CN109631749A - 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、转换电路和信号处理电路，定子包括定子基体和绕于定子基体上的激励绕组、感应绕组，转子为类圆柱环，定子为圆柱环，转子和定子按照特定方式安装后，当转子相对于定子转动时，在转换电路和信号处理电路的作用下，被测运动当前的绝对角位移将反映为与之对应的一组确定的电信号，通过对这组电信号的处理进一步转化为当前的绝对角位移值。本发明只建立一个传感单元就实现了粗、精同时测量，有效避免了粗测、精测传感单元的相互影响，提高了绝对角位移的测量精度，减小了传感器体积。

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

在精密角位移测量领域中，粗测、精测组合是实现高分辨力绝对角位移测量的一种有效技术方案。现有公开的粗测、精测组合测量技术方案中存在两个局限：其一，粗测、精测组合测量需要建立两套传感和测量单元，从而导致传感器体积较大；其二，粗测传感单元的激励磁场与精测传感单元的激励磁场会互相耦合到对方的感应线圈上，从而使其测量精度均达不到独立工作时的水平，导致绝对角位移测量精度下降。

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，以采用粗测、精测组合的方式实现绝对角位移的高精度测量，同时减小传感器体积。

本发明所述的一种绝对式时栅角位移传感器，包括定子、转子、转换电路和信号处理电路，定子包括定子基体和绕于定子基体上的激励绕组、感应绕组。

所述转子为导磁的类圆柱环，所述类圆柱环具有转子内圆柱面、转子外圆柱面和与转子内、外圆柱面垂直的两个端面，转子内圆柱面轴线与转子外圆柱面轴线平行(不重合)，在转子内圆柱面侧(即转子内侧)沿圆周方向间隔均匀地开设有N个轴向贯通的转子扇环形槽，形成N个转子扇环形齿与N个转子扇环形槽交错分布的空间结构，N个所述转子扇环形槽的轴线与转子内圆柱面轴线重合，其中一个转子扇环形齿的径向中心线位于类圆柱环最薄壁处(即其中一个转子扇环形齿的径向中心线处于过类圆柱环最薄壁处的径向直线上)，一个转子扇环形槽所对的圆心角等于一个转子扇环形齿所对的圆心角(即相邻两个转子扇环形槽间隔的圆心角等于一个转子扇环形槽所对的圆心角)；其中，N＝5k，k为正奇数。

所述定子基体为导磁的圆柱环，所述圆柱环具有同轴的定子内圆柱面与定子外圆柱面以及与定子内、外圆柱面垂直的两个端面，定子外圆柱面的半径小于转子内圆柱面到转子外圆柱面轴线的最小距离，在定子外圆柱面侧(即定子外侧)沿圆周方向间隔均匀地开设有M个轴向贯通的定子扇环形槽，形成M个定子扇环形齿与M个定子扇环形槽交错分布的空间结构，一个定子扇环形齿所对的圆心角大于或等于一个转子扇环形齿所对的圆心角且小于一个转子扇环形齿所对的圆心角的2倍；其中，M＝4k。

所述激励绕组包括正弦激励绕组和余弦激励绕组，正弦激励绕组包括第一正弦单元和第二正弦单元，余弦激励绕组包括第一余弦单元和第二余弦单元，将其中某一个定子扇环形齿称为1号定子齿，其余定子扇环形齿沿圆周方向依次称为2号定子齿至M号定子齿(即2号定子齿、3号定子齿、4号定子齿、…、M号定子齿)；第一正弦单元由第一导线沿圆周方向在2m号定子齿上绕制而成，第二正弦单元由第二导线沿圆周方向在2m+2k号定子齿上绕制而成，第一余弦单元由第三导线沿圆周方向在2m+k号定子齿上绕制而成，第二余弦单元由第四导线沿圆周方向在号定子齿上绕制而成，每号定子齿上绕制的激励线圈匝数相同，相邻两偶数号定子齿上的激励线圈绕制方向相反，相邻两奇数号定子齿上的激励线圈绕制方向相反；其中，m依次取1至k的所有整数，符号Mod()表示取余运算，即取的余数部分，第一导线的起始端作为第一正弦单元的接线端子S1、终止端作为第一正弦单元的接线端子S2，第二导线的起始端作为第二正弦单元的接线端子S3、终止端作为第二正弦单元的接线端子S4，第三导线的起始端作为第一余弦单元的接线端子T1、终止端作为第一余弦单元的接线端子T2，第四导线的起始端作为第二余弦单元的接线端子T3、终止端作为第二余弦单元的接线端子T4。

所述感应绕组由第五导线沿圆周方向依次在M个定子扇环形齿上绕制而成，每个定子扇环形齿上绕制的感应线圈匝数相同，相邻两个定子扇环形齿上的感应线圈绕制方向相反，第五导线的起始端与终止端作为多级感应信号输出端。

所述定子安装在转子内，定子基体的中心面与转子的中心面位于同一平面，定子内圆柱面轴线(也是定子外圆柱面轴线)与转子外圆柱面轴线以及被测角度的回转中心轴重合。定子基体的中心面是指与定子基体的两个端面平行且到该两个端面的距离相等的平面，转子的中心面是指与转子的两个端面平行且到该两个端面的距离相等的平面。

