CN107796293B - 一种电磁感应式直线位移传感器 - Google Patents

一种电磁感应式直线位移传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电磁感应式直线位移传感器，包括定尺和动尺，动尺为具有矩形齿的金属体，定尺由定尺基体和传感单元组成，传感单元为布有第一线圈线阵、第二线圈线阵和平面矩形螺旋线圈组的印制电路板，第一线圈线阵与第二线圈线阵都由第一、第二正弦线圈构成，平面矩形螺旋线圈组由四个相同的平面矩形螺旋线圈串联构成。第一、第二线圈线阵通入两相正交的交变激励信号或者平面矩形螺旋线圈通入一相交变激励信号，在定尺表面将产生交变磁场，当动尺相对定尺运动时，平面矩形螺旋线圈或者第一、第二线圈线阵将产生与动尺位移呈特定函数关系的感应信号，经解算后得到相应的位移量。本发明适于与应用对象集成为一体，能规避安装误差，提高测量精度。

Description

一种电磁感应式直线位移传感器
技术领域
本发明属于精密测量传感器技术领域，具体涉及一种电磁感应式直线位移传感器。
背景技术
机床上的直线运动单元，为了达到较好的直线定位精度，常常需要直线位移传感器提供位置反馈。常见的直线位移传感器包括光栅、容栅、感应同步器等。不过，在油污、粉尘、振动等较多的恶劣工作环境中，光电型、电容型等一些对环境要求稍高的直线位移传感器的应用有一定的限制，而基于电磁感应原理的直线位移传感器因其较强的环境适应性得到了较好的应用。
同时，一些直线位移传感器的应用对象往往对传感器的体积有一定的限制，希望传感器占用尽量少的空间，而且随着应用对象集成度的提高，便倾向于将传感器与其融为一体。即使对传感器的体积没有十分限制的应用对象，同等的成本和性能条件下，通常也希望采用体积较小的传感器。因此，宽度和厚度较小的直线位移传感器将更适应市场的需求。
另外，为了减少直线位移传感器线缆对其应用的影响，应用对象往往希望传感器是定子或动子单方引线，所以类似于直线型感应同步器的传感器采用的定子和动子均引线的方式不利于其广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有体积小和单方引线优势的电磁感应式直线位移传感器，以适于与应用对象集成为一体，规避安装误差，提高测量精度。
本发明所述的一种电磁感应式直线位移传感器，包括定尺和与定尺正对平行且留有间隙的动尺。所述动尺为具有一个或者多个相同的矩形齿的金属体，在具有多个所述矩形齿的金属体中，各个矩形齿沿测量方向等间距分布，相邻两个矩形齿的中心距等于W；矩形齿的数量增加，可以使传感器的输出信号增强，并增强平均效应作用，但是在传感器的定尺尺寸给定的情况下，随着矩形齿数量的增加，传感器的有效测量范围将缩小；因此，动尺的矩形齿的数量需要结合实际应用情况来决定)。所述定尺由导磁的定尺基体和设置在定尺基体表面的传感单元组成，所述传感单元为布有第一线圈线阵、第二线圈线阵和平面矩形螺旋线圈组的印制电路板。
所述第一线圈线阵与第二线圈线阵都由起始位置相同、幅值为A、周期为W、相位互差180°的第一正弦线圈与第二正弦线圈构成，第一线圈线阵的第一正弦线圈与第二正弦线圈分别布置于印制电路板的两层，且其起始端通过过孔连接、终止端作为第一线圈线阵的信号输入/输出端；第二线圈线阵的第一正弦线圈与第二正弦线圈分别布置于印制电路板的另外两层，且其起始端通过过孔连接、终止端作为第二线圈线阵的信号输入/输出端；第一线圈线阵的起始位置与第二线圈线阵的起始位置沿测量方向错开W/4。
