CN108955512A - 精密角位移测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精密角位移测量系统，包括若干独立设置的电磁测头、信号处理电路、控制器、通信器及上位机；各所述电磁测头分别与信号处理电路相连，所述信号处理电路与控制器相连，所述控制器通过通信器与上位机相通信；至少两个所述电磁测头作为上层测头围绕分布于转子齿轮的外圆相对一侧，同时至少两个所述电磁测头作为下层测头也围绕分布于转子齿轮的外圆相对一侧，且所述下层测头错位设置于上层测头的下方。本发明能够减少传感器整周长周期和对极内短周期误差，同时降低装调要求，提高系统可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及精密位移测量领域，具体涉及一种精密角位移测量系统。
背景技术
嵌入式角位移传感器是一种新型位移传感器，主要用于解决大型、中空齿轮的精密角位移测量。由于机械加工、安装和电气参数等影响，这类传感器在进行角位移测量时存在误差，常规的误差修正方法主要有两种：一是在整个圆周内对径放置多个测量头，用以消除长周期圆分度误差；二是通过与高精度基准仪器进行比较，得到一系列的误差数据，再通过建立特定的误差模型来实现对误差的修正。但是，这两种降低误差的方法存在一定的局限性：第一种方法能够有效地降低整周长周期圆分度误差，但对极内短周期误差的修正效果不明显；第二种方法需要借助高精度基准仪器，在传感器的校准过程中受到安装和调试的制约，不适合进行在线校准，并且该方法属于后期误差修正，不能从根本上降低传感器的设计和制造误差。另外，一种公开的能够实现在线自标定方法采用特定对极数的两种传感器进行互相标定，但这种方法需要两套传感器系统，同时对两套传感器系统的对极数、加工精度、安装方式以及电气系统有特殊要求，这种方法在工程应用方面具有一定的局限性。
因此，为解决上述问题，就需要一种精密角位移测量系统，能够减少传感器整周长周期和对极内短周期误差，同时降低装调要求，提高系统可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种精密角位移测量系统，能够减少传感器整周长周期和对极内短周期误差，同时降低装调要求，提高系统可靠性。
本发明的精密角位移测量系统，包括若干独立设置的电磁测头、信号处理电路、控制器、通信器及上位机；各所述电磁测头分别与信号处理电路相连，所述信号处理电路与控制器相连，所述控制器通过通信器与上位机相通信；至少两个所述电磁测头作为上层测头围绕分布于转子齿轮的外圆相对一侧，同时至少两个所述电磁测头作为下层测头也围绕分布于转子齿轮的外圆相对一侧，且所述下层测头错位设置于上层测头的下方。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述电磁测头包括导磁基体和线圈，所述导磁基体为弧形结构且其凹面上设置若干指向弧形结构中心的测头齿，相邻所述测头齿之间形成齿槽；所述线圈包括激励线圈和感应线圈并分层绕制在测头齿上。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述导磁基体的外轮廓加工弧度与转子齿轮的齿顶圆弧度一致。
作为对上述技术方案的进一步改进，每一所述导磁基体上的测头齿数量为4k，其中k为正整数；所述测头齿的齿面弧度与转子齿轮的齿顶圆弧度一致，测头齿的齿宽与转子齿轮分度圆上的宽度相同，所述齿槽的宽度为(i+1/2)倍于测头齿的齿宽，其中i为正整数。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述测头齿上由内至外绕制有三层绕组，其中第一层绕组和第二层绕组均为激励线圈，第三层绕组为感应线圈，三层绕组的总匝数为300j，其中j为转子齿轮的模数；感应线圈的匝数为激励线圈的匝数的2倍。