所述转换电路包括第一电桥和第二电桥，第一电桥由第一正弦单元、第二正弦单元、电阻R2、电阻R1依次首尾相连构成，电阻R1与电阻R2的阻值相等，电阻R1与第一正弦单元的连接点以及第二正弦单元与电阻R2的连接点引出接线端子，作为正弦激励信号输入端；第一正弦单元与第二正弦单元的连接点以及电阻R2与电阻R1的连接点引出接线端子作为第一单级信号输出端；第二电桥由第一余弦单元、第二余弦单元、电阻R4、电阻R3依次首尾相连构成，电阻R3与电阻R4的阻值相等，电阻R3与第一余弦单元的连接点以及第二余弦单元与电阻R4的连接点引出接线端子，作为余弦激励信号输入端；第一余弦单元与第二余弦单元的连接点以及电阻R4与电阻R3的连接点引出接线端子作为第二单级信号输出端；所述信号处理电路包括加法电路、信号调理电路、鉴相电路和微处理器。

正、余弦激励信号输入端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)，感应绕组的多级感应信号输出端输出多级感应信号(即精测信号)，同时，第一、第二单级信号输出端输出的第一、第二单级信号经加法电路处理后，得到单级感应信号(即粗测信号)；当转子相对于定子转动时，单级感应信号和多级感应信号将发生周期性变化，转子相对于定子转动一圈，单级感应信号变化1个周期，多级感应信号变化N个周期，将单级感应信号、多级感应信号和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，再经微处理器运算后，得到转子的绝对角位移值。

本发明所述的另一种绝对式时栅角位移传感器，包括定子、转子、转换电路和信号处理电路，定子包括定子基体和绕于定子基体上的激励绕组、感应绕组。

所述转子为导磁的类圆柱环，所述类圆柱环具有转子内圆柱面、转子外圆柱面和与转子内、外圆柱面垂直的两个端面，转子内圆柱面轴线与转子外圆柱面轴线平行(不重合)，在转子外圆柱面侧(即转子外侧)沿圆周方向间隔均匀地开设有N个轴向贯通的转子扇环形槽，形成N个转子扇环形齿与N个转子扇环形槽交错分布的空间结构，N个所述转子扇环形槽的轴线与转子外圆柱面轴线重合，其中一个转子扇环形齿的径向中心线位于类圆柱环最薄壁处(即其中一个转子扇环形齿的径向中心线处于过类圆柱环最薄壁处的径向直线上)，一个转子扇环形槽所对的圆心角等于一个转子扇环形齿所对的圆心角(即相邻两个转子扇环形槽间隔的圆心角等于一个转子扇环形槽所对的圆心角)；其中，N＝5k，k为正奇数。

所述定子基体为导磁的圆柱环，所述圆柱环具有同轴的定子内圆柱面与定子外圆柱面以及与定子内、外圆柱面垂直的两个端面，定子内圆柱面的半径大于转子外圆柱面到转子内圆柱面轴线的最大距离，在定子内圆柱面侧(即定子内侧)沿圆周方向间隔均匀地开设有M个轴向贯通的定子扇环形槽，形成M个定子扇环形齿与M个定子扇环形槽交错分布的空间结构，一个定子扇环形齿所对的圆心角大于或等于一个转子扇环形齿所对的圆心角且小于一个转子扇环形齿所对的圆心角的2倍；其中，M＝4k。

所述激励绕组包括正弦激励绕组和余弦激励绕组，正弦激励绕组包括第一正弦单元和第二正弦单元，余弦激励绕组包括第一余弦单元和第二余弦单元，将其中某一个定子扇环形齿称为1号定子齿，其余定子扇环形齿沿圆周方向依次称为2号定子齿至M号定子齿(即2号定子齿、3号定子齿、4号定子齿、…、M号定子齿)；第一正弦单元由第一导线沿圆周方向在2m号定子齿上绕制而成，第二正弦单元由第二导线沿圆周方向在2m+2k号定子齿上绕制而成，第一余弦单元由第三导线沿圆周方向在2m+k号定子齿上绕制而成，第二余弦单元由第四导线沿圆周方向在号定子齿上绕制而成，每号定子齿上绕制的激励线圈匝数相同，相邻两偶数号定子齿上的激励线圈绕制方向相反，相邻两奇数号定子齿上的激励线圈绕制方向相反；其中，m依次取1至k的所有整数，符号Mod()表示取余运算，即取的余数部分，第一导线的起始端作为第一正弦单元的接线端子S1、终止端作为第一正弦单元的接线端子S2，第二导线的起始端作为第二正弦单元的接线端子S3、终止端作为第二正弦单元的接线端子S4，第三导线的起始端作为第一余弦单元的接线端子T1、终止端作为第一余弦单元的接线端子T2，第四导线的起始端作为第二余弦单元的接线端子T3、终止端作为第二余弦单元的接线端子T4。

所述感应绕组由第五导线沿圆周方向依次在M个定子扇环形齿上绕制而成，每个定子扇环形齿上绕制的感应线圈匝数相同，相邻两个定子扇环形齿上的感应线圈绕制方向相反，第五导线的起始端与终止端作为多级感应信号输出端。

所述转子安装在定子内，转子的中心面与定子基体的中心面位于同一平面，定子外圆柱面轴线(也是定子内圆柱面轴线)与转子内圆柱面轴线以及被测角度的回转中心轴重合。定子基体的中心面是指与定子基体的两个端面平行且到该两个端面的距离相等的平面，转子的中心面是指与转子的两个端面平行且到该两个端面的距离相等的平面。

所述转换电路包括第一电桥和第二电桥，第一电桥由第一正弦单元、第二正弦单元、电阻R2、电阻R1依次首尾相连构成，电阻R1与电阻R2的阻值相等，电阻R1与第一正弦单元的连接点以及第二正弦单元与电阻R2的连接点引出接线端子，作为正弦激励信号输入端；第一正弦单元与第二正弦单元的连接点以及电阻R2与电阻R1的连接点引出接线端子作为第一单级信号输出端；第二电桥由第一余弦单元、第二余弦单元、电阻R4、电阻R3依次首尾相连构成，电阻R3与电阻R4的阻值相等，电阻R3与第一余弦单元的连接点以及第二余弦单元与电阻R4的连接点引出接线端子，作为余弦激励信号输入端；第一余弦单元与第二余弦单元的连接点以及电阻R4与电阻R3的连接点引出接线端子作为第二单级信号输出端；所述信号处理电路包括加法电路、信号调理电路、鉴相电路和微处理器。

