CN108267072B - 一种时栅直线位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种时栅直线位移传感器，包括由定尺基体、励磁单元组成的定尺和由动尺基体、感应单元组成的动尺，励磁单元包括与X轴正方向分别呈α、β夹角的第一组、第二组励磁线圈；感应单元正对于第二组励磁线圈与第一组励磁线圈的重叠部分，感应单元包括第一、第二感应线圈，第一感应线圈由两个第一平行四边形线圈串联构成，第一平行四边形线圈的长边、短边分别与X轴正方向呈β、α夹角，第二感应线圈由两个第二平行四边形线圈串联构成，第二平行四边形线圈的长边、短边分别与X轴正方向呈α、β夹角，第一、第二平行四边形线圈的长边、短边的长度满足一定关系。该传感器能在保证高分辨力的情况下，实现增量式与绝对式直线位移的测量。

Description

一种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，具体涉及一种时栅直线位移传感器。
背景技术
绝对式直线位移传感器由于上电即可获得当前绝对位置，同时在测量过程中可以消除累计误差，越来越多地应用于工业生产中。目前广泛应用的绝对式直线位移传感器，如光栅、容栅、磁栅等，通过平行安装两个栅格码道(绝对和增量)，在测量范围内增加单对极或绝对式编码，再利用两个读数头分别读取独立位移信息，处理后得到绝对位移值。这些绝对式直线位移传感器的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，空间精密刻划对加工设备、加工环境要求极高；同时，绝对式测量结构复杂，因此使成本较高，测量结果极易受到环境影响。
时栅直线位移传感器采用时钟脉冲作为测量基准，其分辨力一方面取决于传感器的空间极距，另一方面取决于插补时钟脉冲的空间当量；由于插补时钟脉冲的空间当量可以取极小，故时栅直线位移传感器能在较大的空间极距下也能实现高分辨力位移测量。
但是现有的几类感应式时栅直线位移传感器要么只能测增量式直线位移(即相对位移)，要么只能测绝对式直线位移，不能实现同时对增量式直线位移与绝对式直线位移的测量，并且容易出现累计误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种时栅直线位移传感器，以在保证高分辨力的情况下，实现增量式直线位移与绝对式直线位移的测量。
本发明所述的时栅直线位移传感器，包括定尺和动尺，动尺与定尺正对平行，且留有间隙；所述定尺由导磁的定尺基体和设置在定尺基体上表面的励磁单元组成，所述动尺由导磁的动尺基体和设置在动尺基体下表面的感应单元组成。
以X轴为测量方向、以Y轴为前后方向、以Z轴为上下方向：
所述励磁单元包括相互绝缘的布置在不同布线层中的第一组励磁线圈和第二组励磁线圈，第二组励磁线圈的中心与第一组励磁线圈的中心在定尺基体上的投影重合；第一组励磁线圈与X轴正方向呈α夹角，第一组励磁线圈由尺寸相同的n+1个第一正向正弦励磁线圈单元、n+1个第一正向余弦励磁线圈单元、n+1个第一反向正弦励磁线圈单元、n+1个第一反向余弦励磁线圈单元沿X轴方向依次交错等间距排列构成，第一正向正弦励磁线圈单元与第一反向正弦励磁线圈单元串联，第一正向余弦励磁线圈单元与第一反向余弦励磁线圈单元串联，沿X轴方向，相邻的第一正向正弦励磁线圈单元与第一正向余弦励磁线圈单元的中心距为(同理，相邻的第一正向余弦励磁线圈单元与第一反向正弦励磁线圈单元的中心距为相邻的第一反向正弦励磁线圈单元与第一反向余弦励磁线圈单元(124)的中心距为相邻的第一反向余弦励磁线圈单元与第一正向正弦励磁线圈单元的中心距为)，其中，W1表示第一组励磁线圈的节距，α为锐角；第二组励磁线圈与X轴正方向呈β夹角，第二组励磁线圈由尺寸相同的n个第二正向正弦励磁线圈单元、n个第二正向余弦励磁线圈单元、n个第二反向正弦励磁线圈单元、n个第二反向余弦励磁线圈单元沿X轴方向依次交错等间距排列构成，第二正向正弦励磁线圈单元与第二反向正弦励磁线圈单元串联，第二正向余弦励磁线圈单元与第二反向余弦励磁线圈单元串联，沿X轴方向，相邻的第二正向正弦励磁线圈单元与第二正向余弦励磁线圈单元的中心距为(同理，相邻的第二正向余弦励磁线圈单元与第二反向正弦励磁线圈单元的中心距为相邻的第二反向正弦励磁线圈单元与第二反向余弦励磁线圈单元的中心距为相邻的第二反向余弦励磁线圈单元与第二正向正弦励磁线圈单元的中心距为)，其中，W2表示第二组励磁线圈的节距，β为钝角。