所述平面矩形螺旋线圈组由四个相同的平面矩形螺旋线圈通过过孔串联构成，四个平面矩形螺旋线圈分别布置于印制电路板的四个布置有所述第一正弦线圈或第二正弦线圈的布线层上，且四个平面矩形螺旋线圈在垂直于印制电路板方向上正对，平面矩形螺旋线圈包围在所述第一正弦线圈或第二正弦线圈之外(即第一个平面矩形螺旋线圈包围在第一线圈线阵的第一正弦线圈之外，第二个平面矩形螺旋线圈包围在第一线圈线阵的第二正弦线圈之外，第三个平面矩形螺旋线圈包围在第二线圈线阵的第一正弦线圈之外，第四个平面矩形螺旋线圈包围在第二线圈线阵的第二正弦线圈之外)，且平面矩形螺旋线圈的最内匝矩形在垂直于测量方向的宽度大于2A，则平面矩形螺旋线圈组在定尺基体上的投影将第一线圈线阵在定尺基体上的投影与第二线圈线阵在定尺基体上的投影包围在中间。
所述矩形齿在测量方向的长度为W/2，在垂直于测量方向的宽度大于所述平面矩形螺旋线圈的最外匝矩形在垂直于测量方向的宽度。
本发明所述的另一种电磁感应式直线位移传感器，包括定尺和与定尺正对平行且留有间隙的动尺；所述动尺为具有一个或者多个相同的矩形齿的金属体，在具有多个所述矩形齿的金属体中，各个矩形齿沿测量方向等间距分布，相邻两个矩形齿的中心距等于W；所述定尺由导磁的定尺基体和设置在定尺基体表面的传感单元组成，所述传感单元为布有第一线圈线阵、第二线圈线阵和平面矩形螺旋线圈组的印制电路板。
所述第一线圈线阵与第二线圈线阵都由m个相同且相互平行的线圈组通过过孔串联构成，每个线圈组都由起始位置相同、幅值为A、周期为W、相位互差180o的第一正弦线圈与第二正弦线圈构成；第一线圈线阵的m个线圈组的起始位置沿测量方向对齐，相邻两个线圈组在垂直于测量方向的间距为d，第一线圈线阵的m个第一正弦线圈与m个第二正弦线圈分别布置于印制电路板的两层，第一线圈线阵的每个线圈组中的第一正弦线圈的起始端与第二正弦线圈的起始端通过过孔连接，第一线圈线阵的第一个线圈组的第一正弦线圈的终止端作为第一线圈线阵的信号输入/输出第一端，第n个线圈组的第二正弦线圈的终止端与第n+1个线圈组的第一正弦线圈的终止端通过过孔连接，第m个线圈组的第二正弦线圈的终止端作为第一线圈线阵的信号输入/输出第二端；第二线圈线阵的m个线圈组的起始位置沿测量方向对齐，相邻两个线圈组在垂直于测量方向的间距为d，第二线圈线阵的m个第一正弦线圈与m个第二正弦线圈分别布置于印制电路板的另外两层，第二线圈线阵的每个线圈组中的第一正弦线圈的起始端与第二正弦线圈的起始端通过过孔连接，第二线圈线阵的第一个线圈组的第一正弦线圈的终止端作为第二线圈线阵的信号输入/输出第一端，第n个线圈组的第二正弦线圈的终止端与第n+1个线圈组的第一正弦线圈的终止端通过过孔连接，第m个线圈组的第二正弦线圈的终止端作为第二线圈线阵的信号输入/输出第二端；其中，n依次取值1至m-1中的所有整数；第一线圈线阵的起始位置与第二线圈线阵的起始位置沿测量方向错开W/4。
所述平面矩形螺旋线圈组由四个相同的平面矩形螺旋线圈通过过孔串联构成，四个平面矩形螺旋线圈分别布置于印制电路板的四个布置有所述第一正弦线圈或第二正弦线圈的布线层上，且四个平面矩形螺旋线圈在垂直于印制电路板方向上正对，平面矩形螺旋线圈包围在所述第一正弦线圈或第二正弦线圈之外(即第一个平面矩形螺旋线圈包围在第一线圈线阵的m个第一正弦线圈之外，第二个平面矩形螺旋线圈包围在第一线圈线阵的m个第二正弦线圈之外，第三个平面矩形螺旋线圈包围在第二线圈线阵的m个第一正弦线圈之外，第四个平面矩形螺旋线圈包围在第二线圈线阵的m个第二正弦线圈之外)，且平面矩形螺旋线圈的最内匝矩形在垂直于测量方向的宽度大于2A+(m-1)*d，则平面矩形螺旋线圈组在定尺基体上的投影将第一线圈线阵在定尺基体上的投影与第二线圈线阵在定尺基体上的投影包围在中间。
