CN109631869A - 一种高精度二维线位移传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种高精度二维线位移传感器系统，包括电磁敏感元件及后处理电路，电磁敏感元件包括定子与动子，动子位于定子的外围；后处理电路包括信号调理模块及DSP模块；信号调理模块用于采集电磁敏感元件同一自由度对应的两组LR电桥输出的交流信号，并分别将两组交流信号先转化为直流信号，再将两组直流信号放大后作差，进行AD转换，获得数字信号；DSP模块用于接收AD转换后的数字信号并对数字信号进行处理。解决了现有传感器电磁结构不合理，工艺性差，死区大，位置检测精度低的问题。

Description

一种高精度二维线位移传感器系统

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种高精度二维线位移传感器系统。

背景技术

惯性导航技术广泛应用于各类战略武器系统中，其核心部件为加速计和陀螺仪。在惯性仪表领域三浮陀螺仪作为运转体的角度传感器，而三浮陀螺本身就是一个复杂的电磁系统，有角度传感器、力矩器、磁悬浮、动压电机等，如图1。其中磁悬浮为陀螺浮子提供五自由度的精确定中(左右各一个二维控制、轴线方向一维控制)，是实现陀螺高精度的关键，有关研究表明浮子位置变化1纳米(nm)，导航1小时(h)，仅由陀螺仪引起的导航误差就达1.1千米(km)。实现陀螺浮子精确定中的前提是实现浮子的精确位置检测，陀螺内部空间十分有限(小于20mm×10mm×10mm)，磁悬浮系统设计面临高精度和小型化双重的压力。

目前三浮陀螺磁悬浮位置检测方面主要的问题有：检测终端电磁结构不合理，工艺性差，两个坐标方向耦合大，位置检测精度低，仅能达到0.1μm左右。如图2所示这种内动子外定子的传感器在制作时各个磁极绕线对称性很差，导致最终电气零位不对称，系统干扰大。另外一个方面，后处理电路不合理，位置传感器存在死区。可参见：杨孟兴，吴辽，王卿.基于位置信号的三浮陀螺仪有源磁悬浮干扰力矩补偿方法[J].中国惯性技术学报,2015,25(6)；812-817。王雪，邓忠武，马宁.三浮陀螺磁悬浮干扰力矩机理分析[J].中国惯性技术学报,2017,25(5)：681-689。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度二维线位移传感器系统，解决现有传感器电磁结构不合理，工艺性差，死区大，位置检测精度低的问题。针对上述问题，本发明对电磁敏感元件及后处理电路进行改进，实现系统检测精度0.01μm的目标。

本发明的技术解决方案是提供一种高精度二维线位移传感器系统，包括电磁敏感元件及后处理电路，其特殊之处在于：

上述电磁敏感元件包括定子与动子，上述动子位于定子的外围；

上述后处理电路包括信号调理模块、DSP模块及工控机；上述信号调理模块用于采集两组LR电桥输出的交流信号，并分别将两组交流信号先转化为直流信号，再将两组直流信号放大后作差，进行AD转换，获得数字信号；

上述DSP模块用于接收AD转换后的数字信号并对数字信号进行处理。

进一步地，上述定子包括定子铁芯，定子铁芯端面上均布N个圆形通孔或正多边形通孔，上述N个圆形通孔的圆心位于以定子铁芯中心为圆心的同一圆上；上述N个正多边形通孔的中心位于以定子铁芯中心为圆心的同一圆上；

定子与动子之间具有间隙，圆形通孔或正多边形通孔与该间隙相通。

进一步地，N个圆形通孔或正多边形通孔将定子铁芯分割为N个齿，N个齿绕组依次沿同一方向绕制，两相邻绕组串联反接，形成闭合回路。

进一步地，N等于8。

进一步地，上述DSP模块首先，对AD转换后的数字信号进行M次采数，舍去前N次数据，N小于M；

其次，对后M-N次数据进行逐个判断，如果在理论数值范围内，则判定为有效，否则，舍去；

然后，对所有有效数据求均值，形成本周期的采集值；

最后，将本周期的采集值与前两个周期的采集值进行加权求和，其中加权系数由实验确定，后将数据通过RS422传至工控机串口，进行实时显示、保存。

进一步地，M＝500，N＝300。

进一步地，上述信号调理模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第一AD模块、第二AD模块及第三AD模块；