所述感应单元正对于第二组励磁线圈与第一组励磁线圈的重叠部分，感应单元包括相互绝缘的布置在不同布线层中的第一感应线圈和第二感应线圈，第二感应线圈的中心与第一感应线圈的中心在动尺基体上的投影重合；第一感应线圈由结构相同、绕线方向相反的两个第一平行四边形线圈串联构成，第一平行四边形线圈的长边与X轴正方向呈β夹角，长边的长度为第一平行四边形线圈的短边与X轴正方向呈α夹角，短边的长度为两个第一平行四边形线圈的中心连线与X轴正方向呈α夹角，中心距为第二感应线圈由结构相同、绕线方向相反的两个第二平行四边形线圈串联构成，第二平行四边形线圈的长边与X轴正方向呈α夹角，长边的长度为第二平行四边形线圈的短边与X轴正方向呈β夹角，短边的长度为两个第二平行四边形线圈的中心连线与X轴正方向呈β夹角，中心距为其中，δ表示设定的最小线距。
第一正向正弦励磁线圈单元与第一正向余弦励磁线圈单元分别施加频率相同、幅值相同、相位相差90°的两路交变励磁电流，定尺基体上表面产生与X轴正方向呈α夹角、量程L内变化n+1个周期的第一行波磁场，第二正向正弦励磁线圈单元与第二正向余弦励磁线圈单元分别施加频率相同、幅值相同、相位相差90°的两路交变励磁电流，定尺基体上表面产生与X轴正方向呈β夹角、量程L内变化n个周期的第二行波磁场；当动尺与定尺沿X轴方向发生相对运动时，第一感应线圈沿第一组励磁线圈产生的第一行波磁场方向积分为零，第一感应线圈沿第二组励磁线圈产生的第二行波磁场方向积分为最大值，第二感应线圈沿第一组励磁线圈产生的第一行波磁场方向积分为最大值，第二感应线圈沿第二组励磁线圈产生的第二行波磁场方向积分为零；因此，第一感应线圈仅拾取第二行波磁场，产生在量程L内相位变化n-1次的感应电信号e1(为行波信号)，第二感应线圈仅拾取第一行波磁场，产生在量程L内相位变化n次的感应电信号e2(为行波信号)，将感应电信号e1或者感应电信号e2与励磁信号比相，相位差由高频时钟脉冲插补，经换算后得到动尺相对定尺的增量式直线位移值，将感应电信号e1与感应电信号e2作差，经换算后得到动尺相对定尺的绝对式直线位移值。
所述第一组励磁线圈的节距W1与第二组励磁线圈的节距W2满足：(n+1)*W1＝n*W2(即第一组励磁线圈在X轴方向的长度与第二组励磁线圈在X轴方向的长度相等)；在Y轴方向上，所述第一组励磁线圈的宽度与第二组励磁线圈的宽度相等；在Z轴方向上，所述第一感应线圈到第二组励磁线圈的距离与第二感应线圈到第一组励磁线圈的距离相等。
所述第一组励磁线圈与第二组励磁线圈有两种优选的结构：
第一种结构的第一组励磁线圈中的第一正向正弦励磁线圈单元、第一正向余弦励磁线圈单元、第一反向正弦励磁线圈单元、第一反向余弦励磁线圈单元结构相同，都由m1根长度相等且相互平行的第一斜导线段并联构成，一路交变励磁电流在第一正向正弦励磁线圈单元的第一斜导线段中的流向与在第一反向正弦励磁线圈单元的第一斜导线段中的流向相反，另一路交变励磁电流在第一正向余弦励磁线圈单元的第一斜导线段中的流向与在第一反向余弦励磁线圈单元的第一斜导线段中的流向相反，第一斜导线段与X轴正方向呈α夹角，将m1根第一斜导线段并联的连接线与X轴方向平行。沿X轴正方向，第一正向正弦励磁线圈单元中的第一根第一斜导线段与第m1根第一斜导线段的间距为第一正向正弦励磁线圈单元中的第一根第一斜导线段与相邻的第一正向余弦励磁线圈单元中的第一根第一斜导线段的间距为同理，第一正向余弦励磁线圈单元中的第一根第一斜导线段与第m1根第一斜导线段的间距为第一正向余弦励磁线圈单元中的第一根第一斜导线段与相邻的第一反向正弦励磁线圈单元中的第一根第一斜导线段的间距为第一反向正弦励磁线圈单元中的第一根第一斜导线段与第m1根第一斜导线段的间距为第一反向正弦励磁线圈单元中的第一根第一斜导线段与相邻的第一反向余弦励磁线圈单元中的第一根第一斜导线段的间距为第一反向余弦励磁线圈单元中的第一根第一斜导线段与第m1根第一斜导线段的间距为第一反向余弦励磁线圈单元中的第一根第一斜导线段与相邻的第一正向正弦励磁线圈单元中的第一根第一斜导线段的间距为