正、余弦激励信号输入端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)，感应绕组的多级感应信号输出端输出多级感应信号(即精测信号)，同时，第一、第二单级信号输出端输出的第一、第二单级信号经加法电路处理后，得到单级感应信号(即粗测信号)；当转子相对于定子转动时，单级感应信号和多级感应信号将发生周期性变化，转子相对于定子转动一圈，单级感应信号变化1个周期，多级感应信号变化N个周期，将单级感应信号、多级感应信号和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，再经微处理器运算后，得到转子的绝对角位移值。

上述两种绝对式时栅角位移传感器中的信号处理电路还包括电压跟随电路，第一、第二单级信号输出端输出的第一、第二单级信号经电压跟随电路处理后，得到两路调幅电信号，两路调幅电信号输入至加法电路进行处理后，得到所述单级感应信号。

将所述径向中心线位于类圆柱环最薄壁处的转子扇环形齿称为1号转子齿，其余转子扇环形齿沿圆周方向依次称为2号转子齿至N号转子齿(即2号转子齿、3号转子齿、4号转子齿、…、N号转子齿)，将1号转子齿与一个定子扇环形齿正对，且1号转子齿的径向中心线与该定子扇环形齿的径向中心线处于同一条直线上时的位置作为测量的绝对零位，该绝对零位也是第1极对的起始位置。微处理器先对鉴相电路输出的信号进行处理，得到转子转到某个位置时单级感应信号的位移测量值多级感应信号的位移测量值其中，的取值范围已由微处理器预先设定为[0,360°)(即)，的取值范围已由微处理器预先设定为(即)，同时设定转子位于绝对零位时，(即单级感应信号的位移测量值与多级感应信号的位移测量值同时为零)；当转子由绝对零位开始相对于定子旋转一圈时，单级感应信号的位移测量值在[0,360°)变化1次，多级感应信号的位移测量值在变化N次，利用公式

计算转子的绝对位移值θ；式(1)中，符号int()表示取整运算，即取的整数部分。

优选的，所述第一电桥中，第一正弦单元的接线端子S2与第二正弦单元的接线端子S3连接，第二正弦单元的接线端子S4与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与第一正弦单元的接线端子S1连接；电阻R1与接线端子S1的连接点以及接线端子S4与电阻R2的连接点引出接线端子，作为正弦激励信号输入端；接线端子S2与接线端子S3的连接点以及电阻R2与电阻R1的连接点引出接线端子作为第一单级信号输出端。所述第二电桥中，第一余弦单元的接线端子T2与第二余弦单元的接线端子T3连接，第二余弦单元的接线端子T4与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与第一余弦单元的接线端子T1连接；电阻R3与接线端子T1的连接点以及接线端子T4与电阻R4的连接点引出接线端子，作为余弦激励信号输入端；接线端子T2与接线端子T3的连接点以及电阻R4与电阻R3的连接点引出接线端子作为第二单级信号输出端。

本发明由于采用了上述结构形式的转子、定子以及转换电路、信号处理电路，只建立一个传感单元就实现了粗、精同时测量，有效避免了粗测、精测传感单元的相互影响，提高了绝对角位移的测量精度，减小了传感器体积。

附图说明

图1为实施例1中定子与转子的对应关系示意图。

图2为实施例1中转子的结构示意图。

图3为实施例1中定子的结构示意图。

图4为实施例1中定子基体的结构示意图。

图5为实施例1中正弦激励绕组的布线示意图。

图6为实施例1中余弦激励绕组的布线示意图。

图7为实施例1中感应绕组的布线示意图。

图8为实施例2中定子与转子的对应关系示意图。

图9为实施例2中转子的结构示意图。

图10为实施例2中定子的结构示意图。

图11为实施例2中定子基体的结构示意图。

图12为实施例2中正弦激励绕组的布线示意图。

图13为实施例2中余弦激励绕组的布线示意图。

图14为实施例2中感应绕组的布线示意图。

图15为实施例1、实施例2中产生单级感应信号的原理框图。

图16为实施例1、实施例2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。

实施例1：如图1至图7、图15、图16所示的绝对式时栅角位移传感器，包括定子1、转子2、转换电路和信号处理电路，定子1包括定子基体11和绕于定子基体11上的激励绕组、感应绕组13，信号处理电路包括电压跟随电路、加法电路、信号调理电路、鉴相电路和微处理器。

转子2为由导磁材料制作而成的类圆柱环，该类圆柱环具有转子内圆柱面、转子外圆柱面和与转子内圆柱面、转子外圆柱面垂直的两个端面，转子内圆柱面、转子外圆柱面都为直圆柱面，转子内圆柱面轴线与转子外圆柱面轴线平行(不重合)，即转子内圆柱面轴线相对于转子外圆柱面轴线平行偏移一定的距离，在转子内圆柱面侧(即转子内侧)沿圆周顺时针方向间隔均匀地开设有25个(即N＝5k＝25)个轴向贯通的转子扇环形槽21，形成25个转子扇环形齿22与25个转子扇环形槽21交错分布的空间结构，25个转子扇环形槽的轴线与转子内圆柱面轴线重合，其中一个转子扇环形齿22的径向中心线位于类圆柱环最薄壁处(即其中一个转子扇环形齿的径向中心线处于过类圆柱环最薄壁处的径向直线上)，一个转子扇环形槽21所对的圆心角等于7.2°，一个转子扇环形齿22所对的圆心角也等于7.2°；转子扇环形槽21的径向深度应小于类圆柱环最薄处的壁厚，同时为保证当类圆柱环存在气隙磁场时，齿槽结构可以使气隙磁场在转子扇环形齿所在区域与转子扇环形槽所在区域内的磁场强度出现明显差异，因此转子扇环形槽21的径向深度一般大于0.5mm；k为正奇数，k的取值上限受类圆柱环尺寸以及加工工艺的限制，本实施例中k＝5为一个优选值。