作为对上述技术方案的进一步改进，三层绕组上的线圈采用多匝线圈正反绕法，且第一层绕组和第二层绕组之间错开1/2个空间周期。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述导磁基体采用坡莫合金制成。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述上层测头沿圆周方向均匀分布。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述下层测头沿圆周方向均匀分布，且下层测头与对应的上层测头之间错开一个测头齿的宽度。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述控制器内置有误差修正处理模块，所述误差修正处理模块通过对各电磁测头的测量数据进行数字量相加取均值的方式进行误差修正处理。
通过上述公开内容，本发明具有以下有益技术效果：
第一，电磁测头的结构从传感器信号产生机理为出发点，从测量根源上降低了嵌入式角位移传感器设计和制造误差；
第二，特殊双层多电磁测头错开空间位置的布置方法，同时降低了传感器整周长周期和对极内短周期误差；
第三，利用测量数据数字量相加取均值的方法，与传统模拟量相加相比，降低了装调要求，不受测头相位变化的影响，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的电磁测头在使用状态下的布置示意图；
图3为本发明的导磁基体的设计示意图；
图4为本发明的电磁测头的结构示意图；
图5为本发明电磁测头的线圈绕组设计示意图；
图6为本发明上层测头的布置示意图；
图7为本发明下层测头的布置示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1至图7所示：本实施例的精密角位移测量系统，包括若干独立设置的电磁测头1、信号处理电路2、控制器3、通信器4及上位机5；各所述电磁测头1分别与信号处理电路2相连，所述信号处理电路2与控制器3相连，所述控制器3通过通信器4与上位机5相通信；至少两个所述电磁测头1作为上层测头1a围绕分布于转子齿轮6的外圆相对一侧，同时至少两个所述电磁测头1作为下层测头1b也围绕分布于转子齿轮6的外圆相对一侧，且所述下层测头1b错位设置于上层测头1a的下方。
转子齿轮6即被检机械，是具有空间机械等分特征的金属齿状体，可以是齿轮、蜗轮、电机或轴承，转子齿轮6的齿采用导磁材料制成，此时电磁测头1则构成与转子齿轮6对应的定子；电磁测头1、信号处理电路2、控制器3和转子齿轮6共同构成一套能够自行输出精密位移信息的测量系统；电磁测头1独立设置，是指各电磁测头1独立测量、互不干扰，各电磁测头1可与信号处理电路2并联；控制器3可为现有的微处理器，具有数据处理的功能；通信器4可为有线或者无线结构，例如可为串行式通信结构。
电磁测头1的具体数量可根据需要而设，本实施例以双层四测头进行说明。本实施例共设置四个电磁测头1，其中，两个电磁测头1位于同一平面作为上层测头1a，两个电磁测头1位于同一平面作为下层测头1b，“上”“下”是以图2所示方向为准；各电磁测头1的结构及加工方式相同；“错位设置”则指下层测头1b并非位于上层测头1a的正下方，即二者的投影并不重合。
本实施例中，所述电磁测头1包括导磁基体11和线圈，所述导磁基体11为弧形结构且其凹面上设置若干指向弧形结构中心的测头齿12，相邻所述测头齿12之间形成齿槽13；所述线圈包括激励线圈和感应线圈并分层绕制在测头齿12上。导磁基体11优选采用坡莫合金制成，具有很高的弱磁场导磁率，导磁基体11采用高精密线切割加工方式；导磁基体11配合转子齿轮参数进行设计，所述导磁基体11的外轮廓加工弧度与转子齿轮6的齿顶圆弧度一致。
本实施例中，每一所述导磁基体11上的测头齿12数量为4k，其中k为正整数(k＝1,2,3……)；此时齿槽13的数量即为4k-1；所述测头齿12的齿面弧度与转子齿轮6的齿顶圆弧度一致，测头齿12的齿宽与转子齿轮6分度圆上的宽度相同，所述齿槽13的宽度为(i+1/2)倍于测头齿12的齿宽，其中i为正整数(i＝1,2,3……)。使用时电磁测头1整体与转子齿轮6之间的空气间隙可为1mm。