第一种结构的第二组励磁线圈中的第二正向正弦励磁线圈单元、第二正向余弦励磁线圈单元、第二反向正弦励磁线圈单元、第二反向余弦励磁线圈单元结构相同，都由m2根长度相等且相互平行的第二斜导线段并联构成，一路交变励磁电流在第二正向正弦励磁线圈单元的第二斜导线段中的流向与在第二反向正弦励磁线圈单元的第二斜导线段中的流向相反，另一路交变励磁电流在第二正向余弦励磁线圈单元的第二斜导线段中的流向与在第二反向余弦励磁线圈单元的第二斜导线段中的流向相反，第二斜导线段与X轴正方向呈β夹角，将m2根第二斜导线段并联的连接线与X轴方向平行。沿X轴正方向，第二正向正弦励磁线圈单元中的第一根第二斜导线段与第m2根第二斜导线段的间距为第二正向正弦励磁线圈单元中的第一根第二斜导线段与相邻的第二正向余弦励磁线圈单元中的第一根第二斜导线段的间距为同理，第二正向余弦励磁线圈单元中的第一根第二斜导线段与第m2根第二斜导线段的间距为第二正向余弦励磁线圈单元中的第一根第二斜导线段与相邻的第二反向正弦励磁线圈单元中的第一根第二斜导线段的间距为第二反向正弦励磁线圈单元中的第一根第二斜导线段与第m2根第二斜导线段的间距为第二反向正弦励磁线圈单元中的第一根第二斜导线段与相邻的第二反向余弦励磁线圈单元中的第一根第二斜导线段的间距为第二反向余弦励磁线圈单元中的第一根第二斜导线段与第m2根第二斜导线段的间距为第二反向余弦励磁线圈单元中的第一根第二斜导线段与相邻的第二正向正弦励磁线圈单元中的第一根第二斜导线段的间距为
第二种结构的第一组励磁线圈中的第一正向正弦励磁线圈单元、第一正向余弦励磁线圈单元结构相同，都由尺寸相同的两个第一正向平行四边形螺旋线圈串联构成，两个第一正向平行四边形螺旋线圈正对，且分别布置在相互绝缘的两个布线层中，通过中心过孔连接；第二种结构的第一组励磁线圈中的第一反向正弦励磁线圈单元、第一反向余弦励磁线圈单元结构相同，都由尺寸相同的两个第一反向平行四边形螺旋线圈串联构成，两个第一反向平行四边形螺旋线圈正对，且分别布置在与第一正向平行四边形螺旋线圈相同的两个布线层中，通过中心过孔连接；第一正向平行四边形螺旋线圈与第一反向平行四边形螺旋线圈的结构相同、绕线方向相反，第一正向平行四边形螺旋线圈的长边与X轴正方向呈α夹角、短边与X轴方向平行，第一反向平行四边形螺旋线的长边与X轴正方向呈α夹角、短边与X轴方向平行。同一个布线层上，相邻两个第一正向平行四边形螺旋线圈的中心距为最外匝导线间距为δ，相邻的第一正向平行四边形螺旋线圈与第一反向平行四边形螺旋线圈的中心距为最外匝导线间距为δ，相邻两个第一反向平行四边形螺旋线圈的中心距为最外匝导线间距为δ，同理，相邻的第一反向平行四边形螺旋线圈与第一正向平行四边形螺旋线圈的中心距为最外匝导线间距为δ；第一正向、第一反向平行四边形螺旋线圈的最外匝导线的长边长度大于或等于6倍短边长度。
第二种结构的第二组励磁线圈中的第二正向正弦励磁线圈单元、第二正向余弦励磁线圈单元结构相同，都由尺寸相同的两个第二正向平行四边形螺旋线圈串联构成，两个第二正向平行四边形螺旋线圈正对，且分别布置在相互绝缘的两个布线层中，通过中心过孔连接；第二种结构的第二组励磁线圈中的第二反向正弦励磁线圈单元、第二反向余弦励磁线圈单元结构相同，都由尺寸相同的两个第二反向平行四边形螺旋线圈串联构成，两个第二反向平行四边形螺旋线圈正对，且分别布置在与两个第二正向平行四边形螺旋线圈相同的布线层中，通过中心过孔连接；第二正向平行四边形螺旋线圈与第二反向平行四边形螺旋线圈的结构相同、绕线方向相反，第二正向平行四边形螺旋线圈的长边与X轴正方向呈β夹角、短边与X轴方向平行，第二反向平行四边形螺旋线的长边与X轴正方向呈β夹角、短边与X轴方向平行。同一个布线层上，相邻两个第二正向平行四边形螺旋线圈的中心距为最外匝导线间距为δ，相邻的第二正向平行四边形螺旋线圈与第二反向平行四边形螺旋线圈的中心距为最外匝导线间距为δ，相邻两个第二反向平行四边形螺旋线圈的中心距为最外匝导线间距为δ，同理，相邻的第二反向平行四边形螺旋线圈与第二正向平行四边形螺旋线圈的中心距为最外匝导线间距为δ；第二正向、第二反向平行四边形螺旋线圈的最外匝导线的长边长度大于或等于6倍短边长度。
本发明具有如下效果：
(1)在保证高分辨力的情况下，实现了增量式直线位移与绝对式直线位移的测量。
