转而移出第2m个扇环形等分区域时，移出部分从该第2m个扇环形等分区域的另一侧移入，其中，m依次取值1至N/4中的所有整数；

将所述环形导磁体的每个扇环形等分区域都等分为2份，形成N个圆心角为W的极对，由第1个扇环形等分区域的起始位置开始，沿圆周逆时针方向依次称为第1个极对至第N个极对，将第一扇环形感应线圈(121)完整覆盖第1个极对时的位置作为测量的绝对零位；正弦激励线圈(111)和余弦激励线圈(112)中分别通入两相对称激励电流，当转子(1)相对于定子(2)转动时，8个扇环形感应线圈中产生的感应信号将发生周期性变化，将8个感应信号与激励信号输入至信号调理电路(3)进行信号调理后，送入鉴相电路(4)进行鉴相处理，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经微处理器(5)运算、处理后，得到转子(1)的绝对位移值。

2.根据权利要求1所述的绝对式时栅角位移传感器，其特征在于：所述微处理器(5)先对鉴相电路(4)输出的信号进行处理，得到第一扇环形感应线圈的位移测量值第二扇环形感应线圈的位移测量值第三扇环形感应线圈的位移测量值第四扇环形感应线圈的位移测量值第五扇环形感应线圈的位移测量值第六扇环形感应线圈的位移测量值第七扇环形感应线圈的位移测量值第八扇环形感应线圈的位移测量值其中，的取值范围为[0,W)，转子(1)位于绝对零位时，然后再计算转子(1)的绝对位移值；

所述转子(1)的绝对位移值的计算公式为：

式中，表示扇环形感应线圈的位移测量值，K表示转子位于的极对；

如果则K＝4n-3，其中

如果则K＝4n-3，其中

如果则K＝4n-2，其中

如果则K＝4n-2，其中

如果则K＝4n-1，其中

如果则K＝4n-1，其中

如果则当n＞1时，K＝4n-4，当n＝1时，K＝N；

如果则当n＞1时，K＝4n-4，当n＝1时，K＝N。

3.根据权利要求1或2所述的绝对式时栅角位移传感器，其特征在于：所述第一、第三、第五、第七扇环形感应线圈(121、123、125、127)沿圆周逆时针方向布于环形印制电路板的一层，所述第二、第四、第六、第八扇环形感应线圈(122、124、126、128)沿圆周逆时针方向布于环形印制电路板的另一层。

4.根据权利要求1或2所述的绝对式时栅角位移传感器，其特征在于：所述环形导磁体上开设的扇环形通槽的深度大于或者等于1mm。