所述矩形齿在测量方向的长度为W/2，在垂直于测量方向的宽度大于所述平面矩形螺旋线圈的最外匝矩形在垂直于测量方向的宽度。
上述两种电磁感应式直线位移传感器，在进行直线位移测量时都可采用两种方式，第一种方式为：将所述第一线圈线阵和第二线圈线阵作为励磁线圈，将所述平面矩形螺旋线圈组作为感应线圈，第一线圈线阵、第二线圈线阵中分别通入两相正交的交变激励信号，当动尺与定尺沿测量方向发生相对运动时，平面矩形螺旋线圈组输出幅值恒定相位周期性变化的感应信号，对该感应信号进行鉴相处理，并经换算后得到动尺相对定尺的直线位移。第二种方式为：将所述平面矩形螺旋线圈组作为励磁线圈，将所述第一线圈线阵和第二线圈线阵作为感应线圈，平面矩形螺旋线圈组中通入交变激励信号，当动尺与定尺沿测量方向发生相对运动时，第一线圈线阵与第二线圈线阵分别输出一路相位恒定幅值周期性变化的感应信号，对该两路感应信号进行鉴幅处理，并经换算后得到动尺相对定尺的直线位移。
所述动尺为金属导磁体。动尺对磁场具有“吸引”作用，可增强动尺上矩形齿与定尺之间的磁场强度，当动尺与定尺在测量方向上发生相对运动时，第一线圈线阵、第二线圈线阵与平面矩形螺旋线圈组之间的磁场耦合会发生周期性变化。
所述动尺为导电的金属非导磁体。动尺由非导磁的金属导电材料制作而成，对磁场具有“抵制”作用，可减弱动尺上矩形齿与定尺之间的磁场强度，当动尺与定尺在测量方向上发生相对运动时，第一线圈线阵、第二线圈线阵与平面矩形螺旋线圈组之间的磁场耦合也会发生周期性变化。
本发明与现有技术相比具有如下效果：
(1)传感单元设置在定尺基体表面，采用定尺单方接线方式，动尺上不需设置线圈及接线，极大程度的克服了需要双方接线(即定尺和动尺上都需要接线)式直线位移传感器的应用限制。
(2)采用导磁的定尺基体约束了磁场传播范围，并增加了感应信号度；因此，传感器的宽度和厚度较小，从而易于与应用对象集成为一体。
(3)动尺不仅仅限于为金属导磁体，也可以为导电的金属非导磁体；因此，当应用对象的制造材料为导磁金属材料或导电而非导磁金属材料时，本发明均允许动尺与应用对象统一制造，从而规避动尺独立安装时带来的机械误差等一些不利因素，提高了测量精度。
(4)平面矩形螺旋线圈组的四个平面矩形螺旋线圈分别布置于印制电路板的四个布置有第一正弦线圈或第二正弦线圈的布线层上，且四个平面矩形螺旋线圈在垂直于印制电路板方向上正对，平面矩形螺旋线圈包围在第一正弦线圈或第二正弦线圈之外，从而使平面矩形螺旋线圈组在定尺基体上的投影将第一线圈线阵在定尺基体上的投影与第二线圈线阵在定尺基体上的投影包围在中间，这样的布置方式使平面矩形螺旋线圈与第一、第二正弦线圈的磁场耦合更充分，输出的感应信号更稳定。
(5)第一、第二线圈线阵都由m个相同且相互平行的线圈组通过过孔串联构成，每个线圈组都由起始位置相同、幅值为A、周期为W、相位互差180°的第一正弦线圈与第二正弦线圈构成，其提高了输出的感应信号的强度，减少了线圈制作造成的测量误差。
附图说明
图1为本发明的实施例1的结构示意图。
图2为实施例1中的定尺的结构示意图。
图3为实施例2中的定尺的结构示意图。