定子基体11为由导磁材料制作而成的圆柱环，圆柱环具有同轴的定子内圆柱面与定子外圆柱面以及与定子内圆柱面、定子外圆柱面垂直的两个端面，定子外圆柱面的半径小于转子内圆柱面到转子外圆柱面轴线的最小距离，在定子外圆柱面侧(即定子外侧)沿圆周顺时针方向间隔均匀地开设有20(即M＝4k＝20)个轴向贯通的定子扇环形槽111，形成20个定子扇环形齿112与20个定子扇环形槽111交错分布的空间结构，优选的，一个定子扇环形齿112所对的圆心角等于7.2°，则一个定子扇环形槽111所对的圆心角等于10.8°，定子扇环形槽的径向深度应小于圆柱环的壁厚，同时保证能容纳足够匝数的激励绕组和感应绕组。

激励绕组包括正弦激励绕组和余弦激励绕组，正弦激励绕组包括第一正弦单元121和第二正弦单元122，余弦激励绕组包括第一余弦单元123和第二余弦单元124，将其中某一个定子扇环形齿112称为1号定子齿，其余19个定子扇环形齿112沿圆周顺时针方向依次称为2号定子齿、3号定子齿、4号定子齿、…、20号定子齿，正弦激励绕组绕在偶数号定子齿上，余弦激励绕组绕在奇数号定子齿上，每号定子齿上绕制的激励线圈形状相似、排列紧密且匝数相同；第一正弦单元121由第一导线沿圆周顺时针方向依次在2号定子齿、4号定子齿、6号定子齿、8号定子齿、10号定子齿上绕制而成，第二正弦单元122由第二导线沿圆周顺时针方向依次在12号定子齿、14号定子齿、16号定子齿、18号定子齿、20号定子齿上绕制而成，相邻两偶数号定子齿上的激励线圈绕制方向相反，第一余弦单元123由第三导线沿圆周顺时针方向依次在7号定子齿、9号定子齿、11号定子齿、13号定子齿、15号定子齿上绕制而成，第二余弦单元124由第四导线沿圆周顺时针方向依次在17号定子齿、19号定子齿、1号定子齿、3号定子齿、5号定子齿上绕制而成，相邻两奇数号定子齿上的激励线圈绕制方向相反，2号定子齿上的激励线圈与7号定子齿上的激励线圈绕制方向相同；第一导线的起始端作为第一正弦单元121的接线端子S1，第一导线的终止端作为第一正弦单元121的接线端子S2，第二导线的起始端作为第二正弦单元122的接线端子S3，第二导线的终止端作为第二正弦单元122的接线端子S4，第三导线的起始端作为第一余弦单元123的接线端子T1，第三导线的终止端作为第一余弦单元123的接线端子T2，第四导线的起始端作为第二余弦单元124的接线端子T3，第四导线的终止端作为第二余弦单元124的接线端子T4。

感应绕组13由第五导线沿圆周顺时针方向依次在1号定子齿、2号定子齿、3号定子齿、4号定子齿、…、20号定子齿上绕制而成，每个定子扇环形齿(即每号定子齿)上绕制的感应线圈形状相似、排列紧密且匝数相同，相邻两个定子扇环形齿(即相邻两号定子齿)上的感应线圈绕制方向相反，感应绕组13在每号定子齿上绕制的感应线圈匝数与激励绕组在每号定子齿上绕制的激励线圈匝数相同(也可以不同)，第五导线的起始端与终止端作为多级感应信号输出端。

定子1安装在转子2内，安装时，以圆柱环的任意一个端面作为定子1轴向定位的基准面，以定子内圆柱面作为定子1径向定位的基准面，以类圆柱环的任意一个端面作为转子2轴向定位的基准面，以转子外圆柱面作为转子2径向定位的基准面，定子基体11的中心面与转子2的中心面位于同一平面，定子内圆柱面轴线(也是定子外圆柱面轴线)与转子外圆柱面轴线以及被测角度的回转中心轴重合。定子基体的中心面是指与定子基体的两个端面平行且到该两个端面的距离相等的平面，转子的中心面是指与转子的两个端面平行且到该两个端面的距离相等的平面。

转换电路包括第一电桥和第二电桥，第一电桥由第一正弦单元121、第二正弦单元122、电阻R2、电阻R1依次首尾相连构成，电阻R1与电阻R2的阻值相等，即第一正弦单元121的接线端子S2与第二正弦单元122的接线端子S3连接，第二正弦单元122的接线端子S4与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与第一正弦单元121的接线端子S1连接；电阻R1与接线端子S1的连接点以及接线端子S4与电阻R2的连接点引出接线端子，作为正弦激励信号输入端；接线端子S2与接线端子S3的连接点以及电阻R2与电阻R1的连接点引出接线端子作为第一单级信号输出端。第二电桥由第一余弦单元123、第二余弦单元124、电阻R4、电阻R3依次首尾相连构成，电阻R3与电阻R4的阻值相等，即第一余弦单元123的接线端子T2与第二余弦单元124的接线端子T3连接，第二余弦单元124的接线端子T4与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与第一余弦单元123的接线端子T1连接；电阻R3与接线端子T1的连接点以及接线端子T4与电阻R4的连接点引出接线端子，作为余弦激励信号输入端；接线端子T2与接线端子T3的连接点以及电阻R4与电阻R3的连接点引出接线端子作为第二单级信号输出端。