本实施例中，所述测头齿12上由内至外绕制有三层绕组，其中第一层绕组71和第二层绕组72均为激励线圈，第三层绕组73为感应线圈，三层绕组的总匝数为300j，其中j为转子齿轮6的模数；感应线圈的匝数为激励线圈的匝数的2倍。绕组可采用0.1mm漆包铜线；使用时，第一层绕组71可通正弦激励，第二层绕组72可通余弦激励。三层绕组上的线圈采用多匝线圈正反绕法，且第一层绕组71和第二层绕组72之间错开1/2个空间周期；参见图5，绕制时以逆时针绕线为“正”，顺时针绕线为“负”，第一层绕组71的绕制方式为“正正负负”，第二层绕组72的绕制方式为“正负负正”，第三层绕组73的绕制方式为“正负正负”。
本实施例中，所述上层测头1a沿圆周方向均匀分布；所述下层测头1b也沿圆周方向均匀分布，且下层测头1b与对应的上层测头1a之间错开一个测头齿12的宽度；参见图6、图7，在双层四测头的结构下，两个上层测头1a沿圆周空间位置错开180°布置，且两个上层测头1a的末端(逆时针最后一个)测头齿12基于转子齿轮6上一条通过齿6a的中心线对齐；两个下层测头1b也沿圆周空间位置错开180°布置，且两个下层测头1b的末端(逆时针最后一个)测头齿12基于转子齿轮6上一条通过槽6b的中心线对齐。
本实施例中，所述控制器3内置有误差修正处理模块，所述误差修正处理模块通过对各电磁测头1的测量数据进行数字量相加取均值的方式进行误差修正处理。四个电磁测头1同时采集测量数据，每个电磁测头1都是单独的测量系统，对四组信号进行分别处理，包括滤波、放大和模数转换，最终送至控制器3，在控制器3内将测量数据进行数字量相加，相加过程中四组测量数据首先进行数字滤波，再进行平均处理取均值，得到最终的测量结果。
最后说明的是，本文应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，在不脱离本发明原理的情况下，还可对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种精密角位移测量系统，其特征在于：包括若干独立设置的电磁测头、信号处理电路、控制器、通信器及上位机；各所述电磁测头分别与信号处理电路相连，所述信号处理电路与控制器相连，所述控制器通过通信器与上位机相通信；至少两个所述电磁测头作为上层测头围绕分布于转子齿轮的外圆相对一侧，同时至少两个所述电磁测头作为下层测头也围绕分布于转子齿轮的外圆相对一侧，且所述下层测头错位设置于上层测头的下方。
2.根据权利要求1所述的精密角位移测量系统，其特征在于：所述电磁测头包括导磁基体和线圈，所述导磁基体为弧形结构且其凹面上设置若干指向弧形结构中心的测头齿，相邻所述测头齿之间形成齿槽；所述线圈包括激励线圈和感应线圈并分层绕制在测头齿上。
3.根据权利要求2所述的精密角位移测量系统，其特征在于：所述导磁基体的外轮廓加工弧度与转子齿轮的齿顶圆弧度一致。
4.根据权利要求2所述的精密角位移测量系统，其特征在于：每一所述导磁基体上的测头齿数量为4k，其中k为正整数；所述测头齿的齿面弧度与转子齿轮的齿顶圆弧度一致，测头齿的齿宽与转子齿轮分度圆上的宽度相同，所述齿槽的宽度为(i+1/2)倍于测头齿的齿宽，其中i为正整数。
5.根据权利要求2所述的精密角位移测量系统，其特征在于：所述测头齿上由内至外绕制有三层绕组，其中第一层绕组和第二层绕组均为激励线圈，第三层绕组为感应线圈，三层绕组的总匝数为300j，其中j为转子齿轮的模数；感应线圈的匝数为激励线圈的匝数的2倍。
6.根据权利要求5所述的精密角位移测量系统，其特征在于：三层绕组上的线圈采用多匝线圈正反绕法，且第一层绕组和第二层绕组之间错开1/2个空间周期。
7.根据权利要求2所述的精密角位移测量系统，其特征在于：所述导磁基体采用坡莫合金制成。
8.根据权利要求1至7任一项所述的精密角位移测量系统，其特征在于：所述上层测头沿圆周方向均匀分布。
9.根据权利要求8所述的精密角位移测量系统，其特征在于：所述下层测头沿圆周方向均匀分布，且下层测头与对应的上层测头之间错开一个测头齿的宽度。
10.根据权利要求1至7任一项所述的精密角位移测量系统，其特征在于：所述控制器内置有误差修正处理模块，所述误差修正处理模块通过对各电磁测头的测量数据进行数字量相加取均值的方式进行误差修正处理。
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