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、图2所示的电磁感应式直线位移传感器，包括定尺1和与定尺1正对平行且留有0.1mm～1mm间隙的动尺2。
定尺1由导磁的定尺基体14(即定尺基体14由导磁材料制作而成)和设置在定尺基体14表面的传感单元组成，传感单元为布有第一线圈线阵11、第二线圈线阵12和平面矩形螺旋线圈组的印制电路板。第一线圈线阵11与第二线圈线阵12都由起始位置相同、幅值为3mm(即A＝3mm)、周期为16mm(即W＝16mm)、周期个数为4.5个、初相角为0和π的第一正弦线圈与第二正弦线圈构成(即第一正弦线圈的绕制曲线为第二正弦线圈的绕制曲线为
Figure BDA0001446203230000052
第一线圈线阵11的第一正弦线圈与第二正弦线圈分别布置于印制电路板的两层，第一正弦线圈的起始端(即零点)与第二正弦线圈的起始端(即零点)通过过孔连接(即连接于图2中的a点)，第一正弦线圈的终止端与第二正弦线圈的终止端作为第一线圈线阵11的信号输入/输出端；第二线圈线阵12的第一正弦线圈与第二正弦线圈分别布置于印制电路板的另外两层，第一正弦线圈的起始端(即零点)与第二正弦线圈的起始端(即零点)通过过孔连接(即连接于图2中的b点)，第一正弦线圈的终止端与第二正弦线圈的终止端作为第二线圈线阵12的信号输入/输出端；在印制电路板上，第二线圈线阵12的起始位置沿测量方向(即第一、第二正弦线圈的周期延拓方向，在图1、图2中表示为由左至右)与第一线圈线阵11的起始位置相差4mm(即第二线圈线阵12的起始位置与第一线圈线阵11的起始位置在垂直于测量方向上相差零，在测量方向上相差4mm)。平面矩形螺旋线圈组由四个相同的平面矩形螺旋线圈13通过过孔串联构成，四个平面矩形螺旋线圈13分别布置于印制电路板的四个布置有第一正弦线圈或第二正弦线圈的布线层上，且四个平面矩形螺旋线圈13在垂直于印制电路板方向上正对，第一个平面矩形螺旋线圈13包围在第一线圈线阵11的第一正弦线圈之外，第二个平面矩形螺旋线圈13包围在第一线圈线阵11的第二正弦线圈之外，第三个平面矩形螺旋线圈13包围在第二线圈线阵12的第一正弦线圈之外，第四个平面矩形螺旋线圈13包围在第二线圈线阵12的第二正弦线圈之外，并且平面矩形螺旋线圈13的最内匝矩形在垂直于测量方向的宽度大于6mm，则平面矩形螺旋线圈组在定尺基体14上的投影将第一线圈线阵11在定尺基体14上的投影与第二线圈线阵12在定尺基体14上的投影包围在中间。
动尺2为具有两个相同的矩形齿21的金属导磁体，厚度为2mm，其通过在一个长方体状的金属导磁体上开设一个深度为1mm的矩形通槽的方式形成，两个矩形齿21的中心距等于16mm，每个矩形齿21沿测量方向的长度为8mm，在垂直于测量方向的宽度大于平面矩形螺旋线圈13的最外匝矩形在垂直于测量方向的宽度。
为了减小定尺1两端端部效应对测量结果的影响，动尺2的有效移动范围定为从图2中的c点至e点(即直线位移的测量范围为0mm～56mm)。
第一线圈线阵11和第二线圈线阵12作为励磁线圈，平面矩形螺旋线圈组作为感应线圈，第一线圈线阵11中通入电流幅值为Im的激励电流i1＝Imsin(ωt)，第二线圈线阵12中通入电流幅值为Im的激励电流i2＝Imcos(ωt)，当动尺2与定尺1在测量方向上发生相对运动时，第一线圈线阵11、第二线圈线阵12与平面矩形螺旋线圈组之间的磁场耦合将发生周期性变化，平面矩形螺旋线圈组产生并输出幅值恒定相位周期性变化的感应信号e1(t,x)，如式(1)所示