正、余弦激励信号输入端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)，感应绕组13的多级感应信号输出端输出多级感应信号(即精测信号)，同时，第一、第二单级信号输出端输出的第一、第二单级信号经电压跟随电路处理后，得到两路调幅电信号，两路调幅电信号输入至加法电路进行处理后，得到单级感应信号(即粗测信号)；当转子2相对于定子1转动时，单级感应信号和多级感应信号将发生周期性变化，转子2相对于定子1转动一圈，单级感应信号变化1个周期，多级感应信号变化25个周期，将单级感应信号、多级感应信号和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，再经微处理器运算后，得到转子的绝对角位移值。

将径向中心线位于类圆柱环最薄壁处的转子扇环形齿称为1号转子齿，其余转子扇环形齿沿圆周顺时针方向依次称为2号转子齿、3号转子齿、4号转子齿、…、25号转子齿，将1号转子齿与一个定子扇环形齿112正对，且1号转子齿的径向中心线与该定子扇环形齿112的径向中心线处于同一条直线上时的位置作为测量的绝对零位，该绝对零位也是第1极对的起始位置。

微处理器的运算过程为：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，得到转子转到某个位置时单级感应信号的位移测量值多级感应信号的位移测量值其中，的取值范围已由微处理器预先设定为[0,360°)(即)，的取值范围已由微处理器预先设定为(即)，同时设定转子2位于绝对零位时，(即单级感应信号的位移测量值与多级感应信号的位移测量值同时为零)；当转子2由绝对零位开始相对于定子1旋转一圈时，单级感应信号的位移测量值在[0,360°)变化1次，多级感应信号的位移测量值在变化25次，利用公式

计算转子的绝对位移值θ；式(2)中，符号int()表示取整运算，即取的整数部分。

实施例2：如图8至图16所示的绝对式时栅角位移传感器，包括定子1、转子2、转换电路和信号处理电路，定子1包括定子基体11和绕于定子基体11上的激励绕组、感应绕组13，信号处理电路包括电压跟随电路、加法电路、信号调理电路、鉴相电路和微处理器。

转子2为由导磁材料制作而成的类圆柱环，该类圆柱环具有转子内圆柱面、转子外圆柱面和与转子内圆柱面、转子外圆柱面垂直的两个端面，转子内圆柱面、转子外圆柱面都为直圆柱面，转子内圆柱面轴线与转子外圆柱面轴线平行(不重合)，即转子内圆柱面轴线相对于转子外圆柱面轴线平行偏移一定的距离，在转子外圆柱面侧(即转子外侧)沿圆周顺时针方向间隔均匀地开设有25个(即N＝5k＝25)个轴向贯通的转子扇环形槽21，形成25个转子扇环形齿22与25个转子扇环形槽21交错分布的空间结构，25个转子扇环形槽的轴线与转子外圆柱面轴线重合，其中一个转子扇环形齿22的径向中心线位于类圆柱环最薄壁处(即其中一个转子扇环形齿的径向中心线处于过类圆柱环最薄壁处的径向直线上)，一个转子扇环形槽21所对的圆心角等于7.2°，一个转子扇环形齿22所对的圆心角也等于7.2°；转子扇环形槽21的径向深度应小于类圆柱环最薄处的壁厚，同时为保证当类圆柱环存在气隙磁场时，齿槽结构可以使气隙磁场在转子扇环形齿所在区域与转子扇环形槽所在区域内的磁场强度出现明显差异，因此转子扇环形槽21的径向深度一般大于0.5mm；k为正奇数，k的取值上限受类圆柱环尺寸以及加工工艺的限制，本实施例中k＝5为一个优选值。

定子基体11为由导磁材料制作而成的圆柱环，圆柱环具有同轴的定子内圆柱面与定子外圆柱面以及与定子内圆柱面、定子外圆柱面垂直的两个端面，定子内圆柱面的半径大于转子外圆柱面到转子内圆柱面轴线的最大距离，在定子内圆柱面侧(即定子内侧)沿圆周顺时针方向间隔均匀地开设有20(即M＝4k＝20)个轴向贯通的定子扇环形槽111，形成20个定子扇环形齿112与20个定子扇环形槽111交错分布的空间结构，优选的，一个定子扇环形齿112所对的圆心角等于7.2°，则一个定子扇环形槽111所对的圆心角等于10.8°，定子扇环形槽的径向深度应小于圆柱环的壁厚，同时保证能容纳足够匝数的激励绕组和感应绕组。