第一运算放大器与第二运算放大器的输入端分别接LR桥路的测量点，第一运算放大器与第二运算放大器的输出端分别与第一AD模块、第二AD模块的输入端连接，第一AD模块、第二AD模块的输出端与第三运算放大器的输入连接，第三运算放大器的输出与第三AD模块的输入端连接，第三AD模块的输出端输出数字信号。

进一步地，上述DSP模块为DSP2808。

进一步地，第一AD模块与第二AD模块均为AD637；第三AD模块为ADS8555。

进一步地，定子材料为软磁合金。

进一步地，上述正多边形为正五边形。

本发明的有益效果是：

1、在相同的体积下，本发明电磁敏感元件结构磁极面积大，灵敏度高；

电磁敏感元件的检查精度很大程度决定系统最终的精度，合理的结构设计可以增大灵敏度，降低输入级的噪声干扰。本发明采用外动子的组合关系，在有限体积内尽可能将磁场气隙半径增加，在增大磁极面积的同时减小磁极间的干扰，有利于减小XY两个坐标方向的耦合。

2、后处理电路检测灵敏度高，输出信号佳；

位置检测原理是两组L-R桥路，常见的电路处理为先交流作差再检相位、AD转换，检测的灵敏度、死区过度依赖电路，电路的在受干扰情况下输出不理想。本发明采用先交流转直流再放大后作差、AD转换，同时在DSP算法方面也做了优化，基于DSP的算法和AD637芯片的合理应用，解决了在通道切换、加力磁场干扰的影响，有效的减小了系统检测死区。

3、本发明内定子采用圆形齿槽，提高定子叠片在切实的工艺性，提高八个磁极的对称性，可以减小零位偏差，改善输出信号的线性度。

4、本发明优化后的磁悬浮位置检查系统将系统在不改变外部结构尺寸的前提下降检测精度由0.1μm提高至0.01μm，为陀螺浮子提供高精度、低干扰的支承环境提供了基本条件。

5、本发明可以广泛应用于类似有高精度位置检测需求的场合。

在高精度平面定位领域，如半导体微电子行业、材料行业、微型机械加工行业等，对位置检测精度均比较高，采用传统一位传感器组合定位需要考虑正交误差、安装尺寸、精度等一系列问题。采用本发明，合理调整接口尺寸、接口形式可以一次完成两个自由度的位置检测。另一方面由于这种结构形式对被检测物体转动引起的干扰不敏感，可以应用在有转动的二维定位，例如磁悬浮电机的位置检检测。合理调整后，本专利技术将可适应多种场合的应用需求。

附图说明

图1为三浮陀螺结构示意图；

图2为现有技术中传感器电磁敏感元件结构示意图；

图3为本发明高精度二维线位移传感器系统示意图；

图4为本发明高精度二维线位移传感器电磁敏感元件结构示意图；

图5a为本发明高精度二维线位移传感器电磁敏感元件中定子正视图；

图5b为本发明高精度二维线位移传感器电磁敏感元件中定子剖视图；

图6为本发明高精度二维线位移传感器系统后处理电路示意图；

图7为本发明高精度二维线位移传感器电磁敏感元件中定子另一种结构示意图；

图中附图标记为：

1-传感器，2-径向磁悬浮，3-轴向磁悬浮，4-力矩器；

21-定子，22-动子；

31-接线柱，32-绝缘端板，33-定子铁芯，34-漆包铜线。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

三浮陀螺浮子实现高精度定位的前提是实现高精度位置检测，目前主要问题是传感器外定子结构形式不合理，灵敏度低、精度差、两个坐标方向耦合大；不合理的后处理电路带来的传感器死区大。本发明从传感器电磁敏感元件与后处理电路考虑，对电磁敏感元件与后处理电路均进行了优化。