Figure BDA0001446203230000061
式中，K1为感应电压幅值，ω为激励电流频率，x为动尺2相对定尺1的直线位移。动尺2相对于定尺1移动一个周期W(即16mm)，感应信号的相位变化一个周期，将式(1)中的感应信号与激励信号进行鉴相处理，得到感应信号的相位
Figure BDA0001446203230000062
并经换算后得到动尺2相对定尺1的直线位移x。
实施例2：如图3所示，本实施例的电磁感应式直线位移传感器的部分结构与实施例1相同，不同之处在于：第一线圈线阵11与第二线圈线阵12都由5个相同且相互平行的线圈组通过过孔串联构成，每个线圈组都由起始位置相同、幅值为3mm、周期为16mm、周期个数为4.5个、初相角为0和π的第一正弦线圈与第二正弦线圈构成(即第一正弦线圈的绕制曲线为
Figure BDA0001446203230000063
第二正弦线圈的绕制曲线为
Figure BDA0001446203230000064
第一线圈线阵11的5个线圈组的起始位置沿测量方向对齐，相邻两个线圈组在垂直于测量方向的间距为0.6mm，第一线圈线阵11的5个第一正弦线圈与5个第二正弦线圈分别布置于印制电路板的两层；第一线圈线阵11的第一个线圈组的第一正弦线圈的起始端(即零点)与第一个线圈组的第二正弦线圈的起始端(即零点)通过过孔连接，第一个线圈组的第一正弦线圈的终止端作为第一线圈线阵11的信号输入/输出第一端，第二个线圈组的第一正弦线圈的起始端与第二个线圈组的第二正弦线圈的起始端通过过孔连接，第二个线圈组的第一正弦线圈的终止端与第一个线圈组的第二正弦线圈的终止端通过过孔连接，第三个线圈组的第一正弦线圈的起始端与第三个线圈组的第二正弦线圈的起始端通过过孔连接，第三个线圈组的第一正弦线圈的终止端与第二个线圈组的第二正弦线圈的终止端通过过孔连接，第四个线圈组的第一正弦线圈的起始端与第四个线圈组的第二正弦线圈的起始端通过过孔连接，第四个线圈组的第一正弦线圈的终止端与第三个线圈组的第二正弦线圈的终止端通过过孔连接，第五个线圈组的第一正弦线圈的起始端与第五个线圈组的第二正弦线圈的起始端通过过孔连接，第五个线圈组的第一正弦线圈的终止端与第四个线圈组的第二正弦线圈的终止端通过过孔连接，第五个线圈组的第二正弦线圈的终止端作为第一线圈线阵11的信号输入/输出第二端。第二线圈线阵12的5个线圈组的起始位置沿测量方向对齐，相邻两个线圈组在垂直于测量方向的间距为0.6mm，第二线圈线阵12的5个第一正弦线圈与5个第二正弦线圈分别布置于印制电路板的另外两层；第二线圈线阵12的第一个线圈组的第一正弦线圈的起始端(即零点)与第一个线圈组的第二正弦线圈的起始端(即零点)通过过孔连接，第一个线圈组的第一正弦线圈的终止端作为第二线圈线阵12的信号输入/输出第一端，第二个线圈组的第一正弦线圈的起始端与第二个线圈组的第二正弦线圈的起始端通过过孔连接，第二个线圈组的第一正弦线圈的终止端与第一个线圈组的第二正弦线圈的终止端通过过孔连接，第三个线圈组的第一正弦线圈的起始端与第三个线圈组的第二正弦线圈的起始端通过过孔连接，第三个线圈组的第一正弦线圈的终止端与第二个线圈组的第二正弦线圈的终止端通过过孔连接，第四个线圈组的第一正弦线圈的起始端与第四个线圈组的第二正弦线圈的起始端通过过孔连接，第四个线圈组的第一正弦线圈的终止端与第三个线圈组的第二正弦线圈的终止端通过过孔连接，第五个线圈组的第一正弦线圈的起始端与第五个线圈组的第二正弦线圈的起始端通过过孔连接，第五个线圈组的第一正弦线圈的终止端与第四个线圈组的第二正弦线圈的终止端通过过孔连接，第五个线圈组的第二正弦线圈的终止端作为第二线圈线阵12的信号输入/输出第二端。