激励绕组包括正弦激励绕组和余弦激励绕组，正弦激励绕组包括第一正弦单元121和第二正弦单元122，余弦激励绕组包括第一余弦单元123和第二余弦单元124，将其中某一个定子扇环形齿112称为1号定子齿，其余19个定子扇环形齿112沿圆周顺时针方向依次称为2号定子齿、3号定子齿、4号定子齿、…、20号定子齿，正弦激励绕组绕在偶数号定子齿上，余弦激励绕组绕在奇数号定子齿上，每号定子齿上绕制的激励线圈形状相似、排列紧密且匝数相同；第一正弦单元121由第一导线沿圆周顺时针方向依次在2号定子齿、4号定子齿、6号定子齿、8号定子齿、10号定子齿上绕制而成，第二正弦单122元由第二导线沿圆周顺时针方向依次在12号定子齿、14号定子齿、16号定子齿、18号定子齿、20号定子齿上绕制而成，相邻两偶数号定子齿上的激励线圈绕制方向相反，第一余弦单元123由第三导线沿圆周顺时针方向依次在7号定子齿、9号定子齿、11号定子齿、13号定子齿、15号定子齿上绕制而成，第二余弦单元124由第四导线沿圆周顺时针方向依次在17号定子齿、19号定子齿、1号定子齿、3号定子齿、5号定子齿上绕制而成，相邻两奇数号定子齿上的激励线圈绕制方向相反，2号定子齿上的激励线圈与7号定子齿上的激励线圈绕制方向相同；第一导线的起始端作为第一正弦单元121的接线端子S1，第一导线的终止端作为第一正弦单元121的接线端子S2，第二导线的起始端作为第二正弦单元122的接线端子S3，第二导线的终止端作为第二正弦单元122的接线端子S4，第三导线的起始端作为第一余弦单元123的接线端子T1，第三导线的终止端作为第一余弦单元123的接线端子T2，第四导线的起始端作为第二余弦单元124的接线端子T3，第四导线的终止端作为第二余弦单元的接线端子T4。

感应绕组13由第五导线沿圆周顺时针方向依次在1号定子齿、2号定子齿、3号定子齿、4号定子齿、…、20号定子齿上绕制而成，每个定子扇环形齿(即每号定子齿)上绕制的感应线圈形状相似、排列紧密且匝数相同，相邻两个定子扇环形齿(即相邻两号定子齿)上的感应线圈绕制方向相反，感应绕组13在每号定子齿上绕制的感应线圈匝数与激励绕组在每号定子齿上绕制的激励线圈匝数相同(也可以不同)，第五导线的起始端与终止端作为多级感应信号输出端。

转子2安装在定子1内，安装时，以圆柱环的任意一个端面作为定子1轴向定位的基准面，以定子外圆柱面作为定子1径向定位的基准面，以类圆柱环的任意一个端面作为转子2轴向定位的基准面，以转子内圆柱面作为转子2径向定位的基准面，定子基体11的中心面与转子2的中心面位于同一平面，定子外圆柱面轴线(也是定子内圆柱面轴线)与转子内圆柱面轴线以及被测角度的回转中心轴重合。定子基体的中心面是指与定子基体的两个端面平行且到该两个端面的距离相等的平面，转子的中心面是指与转子的两个端面平行且到该两个端面的距离相等的平面。

转换电路包括第一电桥和第二电桥，第一电桥由第一正弦单元121、第二正弦单元122、电阻R2、电阻R1依次首尾相连构成，电阻R1与电阻R2的阻值相等，即第一正弦单元121的接线端子S2与第二正弦单元122的接线端子S3连接，第二正弦单元122的接线端子S4与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与第一正弦单元121的接线端子S1连接；电阻R1与接线端子S1的连接点以及接线端子S4与电阻R2的连接点引出接线端子，作为正弦激励信号输入端；接线端子S2与接线端子S3的连接点以及电阻R2与电阻R1的连接点引出接线端子作为第一单级信号输出端。第二电桥由第一余弦单元123、第二余弦单元124、电阻R4、电阻R3依次首尾相连构成，电阻R3与电阻R4的阻值相等，即第一余弦单元123的接线端子T2与第二余弦单元124的接线端子T3连接，第二余弦单元124的接线端子T4与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与第一余弦单元123的接线端子T1连接；电阻R3与接线端子T1的连接点以及接线端子T4与电阻R4的连接点引出接线端子，作为余弦激励信号输入端；接线端子T2与接线端子T3的连接点以及电阻R4与电阻R3的连接点引出接线端子作为第二单级信号输出端。

正、余弦激励信号输入端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)，感应绕组13的多级感应信号输出端输出多级感应信号(即精测信号)，同时，第一、第二单级信号输出端输出的第一、第二单级信号经电压跟随电路处理后，得到两路调幅电信号，两路调幅电信号输入至加法电路进行处理后，得到单级感应信号(即粗测信号)；当转子2相对于定子1转动时，单级感应信号和多级感应信号将发生周期性变化，转子2相对于定子1转动一圈，单级感应信号变化1个周期，多级感应信号变化25个周期，将单级感应信号、多级感应信号和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，再经微处理器运算后，得到转子的绝对角位移值。

将径向中心线位于类圆柱环最薄壁处的转子扇环形齿称为1号转子齿，其余转子扇环形齿沿圆周顺时针方向依次称为2号转子齿、3号转子齿、4号转子齿、…、25号转子齿，将1号转子齿与一个定子扇环形齿112正对，且1号转子齿的径向中心线与该定子扇环形齿112的径向中心线处于同一条直线上时的位置作为测量的绝对零位，该绝对零位也是第1极对的起始位置。

微处理器的运算过程为：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，得到转子转到某个位置时单级感应信号的位移测量值多级感应信号的位移测量值其中，的取值范围已由微处理器预先设定为[0,360°)(即)，的取值范围已由微处理器预先设定为(即)，同时设定转子2位于绝对零位时，(即单级感应信号的位移测量值与多级感应信号的位移测量值同时为零)；当转子2由绝对零位开始相对于定子1旋转一圈时，单级感应信号的位移测量值在[0,360°)变化1次，多级感应信号的位移测量值在变化25次，利用公式

计算转子的绝对位移值θ；式(2)中，符号int()表示取整运算，即取的整数部分。

Claims (5)

1.一种绝对式时栅角位移传感器，包括定子(1)、转子(2)、转换电路和信号处理电路，定子包括定子基体(11)和绕于定子基体上的激励绕组、感应绕组(13)；其特征在于：