(2)磁场具有三维分布特征，通过多层线圈布置技术，利用测量平面垂直方向(即Z轴方向)空间，产生沿测量方向分布的互成夹角的两个行波磁场，再利用感应单元解耦磁场，获取增量式直线位移与绝对式直线位移。在有限的尺寸下，实现了多功能测量。
(3)测量需要的两个行波磁场由同一组两相正交的励磁信号激发产生，一个感应单元即可完成两个行波磁场的解耦，因此不需要复杂的信号驱动和处理电路即可同时实现增量式和绝对式测量。
附图说明
图1为实施例一的结构示意图。
图2为实施例一的动尺与定尺正对的示意图。
图3为实施例一的第一组励磁线圈中的一个第一正向正弦励磁线圈单元与一个第一反向正弦励磁线圈单元的示意图。
图4为实施例一的第一感应线圈的示意图。
图5为实施例一的第二感应线圈的示意图。
图6为实施例二的结构示意图。
图7为实施例二的动尺与定尺正对的示意图。
图8为实施例二的第一组励磁线圈中的一个第一正向正弦励磁线圈单元、一个第一正向余弦励磁线圈单元、一个第一反向正弦励磁线圈单元与一个第一反向余弦励磁线圈单元的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
实施例一：
如图1至图5所示的时栅直线位移传感器，包括定尺1和动尺2，动尺2与定尺1正对平行，且留有0.1mm间隙。定尺1由导磁的定尺基体11和设置在定尺基体11上表面的励磁单元组成，动尺2由导磁的动尺基体21和设置在动尺基体21下表面的感应单元组成。
以X轴为测量方向、以Y轴为前后方向、以Z轴为上下方向。
励磁单元包括相互绝缘的布置在不同布线层中的第一组励磁线圈12和第二组励磁线圈13，第一组励磁线圈12位于第二组励磁线圈13上方，且第二组励磁线圈13的中心与第一组励磁线圈12的中心在定尺基体11上的投影重合，在Y轴方向上，第一组励磁线圈12的宽度与第二组励磁线圈13的宽度相等。
第一组励磁线圈12由尺寸相同的3个第一正向正弦励磁线圈单元121、3个第一正向余弦励磁线圈单元122、3个第一反向正弦励磁线圈单元123、3个第一反向余弦励磁线圈单元124沿X轴正方向依次交错等间距(间距为δ＝0.1mm)排列构成，第一正向正弦励磁线圈单元121与第一反向正弦励磁线圈单元123串联，第一正向余弦励磁线圈单元122与第一反向余弦励磁线圈单元124串联，第一组励磁线圈12的节距W1＝8mm；第一正向正弦励磁线圈单元121、第一正向余弦励磁线圈单元122、第一反向正弦励磁线圈单元123、第一反向余弦励磁线圈单元124结构相同，都由5根(即m1＝5)长度相等且相互平行的第一斜导线段并联构成，一路交变励磁电流(即i1＝Amsinωt)在第一正向正弦励磁线圈单元121的第一斜导线段中的流向与在第一反向正弦励磁线圈单元123的第一斜导线段中的流向相反，另一路交变励磁电流(即i2＝Amcosωt)在第一正向余弦励磁线圈单元122的第一斜导线段中的流向与在第一反向余弦励磁线圈单元124的第一斜导线段中的流向相反，第一斜导线段与X轴正方向呈45°夹角(即α＝45°)，将5根第一斜导线段并联的连接线与X轴方向平行；沿X轴正方向，第一正向正弦励磁线圈单元121中的第一根第一斜导线段与第5根第一斜导线段的间距为1.9mm，第一正向正弦励磁线圈单元121中的第一根第一斜导线段与相邻的第一正向余弦励磁线圈单元122中的第一根第一斜导线段的间距为2mm；同理，第一正向余弦励磁线圈单元122中的第一根第一斜导线段与第5根第一斜导线段的间距为1.9mm，第一正向余弦励磁线圈单元122中的第一根第一斜导线段与相邻的第一反向正弦励磁线圈单元123中的第一根第一斜导线段的间距为2mm，第一反向正弦励磁线圈单元123中的第一根第一斜导线段与第5根第一斜导线段的间距为1.9mm，第一反向正弦励磁线圈单元123中的第一根第一斜导线段与相邻的第一反向余弦励磁线圈单元124中的第一根第一斜导线段的间距为2mm，第一反向余弦励磁线圈单元124中的第一根第一斜导线段与第5根第一斜导线段的间距为1.9mm，第一反向余弦励磁线圈单元124中的第一根第一斜导线段与相邻的第一正向正弦励磁线圈单元121中的第一根第一斜导线段的间距为2mm。