第一个平面矩形螺旋线圈13包围在第一线圈线阵11的5个第一正弦线圈之外，第二个平面矩形螺旋线圈13包围在第一线圈线阵11的5个第二正弦线圈之外，第三个平面矩形螺旋线圈13包围在第二线圈线阵12的5个第一正弦线圈之外，第四个平面矩形螺旋线圈13包围在第二线圈线阵12的5个第二正弦线圈之外，并且平面矩形螺旋线圈13的最内匝矩形在垂直于测量方向的宽度大于8.4mm。
第一线圈线阵11和第二线圈线阵12作为励磁线圈，平面矩形螺旋线圈组作为感应线圈，第一线圈线阵11中通入电流幅值为Im的激励电流i1＝Imsin(ωt)，第二线圈线阵12中通入电流幅值为Im的激励电流i2＝Imcos(ωt)，当动尺2与定尺1在测量方向上发生相对运动时，第一线圈线阵11、第二线圈线阵12与平面矩形螺旋线圈组之间的磁场耦合将发生周期性变化，平面矩形螺旋线圈组产生并输出幅值恒定相位周期性变化的感应信号e2(t,x)，如式(2)所示
Figure BDA0001446203230000081
式中，K2为感应电压幅值，ω为激励电流频率，x为动尺2相对定尺1的直线位移。动尺2相对于定尺1移动一个周期W(即16mm)，感应信号的相位变化一个周期，将式(2)中的感应信号与激励信号进行鉴相处理，得到感应信号的相位
Figure BDA0001446203230000082
并经换算后得到动尺2相对定尺1的直线位移x。
实施例3：本实施例的电磁感应式直线位移传感器的部分结构与实施例1相同，不同之处在于：动尺2为导电的金属非导磁体。第一线圈线阵11和第二线圈线阵12作为励磁线圈，平面矩形螺旋线圈组作为感应线圈，第一线圈线阵11中通入电流幅值为Im的激励电流i1＝Imsin(ωt)，第二线圈线阵12中通入电流幅值为Im的激励电流i2＝Imcos(ωt)，当动尺2与定尺1在测量方向上发生相对运动时，第一线圈线阵11、第二线圈线阵12与平面矩形螺旋线圈组之间的磁场耦合将发生周期性变化，平面矩形螺旋线圈组产生并输出幅值恒定相位周期性变化的感应信号e3(t,x)，如式(3)所示
Figure BDA0001446203230000083
式中，K3为感应电压幅值，ω为激励电流频率，x为动尺2相对定尺1的直线位移。动尺2相对于定尺1移动一个周期W(即16mm)，感应信号的相位变化一个周期，将式(2)中的感应信号与激励信号进行鉴相处理，得到感应信号的相位并经换算后得到动尺2相对定尺1的直线位移x。
实施例4：本实施例的电磁感应式直线位移传感器的部分结构与实施例1相同，不同之处在于：平面矩形螺旋线圈组作为励磁线圈，第一线圈线阵11和第二线圈线阵12作为感应线圈，平面矩形螺旋线圈组通入一相电流幅值为Im的交变激励信号i＝Imsin(ωt)，当动尺2与定尺1沿测量方向发生相对运动时，第一线圈线阵11、第二线圈线阵12与平面矩形螺旋线圈组之间的磁场耦合将发生周期性变化，第一线圈线阵11产出并输出一路相位恒定幅值周期性变化的感应信号e41(t,x)，第二线圈线阵12产生并输出一路相位恒定幅值周期性变化的感应信号e42(t,x)，如式(4)所示，
Figure BDA0001446203230000091
式中，K4为感应电压系数，ω为激励电流频率，x为动尺2相对定尺1的直线位移；
对这两路感应信号进行鉴幅处理，得到两路感应信号的幅值Ve1和Ve2，如式(5)所示，