所述转子(2)为导磁的类圆柱环，所述类圆柱环具有转子内圆柱面、转子外圆柱面和与转子内、外圆柱面垂直的两个端面，转子内圆柱面轴线与转子外圆柱面轴线平行，在转子内圆柱面侧沿圆周方向间隔均匀地开设有N个轴向贯通的转子扇环形槽(21)，形成N个转子扇环形齿(22)与N个转子扇环形槽交错分布的空间结构，N个所述转子扇环形槽(21)的轴线与转子内圆柱面轴线重合，其中一个转子扇环形齿的径向中心线位于类圆柱环最薄壁处，一个转子扇环形槽所对的圆心角等于一个转子扇环形齿所对的圆心角；其中，N＝5k，k为正奇数；

所述定子基体(11)为导磁的圆柱环，所述圆柱环具有同轴的定子内圆柱面与定子外圆柱面以及与定子内、外圆柱面垂直的两个端面，定子外圆柱面的半径小于转子内圆柱面到转子外圆柱面轴线的最小距离，在定子外圆柱面侧沿圆周方向间隔均匀地开设有M个轴向贯通的定子扇环形槽(111)，形成M个定子扇环形齿(112)与M个定子扇环形槽交错分布的空间结构，一个定子扇环形齿所对的圆心角大于或等于一个转子扇环形齿所对的圆心角且小于一个转子扇环形齿所对的圆心角的2倍；其中，M＝4k；

所述激励绕组包括正弦激励绕组和余弦激励绕组，正弦激励绕组包括第一正弦单元(121)和第二正弦单元(122)，余弦激励绕组包括第一余弦单元(123)和第二余弦单元(124)，将其中某一个定子扇环形齿(112)称为1号定子齿，其余定子扇环形齿(112)沿圆周方向依次称为2号定子齿至M号定子齿；第一正弦单元(121)由第一导线沿圆周方向在2m号定子齿上绕制而成，第二正弦单元(122)由第二导线沿圆周方向在2m+2k号定子齿上绕制而成，第一余弦单元(123)由第三导线沿圆周方向在2m+k号定子齿上绕制而成，第二余弦单元(124)由第四导线沿圆周方向在号定子齿上绕制而成，每号定子齿上绕制的激励线圈匝数相同，相邻两偶数号定子齿上的激励线圈绕制方向相反，相邻两奇数号定子齿上的激励线圈绕制方向相反；其中，m依次取1至k的所有整数，符号Mod()表示取余运算，第一导线的起始端作为接线端子S1、终止端作为接线端子S2，第二导线的起始端作为接线端子S3、终止端作为接线端子S4，第三导线的起始端作为接线端子T1、终止端作为接线端子T2，第四导线的起始端作为接线端子T3、终止端作为接线端子T4；

所述感应绕组(13)由第五导线沿圆周方向依次在M个定子扇环形齿(112)上绕制而成，每个定子扇环形齿上绕制的感应线圈匝数相同，相邻两个定子扇环形齿上的感应线圈绕制方向相反，第五导线的起始端与终止端作为多级感应信号输出端；

所述定子(1)安装在转子(2)内，定子基体(11)的中心面与转子(2)的中心面位于同一平面，定子内圆柱面轴线与转子外圆柱面轴线以及被测角度的回转中心轴重合；

所述转换电路包括第一电桥和第二电桥，第一电桥由第一正弦单元、第二正弦单元、电阻R2、电阻R1依次首尾相连构成，电阻R1与电阻R2的阻值相等，电阻R1与第一正弦单元的连接点以及第二正弦单元与电阻R2的连接点引出接线端子，作为正弦激励信号输入端；第一正弦单元与第二正弦单元的连接点以及电阻R2与电阻R1的连接点引出接线端子作为第一单级信号输出端；第二电桥由第一余弦单元、第二余弦单元、电阻R4、电阻R3依次首尾相连构成，电阻R3与电阻R4的阻值相等，电阻R3与第一余弦单元的连接点以及第二余弦单元与电阻R4的连接点引出接线端子，作为余弦激励信号输入端；第一余弦单元与第二余弦单元的连接点以及电阻R4与电阻R3的连接点引出接线端子作为第二单级信号输出端；所述信号处理电路包括加法电路、信号调理电路、鉴相电路和微处理器；

正、余弦激励信号输入端中分别通入两相对称激励电流，当转子相对于定子转动时，多级感应信号输出端输出多级感应信号，同时，第一、第二单级信号输出端输出的第一、第二单级信号经加法电路处理后，得到单级感应信号；将单级感应信号、多级感应信号和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，再经微处理器运算后，得到转子的绝对角位移值。

2.一种绝对式时栅角位移传感器，包括定子(1)、转子(2)、转换电路和信号处理电路，定子包括定子基体(11)和绕于定子基体上的激励绕组、感应绕组(13)；其特征在于：

所述转子(2)为导磁的类圆柱环，所述类圆柱环具有转子内圆柱面、转子外圆柱面和与转子内、外圆柱面垂直的两个端面，转子内圆柱面轴线与转子外圆柱面轴线平行，在转子外圆柱面侧沿圆周方向间隔均匀地开设有N个轴向贯通的转子扇环形槽(21)，形成N个转子扇环形齿(22)与N个转子扇环形槽交错分布的空间结构，N个所述转子扇环形槽(21)的轴线与转子外圆柱面轴线重合，其中一个转子扇环形齿的径向中心线位于类圆柱环最薄壁处，一个转子扇环形槽所对的圆心角等于一个转子扇环形齿所对的圆心角；其中，N＝5k，k为正奇数；