第二组励磁线圈13由尺寸相同的2个第二正向正弦励磁线圈单元131、2个第二正向余弦励磁线圈单元132、2个第二反向正弦励磁线圈单元133、2个第二反向余弦励磁线圈单元134沿X轴正方向依次交错等间距(间距为δ＝0.1mm)排列构成，第二正向正弦励磁线圈单元131与第二反向正弦励磁线圈单元133串联，第二正向余弦励磁线圈单元132与第二反向余弦励磁线圈单元134串联，第二组励磁线圈13的节距W2＝12mm；第二正向正弦励磁线圈单元131、第二正向余弦励磁线圈单元132、第二反向正弦弦励磁线圈单元133、第二反向余弦励磁线圈单元134结构相同，都由6根(即m2＝6)长度相等且相互平行的第二斜导线段并联构成，一路交变励磁电流(即i1＝Amsinωt)在第二正向正弦励磁线圈单元131的第二斜导线段中的流向与在第二反向正弦励磁线圈单元133的第二斜导线段中的流向相反，另一路交变励磁电流(即i2＝Amcosωt)在第二正向余弦励磁线圈单元132的第二斜导线段中的流向与在第二反向余弦励磁线圈单元134的第二斜导线段中的流向相反，第二斜导线段与X轴正方向呈135°夹角(即β＝135°)，将6根第二斜导线段并联的连接线与X轴方向平行；沿X轴正方向，第二正向正弦励磁线圈单元131中的第一根第二斜导线段与第6根第二斜导线段的间距为2.9mm，第二正向正弦励磁线圈单元131中的第一根第二斜导线段与相邻的第二正向余弦励磁线圈单元132中的第一根第二斜导线段的间距为3mm；同理，第二正向余弦励磁线圈单元132中的第一根第二斜导线段与第6根第二斜导线段的间距为2.9mm，第二正向余弦励磁线圈单元132中的第一根第二斜导线段与相邻的第二反向正弦励磁线圈单元133中的第一根第二斜导线段的间距为3mm，第二反向正弦励磁线圈单元133中的第一根第二斜导线段与第6根第二斜导线段的间距为2.9mm，第二反向正弦励磁线圈单元133中的第一根第二斜导线段与相邻的第二反向余弦励磁线圈单元134中的第一根第二斜导线段的间距为3mm，第二反向余弦励磁线圈单元134中的第一根第二斜导线段与第6根第二斜导线段的间距为2.9mm，第二反向余弦励磁线圈单元134中的第一根第二斜导线段与相邻的第二正向正弦励磁线圈单元134中的第一根第二斜导线段的间距为3mm。
感应单元正对于第二组励磁线圈13与第一组励磁线圈12的重叠部分，感应单元包括相互绝缘的布置在不同布线层中的第一感应线圈22和第二感应线圈23，第二感应线圈23位于第一感应线圈22上方，且第二感应线圈23的中心与第一感应线圈22的中心在动尺基体上的投影重合；第一感应线圈22由布置在同一布线层且结构相同、绕线方向相反的两个第一平行四边形线圈221串联构成，第一平行四边形线圈221的长边与X轴正方向呈135°夹角，长边的长度为5.66mm，第一平行四边形线圈221的短边与X轴正方向呈45°夹角，短边的长度为4.14mm，两个第一正向平行四边形线圈221的中心连线与X轴正方向呈45°夹角，中心距为4.24；第二感应线圈23由布置在同一布线层且结构相同、绕线方向相反的两个第二平行四边形线圈231串联构成，第二平行四边形线圈231的长边与X轴正方向呈45°夹角，长边的长度为8.49mm，第二平行四边形线圈231的短边与X轴正方向呈135°夹角，短边的长度为2.73mm，两个第二平行四边形线圈231的中心连线与X轴正方向呈135°夹角，中心距为2.83mm。在Z轴方向上，第一感应线圈22到第二组励磁线圈13的距离与第二感应线圈23到第一组励磁线圈12的距离相等。
第一正向正弦励磁线圈单元121中施加交变励磁电流i1＝Amsinωt，第一正向余弦励磁线圈单元122中施加交变励磁电流i2＝Amcosωt，定尺基体11上表面产生与X轴正方向呈45°夹角、量程L内变化3个周期的第一行波磁场；第二正向正弦励磁线圈单元131中施加交变励磁电流i1＝Amsinωt，第二正向余弦励磁线圈单元132中施加交变励磁电流i2＝Amcosωt，定尺基体11上表面产生与X轴正方向呈135°夹角、量程L内变化2个周期的第二行波磁场；其中，Am为励磁电流幅值，ω为励磁电流角频率；第一、第二行波磁场之间夹角为90°。理想情况下，定尺基体11上表面产生的磁场分别为B1和B2：
其中，Bm为磁场强度最大值。
在磁场耦合过程中，令y-x＝ε，y+x＝∈，将平面xoy坐标系变换为εo∈坐标系。当动尺2相对定尺1沿X轴方向发生相对运动时，第二感应线圈23耦合第一组励磁线圈12产生的第一行波磁场得到的磁通量为第二感应线圈23耦合第二组励磁线圈13产生的第二行波磁场得到的磁通量为第一感应线圈22耦合第一组励磁线圈12产生的第一行波磁场得到的磁通量为第一感应线圈22耦合第二组励磁线圈13产生的第二行波磁场得到的磁通量为