Figure BDA0001446203230000092
然后，将Ve1与Ve2相除，并对结果求反正切或反余切，得到
Figure BDA0001446203230000093
的值，再经换算后得到动尺2相对定尺1的直线位移x。

Claims (6)

1.一种电磁感应式直线位移传感器，包括定尺(1)和与定尺正对平行且留有间隙的动尺(2)；所述动尺(2)为具有一个或者多个相同的矩形齿(21)的金属体，在具有多个所述矩形齿的金属体中，各个矩形齿沿测量方向等间距分布，相邻两个矩形齿的中心距等于W；所述定尺(1)由导磁的定尺基体(14)和设置在定尺基体表面的传感单元组成，所述传感单元为布有第一线圈线阵(11)、第二线圈线阵(12)和平面矩形螺旋线圈组的印制电路板；
所述第一线圈线阵(11)与第二线圈线阵(12)都由起始位置相同、幅值为A、周期为W、相位互差180o的第一正弦线圈与第二正弦线圈构成，第一线圈线阵(11)的第一、第二正弦线圈分别布置于印制电路板的两层，且其起始端通过过孔连接、终止端作为第一线圈线阵(11)的信号输入/输出端；第二线圈线阵(12)的第一、第二正弦线圈分别布置于印制电路板的另外两层，且其起始端通过过孔连接、终止端作为第二线圈线阵(12)的信号输入/输出端；第一线圈线阵(11)的起始位置与第二线圈线阵(12)的起始位置沿测量方向错开W/4；其特征在于：
所述平面矩形螺旋线圈组由四个相同的平面矩形螺旋线圈(13)通过过孔串联构成，四个平面矩形螺旋线圈(13)分别布置于印制电路板的四个布置有所述第一正弦线圈或第二正弦线圈的布线层上，且在垂直于印制电路板方向上正对，平面矩形螺旋线圈(13)包围在所述第一正弦线圈或第二正弦线圈之外，且平面矩形螺旋线圈(13)的最内匝矩形在垂直于测量方向的宽度大于2A；
在测量方向上，所述矩形齿(21)的长度为W/2；在与定尺基体(14)平行且与测量方向垂直的方向上，所述矩形齿(21)的宽度大于所述平面矩形螺旋线圈(13)的最外匝矩形的宽度。
2.一种电磁感应式直线位移传感器，包括定尺(1)和与定尺正对平行且留有间隙的动尺(2)；所述动尺(2)为具有一个或者多个相同的矩形齿(21)的金属体，在具有多个所述矩形齿的金属体中，各个矩形齿沿测量方向等间距分布，相邻两个矩形齿的中心距等于W；所述定尺(1)由导磁的定尺基体(14)和设置在定尺基体表面的传感单元组成，所述传感单元为布有第一线圈线阵(11)、第二线圈线阵(12)和平面矩形螺旋线圈组的印制电路板；其特征在于：
所述第一线圈线阵(11)与第二线圈线阵(12)都由m个相同且相互平行的线圈组通过过孔串联构成，每个线圈组都由起始位置相同、幅值为A、周期为W、相位互差180o的第一正弦线圈与第二正弦线圈构成；第一线圈线阵(11)的m个线圈组的起始位置沿测量方向对齐，相邻两个线圈组在垂直于测量方向的间距为d，第一线圈线阵(11)的m个第一正弦线圈与m个第二正弦线圈分别布置于印制电路板的两层，第一线圈线阵(11)的每个线圈组中的第一正弦线圈的起始端与第二正弦线圈的起始端通过过孔连接，第一线圈线阵(11)的第一个线圈组的第一正弦线圈的终止端作为第一线圈线阵(11)的信号输入/输出第一端，第n个线圈组的第二正弦线圈的终止端与第n+1个线圈组的第一正弦线圈的终止端通过过孔连接，第m个线圈组的第二正弦线圈的终止端作为第一线圈线阵(11)的信号输入/输出第二端；第二线圈线阵(12)的m个线圈组的起始位置沿测量方向对齐，相邻两个线圈组在垂