从图3可以看出，本实施例高精度二维线位移传感器系统也基于L-R的测量原理，包括电磁敏感元件与后处理电路，后处理电路包括信号调理模块与DSP模块。

电磁敏感元件采用如图4所示的外动子的组合关系，即动子22在外，定子21在内，定子21包括八个磁极，在有限体积内尽可能将磁场气隙半径增加，在增大磁极面积的同时减小磁极间的干扰，有利于减小XY两个坐标方向的耦合。解决了传统传感器例如电涡流传感、光电传感器体积大无法安装的问题。另外定子21采用圆形齿槽，也可以采用图7所示的正五边形齿槽，八个齿槽对称分布，铁芯叠片采用线切割工艺加工后经刷胶、叠装而成，材料选择高磁导率和低矫顽力的软磁合金带。定子叠片再切实的工艺性好，八个磁极的对称性高，可以减小零位偏差，改善输出信号的线性度。八个齿绕组依次沿同一方向绕制，两相邻绕组串联反接后组成一个坐标方向，磁路上形成一个闭合回路。一套电磁敏感元件有四个坐标方向，分别为X+、X-、Y+、Y-，X、Y坐标正交，组成平面二维线性传感器。

从图6可以看出，本实施例后处理电路采用先交流转直流再放大后作差、AD转换后输出，即信号调理模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一AD637、第二AD637、第三运算放大器及ADS8555。图6示出单个坐标的采集过程，即第一运算放大器与第二运算放大器分别采集两路RL电路中的交流信号，两路交流信号分别经过第一运算放大器与第二运算放大器后转成直流信号，再经过第三运算放大器形成差分信号，通过ADS8555转成数字信号传输至DSP2808，完成信号采集动作。

本发明优化后的磁悬浮位置检查系统将系统在不改变外部结构尺寸的前提下降检测精度由0.1μm提高至0.01μm，为陀螺浮子提供高精度、低干扰的支承环境提供了基本条件。

Claims (10)

1.一种高精度二维线位移传感器系统，包括电磁敏感元件及后处理电路，其特征在于：

所述电磁敏感元件包括定子与动子，所述动子位于定子的外围；

所述后处理电路包括信号调理模块及DSP模块；所述信号调理模块用于采集电磁敏感元件同一自由度对应的两组LR电桥输出的交流信号，并分别将两组交流信号先转化为直流信号，再将两组直流信号放大后作差，进行AD转换，获得数字信号；

所述DSP模块用于接收AD转换后的数字信号并对数字信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的高精度二维线位移传感器系统，其特征在于：

所述定子包括定子铁芯，定子铁芯端面上均布N个圆形通孔或正多边形通孔，所述N个圆形通孔的圆心位于以定子铁芯中心为圆心的同一圆上；所述N个正多边形通孔的中心位于以定子铁芯中心为圆心的同一圆上；

定子与动子之间具有间隙，圆形通孔或正多边形通孔与该间隙相通。

3.根据权利要求2所述的高精度二维线位移传感器系统，其特征在于：N个圆形通孔或正多边形通孔将定子铁芯分割为N个齿，N个齿绕组依次沿同一方向绕制，两相邻绕组串联反接，形成闭合回路。

4.根据权利要求3所述的高精度二维线位移传感器系统，其特征在于：N等于8。

5.根据权利要求3所述的高精度二维线位移传感器系统，其特征在于：定子材料为软磁合金。

6.根据权利要求3所述的高精度二维线位移传感器系统，其特征在于：所述正多边形为正五边形。

7.根据权利要求3所述的高精度二维线位移传感器系统，其特征在于：所述DSP模块首先，对AD转换后的数字信号进行M次采数，舍去前N次数据，N小于M；

其次，对后M-N次数据进行逐个判断，如果在理论数值范围内，则判定为有效，否则，舍去；

然后，对所有有效数据求均值，形成本周期的采集值；

最后，将本周期的采集值与前两个周期的采集值进行加权求和，后输出。

8.根据权利要求7所述的高精度二维线位移传感器系统，其特征在于：M＝500，N＝300。

9.根据权利要求1所述的高精度二维线位移传感器系统，其特征在于：所述信号调理模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第一AD模块、第二AD模块及第三AD模块；

第一运算放大器与第二运算放大器的输入端分别接接LR桥路的测量点，第一运算放大器与第二运算放大器的输出端分别与第一AD模块、第二AD模块的输入端连接，第一AD模块、第二AD模块的输出端与第三运算放大器的输入连接，第三运算放大器的输出与第三AD模块的输入端连接，第三AD模块的输出端输出数字信号。

10.根据权利要9所述的高精度二维线位移传感器系统，其特征在于：所述DSP模块为DSP2808，第一AD模块与第二AD模块均为AD637；第三AD模块为ADS8555。