第二感应线圈23输出的感应电信号e2，第一感应线圈22输出的感应电信号e1如下所示：
动尺2与定尺1沿X轴方向发生相对运动，感应电信号e1、e2的相位角发生周期性变化，将e2或e1与励磁信号比相，相位差由高频时钟脉冲插补，通过计算脉冲个数并经换算得到动尺2与定尺1之间的相对位移量(即增量式直线位移值)。
将感应电信号e1、e2的相位作差，得到相位差如下所示：
通过公式可以看到相位差的变化周期为L，即在量程L内变化1次，经运算后得到量程内动尺2与定尺1的绝对位置(即绝对式直线位移值)。
实施例二：本实施例中的时栅直线位移传感器的大部分结构与实施例一相同，不同之处在于：
第一组励磁线圈12位于第二组励磁线圈13下方，第二感应线圈23位于第一感应线圈22下方。第一组励磁线圈12中的第一正向正弦励磁线圈单元121、第一正向余弦励磁线圈单元122结构相同，都由尺寸相同的两个第一正向平行四边形螺旋线圈串联构成，两个第一正向平行四边形螺旋线圈正对，且分别布置在相互绝缘的两个布线层中，通过中心过孔连接，第一正向平行四边形螺旋线圈的匝数为2匝；第一组励磁线圈12中的第一反向正弦励磁线圈单元123、第一反向余弦励磁线圈单元124结构相同，都由尺寸相同的两个第一反向平行四边形螺旋线圈串联构成，两个第一反向平行四边形螺旋线圈正对，且分别布置在与第一正向平行四边形螺旋线圈相同的两个布线层中，通过中心过孔连接，第一反向平行四边形螺旋线圈的匝数为2匝；第一正向平行四边形螺旋线圈与第一反向平行四边形螺旋线圈的结构相同、绕线方向相反，第一正向平行四边形螺旋线圈的长边与X轴正方向呈45°夹角、短边与X轴方向平行，第一反向平行四边形螺旋线的长边与X轴正方向呈45°夹角、短边与X轴方向平行。同一个布线层上，相邻两个第一正向平行四边形螺旋线圈的中心距为2mm、最外匝导线间距为0.1mm，相邻的第一正向平行四边形螺旋线圈与第一反向平行四边形螺旋线圈的中心距为2mm、最外匝导线间距为0.1mm，相邻两个第一反向平行四边形螺旋线圈的中心距为2mm、最外匝导线间距为0.1mm，同理，相邻的第一反向平行四边形螺旋线圈与第一正向平行四边形螺旋线圈的中心距为2mm、最外匝导线间距为0.1mm；第一正向、第一反向平行四边形螺旋线圈的最外匝导线的长边长度大于或等于6倍短边长度。
第二组励磁线圈13中的第二正向正弦励磁线圈单元131、第二正向余弦励磁线圈单元132结构相同，都由尺寸相同的两个第二正向平行四边形螺旋线圈串联构成，两个第二正向平行四边形螺旋线圈正对，且分别布置在相互绝缘的两个布线层中，通过中心过孔连接，第二正向平行四边形螺旋线圈的匝数为3匝；第二组励磁线圈13中的第二反向正弦励磁线圈单元133、第二反向余弦励磁线圈单元134结构相同，都由尺寸相同的两个第二反向平行四边形螺旋线圈串联构成，两个第二反向平行四边形螺旋线圈正对，且分别布置在与两个第二正向平行四边形螺旋线圈相同的布线层中，通过中心过孔连接；第二正向平行四边形螺旋线圈与第二反向平行四边形螺旋线圈的结构相同、绕线方向相反，第二正向平行四边形螺旋线圈的长边与X轴正方向呈135°夹角、短边与X轴方向平行，第二反向平行四边形螺旋线的长边与X轴正方向呈135°夹角、短边与X轴方向平行。同一个布线层上，相邻两个第二正向平行四边形螺旋线圈的中心距为3mm、最外匝导线间距为0.1mm，相邻的第二正向平行四边形螺旋线圈与第二反向平行四边形螺旋线圈的中心距为3mm、最外匝导线间距为0.1mm，相邻两个第二反向平行四边形螺旋线圈的中心距为3mm、最外匝导线间距为0.1mm，同理，相邻的第二反向平行四边形螺旋线圈与第二正向平行四边形螺旋线圈的中心距为3mm、最外匝导线间距为0.1mm；第二正向、第二反向平行四边形螺旋线圈的最外匝导线的长边长度大于或等于6倍短边长度。
以上所述仅是本发明的较佳实例，并非对本发明的任何限制，任何根据本发明本质所做的修改、等效变换均属本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种时栅直线位移传感器，包括定尺(1)和动尺(2)，动尺(2)与定尺(1)正对平行，且留有间隙；所述定尺(1)由导磁的定尺基体(11)和设置在定尺基体上表面的励磁单元组成，所述动尺(2)由导磁的动尺基体(21)和设置在动尺基体下表面的感应单元组成，以X轴为测量方向、以Y轴为前后方向、以Z轴为上下方向；其特征是：