直于测量方向的间距为d，第二线圈线阵(12)的m个第一正弦线圈与m个第二正弦线圈分别布置于印制电路板的另外两层，第二线圈线阵(12)的每个线圈组中的第一正弦线圈的起始端与第二正弦线圈的起始端通过过孔连接，第二线圈线阵(12)的第一个线圈组的第一正弦线圈的终止端作为第二线圈线阵(12)的信号输入/输出第一端，第n个线圈组的第二正弦线圈的终止端与第n+1个线圈组的第一正弦线圈的终止端通过过孔连接，第m个线圈组的第二正弦线圈的终止端作为第二线圈线阵(12)的信号输入/输出第二端；其中，n依次取值1至m-1中的所有整数；第一线圈线阵(11)的起始位置与第二线圈线阵(12)的起始位置沿测量方向错开W/4；
所述平面矩形螺旋线圈组由四个相同的平面矩形螺旋线圈(13)通过过孔串联构成，四个平面矩形螺旋线圈(13)分别布置于印制电路板的四个布置有所述第一正弦线圈或第二正弦线圈的布线层上，且在垂直于印制电路板方向上正对，平面矩形螺旋线圈(13)包围在所述第一正弦线圈或第二正弦线圈之外，且平面矩形螺旋线圈(13)的最内匝矩形在垂直于测量方向的宽度大于2A+(m-1)*d；
在测量方向上，所述矩形齿(21)的长度为W/2；在与定尺基体(14)平行且与测量方向垂直的方向上，所述矩形齿(21)的宽度大于所述平面矩形螺旋线圈(13)的最外匝矩形的宽度。
3.根据权利要求1或2所述的电磁感应式直线位移传感器，其特征在于：所述第一线圈线阵(11)和第二线圈线阵(12)为励磁线圈，所述平面矩形螺旋线圈组为感应线圈，第一线圈线阵(11)、第二线圈线阵(12)中分别通入两相正交的交变激励信号，当动尺(2)与定尺(1)沿测量方向发生相对运动时，平面矩形螺旋线圈组输出幅值恒定相位周期性变化的感应信号，对该感应信号进行鉴相处理，并经换算后得到动尺相对定尺的直线位移。
4.根据权利要求1或2所述的电磁感应式直线位移传感器，其特征在于：所述平面矩形螺旋线圈组为励磁线圈，所述第一线圈线阵(11)和第二线圈线阵(12)为感应线圈，平面矩形螺旋线圈组中通入交变激励信号，当动尺(2)与定尺(1)沿测量方向发生相对运动时，第一线圈线阵(11)与第二线圈线阵(12)分别输出一路相位恒定幅值周期性变化的感应信号，对该两路感应信号进行鉴幅处理，并经换算后得到动尺相对定尺的直线位移。
5.根据权利要求1或2所述的电磁感应式直线位移传感器，其特征在于：所述动尺(2)为金属导磁体。
6.根据权利要求1或2所述的电磁感应式直线位移传感器，其特征在于：所述动尺(2)为导电的金属非导磁体。
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Assignee: Chongqing Han's Shizha Technology Co.,Ltd.

Assignor: Chongqing University of Technology

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Denomination of invention: An Electromagnetic Induction Linear Displacement Sensor

Granted publication date: 20191015

License type: Exclusive License

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