所述定子基体(11)为导磁的圆柱环，所述圆柱环具有同轴的定子内圆柱面与定子外圆柱面以及与定子内、外圆柱面垂直的两个端面，定子内圆柱面的半径大于转子外圆柱面到转子内圆柱面轴线的最大距离，在定子内圆柱面侧沿圆周方向间隔均匀地开设有M个轴向贯通的定子扇环形槽(111)，形成M个定子扇环形齿(112)与M个定子扇环形槽交错分布的空间结构，一个定子扇环形齿所对的圆心角大于或等于一个转子扇环形齿所对的圆心角且小于一个转子扇环形齿所对的圆心角的2倍；其中，M＝4k；

所述激励绕组包括正弦激励绕组和余弦激励绕组，正弦激励绕组包括第一正弦单元(121)和第二正弦单元(122)，余弦激励绕组包括第一余弦单元(123)和第二余弦单元(124)，将其中某一个定子扇环形齿(112)称为1号定子齿，其余定子扇环形齿(112)沿圆周方向依次称为2号定子齿至M号定子齿；第一正弦单元(121)由第一导线沿圆周方向在2m号定子齿上绕制而成，第二正弦单元(122)由第二导线沿圆周方向在2m+2k号定子齿上绕制而成，第一余弦单元(123)由第三导线沿圆周方向在2m+k号定子齿上绕制而成，第二余弦单元(124)由第四导线沿圆周方向在号定子齿上绕制而成，每号定子齿上绕制的激励线圈匝数相同，相邻两偶数号定子齿上的激励线圈绕制方向相反，相邻两奇数号定子齿上的激励线圈绕制方向相反；其中，m依次取1至k的所有整数，符号Mod()表示取余运算，第一导线的起始端作为接线端子S1、终止端作为接线端子S2，第二导线的起始端作为接线端子S3、终止端作为接线端子S4，第三导线的起始端作为接线端子T1、终止端作为接线端子T2，第四导线的起始端作为接线端子T3、终止端作为接线端子T4；

所述感应绕组(13)由第五导线沿圆周方向依次在M个定子扇环形齿(112)上绕制而成，每个定子扇环形齿上绕制的感应线圈匝数相同，相邻两个定子扇环形齿上的感应线圈绕制方向相反，第五导线的起始端与终止端作为多级感应信号输出端；

所述转子(2)安装在定子(1)内，转子(2)的中心面与定子基体(11)的中心面位于同一平面，定子外圆柱面轴线与转子内圆柱面轴线以及被测角度的回转中心轴重合；

所述转换电路包括第一电桥和第二电桥，第一电桥由第一正弦单元、第二正弦单元、电阻R2、电阻R1依次首尾相连构成，电阻R1与电阻R2的阻值相等，电阻R1与第一正弦单元的连接点以及第二正弦单元与电阻R2的连接点引出接线端子，作为正弦激励信号输入端；第一正弦单元与第二正弦单元的连接点以及电阻R2与电阻R1的连接点引出接线端子作为第一单级信号输出端；第二电桥由第一余弦单元、第二余弦单元、电阻R4、电阻R3依次首尾相连构成，电阻R3与电阻R4的阻值相等，电阻R3与第一余弦单元的连接点以及第二余弦单元与电阻R4的连接点引出接线端子，作为余弦激励信号输入端；第一余弦单元与第二余弦单元的连接点以及电阻R4与电阻R3的连接点引出接线端子作为第二单级信号输出端；所述信号处理电路包括加法电路、信号调理电路、鉴相电路和微处理器；

正、余弦激励信号输入端中分别通入两相对称激励电流，当转子相对于定子转动时，多级感应信号输出端输出多级感应信号，同时，第一、第二单级信号输出端输出的第一、第二单级信号经加法电路处理后，得到单级感应信号；将单级感应信号、多级感应信号和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，再经微处理器运算后，得到转子的绝对角位移值。

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：所述信号处理电路还包括电压跟随电路，第一、第二单级信号输出端输出的第一、第二单级信号经电压跟随电路处理后，得到两路调幅电信号，两路调幅电信号输入至加法电路进行处理后，得到所述单级感应信号。

4.根据权利要求1至3任一所述的绝对式时栅角位移传感器，其特征在于：

将所述径向中心线位于类圆柱环最薄壁处的转子扇环形齿称为1号转子齿，其余转子扇环形齿沿圆周方向依次称为2号转子齿至N号转子齿，将1号转子齿与一个定子扇环形齿正对，且1号转子齿的径向中心线与该定子扇环形齿的径向中心线处于同一条直线上时的位置作为测量的绝对零位；

微处理器先对鉴相电路输出的信号进行处理，得到转子(2)转到某个位置时单级感应信号的位移测量值多级感应信号的位移测量值其中，的取值范围为[0,360°)，的取值范围为在绝对零位处然后再利用公式

计算转子的绝对位移值θ；式(1)中，符号int()表示取整运算。

5.根据权利要求1至4任一所述的绝对式时栅角位移传感器，其特征在于：

所述第一电桥中，接线端子S2与接线端子S3连接，接线端子S4与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与接线端子S1连接；电阻R1与接线端子S1的连接点以及接线端子S4与电阻R2的连接点引出接线端子，作为正弦激励信号输入端；接线端子S2与接线端子S3的连接点以及电阻R2与电阻R1的连接点引出接线端子作为第一单级信号输出端；

所述第二电桥中，接线端子T2与接线端子T3连接，接线端子T4与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与接线端子T1连接；电阻R3与接线端子T1的连接点以及接线端子T4与电阻R4的连接点引出接线端子，作为余弦激励信号输入端；接线端子T2与接线端子T3的连接点以及电阻R4与电阻R3的连接点引出接线端子作为第二单级信号输出端。