所述励磁单元包括相互绝缘的布置在不同布线层中的第一组励磁线圈(12)和第二组励磁线圈(13)，第二组励磁线圈(13)的中心与第一组励磁线圈(12)的中心在定尺基体上的投影重合；第一组励磁线圈(12)与X轴正方向呈α夹角，第一组励磁线圈(12)由尺寸相同的n+1个第一正向正弦励磁线圈单元(121)、n+1个第一正向余弦励磁线圈单元(122)、n+1个第一反向正弦励磁线圈单元(123)、n+1个第一反向余弦励磁线圈单元(124)沿X轴方向依次交错等间距排列构成，第一正向正弦励磁线圈单元(121)与第一反向正弦励磁线圈单元(123)串联，第一正向余弦励磁线圈单元(122)与第一反向余弦励磁线圈单元(124)串联，沿X轴正方向，相邻的第一正向正弦励磁线圈单元(121)与第一正向余弦励磁线圈单元(122)的中心距为其中，W1表示第一组励磁线圈的节距，α为锐角；第二组励磁线圈(13)与X轴方向呈β夹角，第二组励磁线圈(13)由尺寸相同的n个第二正向正弦励磁线圈单元(131)、n个第二正向余弦励磁线圈单元(132)、n个第二反向正弦励磁线圈单元(133)、n个第二反向余弦励磁线圈单元(134)沿X轴方向依次交错等间距排列构成，第二正向正弦励磁线圈单元(131)与第二反向正弦励磁线圈单元(133)串联，第二正向余弦励磁线圈单元(132)与第二反向余弦励磁线圈单元(134)串联，沿X轴正方向，相邻的第二正向正弦励磁线圈单元(131)与第二正向余弦励磁线圈单元(132)的中心距为其中，W2表示第二组励磁线圈的节距，β为钝角；
所述感应单元正对于第二组励磁线圈(13)与第一组励磁线圈(12)的重叠部分，感应单元包括相互绝缘的布置在不同布线层中的第一感应线圈(22)和第二感应线圈(23)，第二感应线圈(23)的中心与第一感应线圈(22)的中心在动尺基体上的投影重合；第一感应线圈(22)由结构相同、绕线方向相反的两个第一平行四边形线圈(221)串联构成，第一平行四边形线圈(221)的长边与X轴正方向呈β夹角，长边的长度为短边与X轴正方向呈α夹角，短边的长度为两个第一平行四边形线圈(221)的中心连线与X轴正方向呈α夹角，中心距为第二感应线圈(23)由结构相同、绕线方向相反的两个第二平行四边形线圈(231)串联构成，第二平行四边形线圈(231)的长边与X轴正方向呈α夹角，长边的长度为短边与X轴正方向呈β夹角，短边的长度为两个第二平行四边形线圈(231)的中心连线与X轴正方向呈β夹角，中心距为其中，δ表示设定的最小线距；
第一正向正弦励磁线圈单元(121)与第一正向余弦励磁线圈单元(122)分别施加频率相同、幅值相同、相位相差90°的两路交变励磁电流，第二正向正弦励磁线圈单元(131)与第二正向余弦励磁线圈单元(132)分别施加频率相同、幅值相同、相位相差90°的两路交变励磁电流；当动尺(2)与定尺(1)发生相对运动时，第一感应线圈(22)输出幅值恒定、相位在量程L内变化n-1次的感应电信号e1；第二感应线圈(23)输出幅值恒定、相位在量程L内变化n次的感应电信号e2；将感应电信号e1或者感应电信号e2与励磁信号比相，相位差由高频时钟脉冲插补，经换算后得到动尺相对定尺的增量式直线位移值，将感应电信号e1与感应电信号e2作差，经换算后得到动尺相对定尺的绝对式直线位移值。
2.根据权利要求1所述的时栅直线位移传感器，其特征是：所述第一组励磁线圈(12)的节距W1与第二组励磁线圈(13)的节距W2满足：(n+1)*W1＝n*W2；在Y轴方向上，所述第一组励磁线圈(12)的宽度与第二组励磁线圈(13)的宽度相等；在Z轴方向上，所述第一感应线圈(22)到第二组励磁线圈(13)的距离与第二感应线圈(23)到第一组励磁线圈(12)的距离相等。
3.根据权利要求1或2所述的时栅直线位移传感器，其特征是：
所述第一正向正弦励磁线圈单元(121)、第一正向余弦励磁线圈单元(122)、第一反向正弦励磁线圈单元(123)、第一反向余弦励磁线圈单元(124)结构相同，都由m1根长度相等且相互平行的第一斜导线段并联构成，一路交变励磁电流在第一正向正弦励磁线圈单元(121)的第一斜导线段中的流向与在第一反向正弦励磁线圈单元(123)的第一斜导线段中的流向相反，另一路交变励磁电流在第一正向余弦励磁线圈单元(122)的第一斜导线段中的流向与在第一反向余弦励磁线圈单元(124)的第一斜导线段中的流向相反；所述第一斜导线段与X轴正方向呈α夹角，将m1根第一斜导线段并联的连接线与X轴方向平行；
所述第二正向正弦励磁线圈单元(131)、第二正向余弦励磁线圈单元(132)、第二反向正弦励磁线圈单元(133)、第二反向余弦励磁线圈单元(134)结构相同，都由m2根长度相等且相互平行的第二斜导线段并联构成，一路交变励磁电流在第二正向正弦励磁线圈单元(131)的第二斜导线段中的流向与在第二反向正弦励磁线圈单元(133)的第二斜导线段中的流向相反，另一路交变励磁电流在第二正向余弦励磁线圈单元(132)的第二斜导线段中的流向与在第二反向余弦励磁线圈单元(134)的第二斜导线段中的流向相反；所述第二斜导线段与X轴正方向呈β夹角，将m2根第二斜导线段并联的连接线与X轴方向平行。
4.根据权利要求3所述的时栅直线位移传感器，其特征是：
沿X轴方向，第一正向正弦励磁线圈单元(121)中的第一根第一斜导线段与第m1根第一斜导线段的间距为第一正向正弦励磁线圈单元(121)中的第一根第一斜导线段与相邻的第一正向余弦励磁线圈单元(122)中的第一根第一斜导线段的间距为
沿X轴方向，第二正向正弦励磁线圈单元(131)中的第一根第二斜导线段与第m2根第二斜导线段的间距为第二正向正弦励磁线圈单元(131)中的第一根第二斜导线段与相邻的第二正向余弦励磁线圈单元(132)中的第一根第二斜导线段的间距为
5.根据权利要求1或2所述的时栅直线位移传感器，其特征是：
所述第一正向正弦励磁线圈单元(121)、第一正向余弦励磁线圈单元(122)结构相同，都由尺寸相同的两个第一正向平行四边形螺旋线圈串联构成，两个第一正向平行四边形螺旋线圈正对，且分别布置在相互绝缘的两个布线层中，通过中心过孔连接；所述第一反向正弦励磁线圈单元(123)、第一反向余弦励磁线圈单元(124)结构相同，都由尺寸相同的两个第一反向平行四边形螺旋线圈串联构成，两个第一反向平行四边形螺旋线圈正对，且分别布置在与第一正向平行四边形螺旋线圈相同的两个布线层中，通过中心过孔连接；所述第一正向平行四边形螺旋线圈与第一反向平行四边形螺旋线圈的结构相同、绕线方向相反，第一正向平行四边形螺旋线圈的长边与X轴正方向呈α夹角、短边与X轴方向平行，第一反向平行四边形螺旋线的长边与X轴正方向呈α夹角、短边与X轴方向平行；
所述第二正向正弦励磁线圈单元(131)、第二正向余弦励磁线圈单元(132)结构相同，都由尺寸相同的两个第二正向平行四边形螺旋线圈串联构成，两个第二正向平行四边形螺旋线圈正对，且分别布置在相互绝缘的两个布线层中，通过中心过孔连接；所述第二反向正弦励磁线圈单元(133)、第二反向余弦励磁线圈单元(134)结构相同，都由尺寸相同的两个第二反向平行四边形螺旋线圈串联构成，两个第二反向平行四边形螺旋线圈正对，且分别布置在与两个第二正向平行四边形螺旋线圈相同的布线层中，通过中心过孔连接；所述第二正向平行四边形螺旋线圈与第二反向平行四边形螺旋线圈的结构相同、绕线方向相反，第二正向平行四边形螺旋线圈的长边与X轴正方向呈β夹角、短边与X轴方向平行，第二反向平行四边形螺旋线的长边与X轴正方向呈β夹角、短边与X轴方向平行。
6.根据权利要求5所述的时栅直线位移传感器，其特征是：
同一个布线层上，相邻两个第一正向平行四边形螺旋线圈的中心距为最外匝导线间距为δ，相邻的第一正向平行四边形螺旋线圈与第一反向平行四边形螺旋线圈的中心距为最外匝导线间距为δ，相邻两个第一反向平行四边形螺旋线圈的中心距为最外匝导线间距为δ；第一正向、第一反向平行四边形螺旋线圈的最外匝导线的长边长度大于或等于6倍短边长度；
同一个布线层上，相邻两个第二正向平行四边形螺旋线圈的中心距为最外匝导线间距为δ，相邻的第二正向平行四边形螺旋线圈与第二反向平行四边形螺旋线圈的中心距为最外匝导线间距为δ，相邻两个第二反向平行四边形螺旋线圈的中心距为最外匝导线间距为δ；第二正向、第二反向平行四边形螺旋线圈的最外匝导线的长边长度大于或等于6倍短边长度。
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