CN111174692A - 一种基于频率提取的时栅位移传感器及信号获取和处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及精密测量技术领域，且公开了一种基于频率提取的时栅位移传感器及信号获取和处理方法，包括感应片、频率提取电路、运算处理器、激励信号发生器和输出端口，以及步骤S100至S103。能够在大幅度减小电路规模的同时，保持高精度的特性，增强抗干扰的能力，而且能够有效的实现小型化和降低制造成本，满足更多场合的需求。
Description
技术领域
本发明涉及精密测量技术领域，具体为一种基于频率提取的时栅位移传感器及信号获取和处理方法。
背景技术
时栅角度位移编码器又称为精密角位移传感器，用于检测旋转体的位置与速度的传感器，广泛应用于现代工业中，比如电机、工业机器人、数控机床、医疗设备以及航天航空领域。
近些年，时栅技术的快速发展，在时空转换理论之下得到的位移传感器已经应用于各行各业，时空转换的理论核心是构建一个与基准相对应的带有位置信息的行波信号，但是，目前市场上主要的时栅产品受限于理论中对行波的合成方式，故在激励的选用上均为正弦激励形式，但是采用正弦激励形式的时栅传感器具有激励电路复杂，无法小型化，成本昂贵等特点。使得其应用范围受到较大的限制。
发明内容
本发明主要是提供一种基于频率提取的时栅位移传感器及信号获取和处理方法，解决现有技术的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于频率提取的时栅位移传感器，包括感应片、频率提取电路、运算处理器、激励信号发生器和输出端口；
所述感应片包括定子感应片，所述定子感应片包括同轴设置的接收区域c和接收区域d；
所述频率提取电路包括放大电路、带通滤波电路和比较器，所述放大电路与所述定子感应片的所述接收区域c和接收区域d连接，用于接收原始感应信号；所述带通滤波电路的中心频率与所述激励信号发生器的激励频率一致，用于构建带通滤波器且对有效频率进行提取和对其他频率成分进行分割；所述比较器与所述带通滤波电路的输出端连接，用于将所述带通滤波器中得到的频率信号进行电压过零比较，并将其零电压处相位信息转化成时栅位移信号。
进一步，所述感应片还包括与所述定子感应片同轴且平行设置的转子感应片；
所述定子感应片还包括与所述接收区域c和接收区域d同轴设置的发射区域a，所述发射区域a由若干组发射极排布而成，所述发射极依次与激励信号产生电路的输出端连接，且分别输入4路不同相位的激励信号，所述接收区域c和接收区域d与所述频率提取电路的输入端连接，在所述发射区域a和接收区域c之间设置有隔离区域b，所述隔离区域b与电路系统的地连接；所述转子感应片包括同轴设置的接收区域e、反射区域g和反射区域h，所述接收区域e与所述发射区域a对应，所述反射区域g和反射区域h分别与所述接收区域c和接收区域d对应，所述接收区域e和反射区域g之间设置有隔离区域f，所述隔离区域f与隔离区域b相对应；
上述各区域均为金属，优选铜。
所述运算处理器，用于将所述时栅位移信号转化为位移编码数字信号；
所述激励信号发生器设有所述激励信号产生电路，且控制端与所述运算处理器连接，用于接收所述运算处理器的激励控制信号，并向所述感应片发送4路所述激励信号；
所述输出端口，用于接收所述位移编码数字信号。
进一步，所述发射极的截面为圆弧段，若干组所述发射极呈圆周分布。
进一步，所述转子感应片的截面外缘呈周期性且带有位置调制的结构。
进一步，所述结构为周期性连续的正弦型结构。
进一步，4路所述激励信号分别为0°激励信号、90°激励信号、180°激励信号和270°激励信号。
进一步，所述激励信号采用方波激励信号。
进一步，所述时栅位移信号为PWM形式。
进一步，所述运算处理器采用FPGA处理器。
一种基于频率提取的时栅位移信号获取和处理方法：
S100：通过感应片完成原始感应信号的收集与输出，以及完成激励信号的输入；
S101：通过频率提取电路接收所述感应片输出的原始感应信号，并转化成时栅位移信号输出；
S102：通过运算处理器采集并分析所述频率提取电路输出的时栅位移信号，并向激励信号发生器发送激励控制信号，同时将时栅位移信号转化为位移编码数字信号送至输出端口；
S103：所述激励信号发生器根据所述运算处理器的控制向所述感应片发送激励信号。
有益效果：
1、定子感应片可以同时完成激励信号的输入和原始感应信号的输出。
2、放大电路与定子感应片的接收区域c和接收区域d相连接，用于接收原始感应信号，由于原始信号幅值较小，且采用差分设计，此处采用差分电荷放大的方式来实现信号的放大，且在输出端将差分信号转换为单端信号。从图案到电路上的差分设计，可以有效的消除传感器工作过程中带来的共模干扰，提高信号质量。
3、能够在大幅度减小电路规模的同时，保持高精度的特性，增强抗干扰的能力，而且能够有效的实现小型化和降低制造成本，满足更多场合的需求。
附图说明
图1为本实施例的传感器框架示意图；
图2为本实施例的频率提取电路框架示意图；
图3为本实施例的定子感应片示意图；
图4为本实施例的转子感应片示意图；
图5为本实施例的信号变化图；
图6为本实施例的带通滤波器的频率响应图；
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明涉及的一种基于频率提取的时栅位移传感器及信号获取和处理方法技术方案进一步详细说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图6所示，本实施例的一种基于频率提取的时栅位移传感器，包括感应片、频率提取电路、运算处理器、激励信号发生器和输出端口；
所述感应片包括定子感应片，所述定子感应片包括同轴设置的接收区域c和接收区域d；
所述频率提取电路包括放大电路、带通滤波电路和比较器，所述放大电路与所述定子感应片的所述接收区域c和接收区域d连接，用于接收原始感应信号；所述带通滤波电路的中心频率与所述激励信号发生器的激励频率一致，用于构建带通滤波器且对有效频率进行提取和对其他频率成分进行分割；所述比较器与所述带通滤波电路的输出端连接，用于将所述带通滤波器中得到的频率信号进行电压过零比较，并将其零电压处相位信息转化成时栅位移信号。
进一步，所述感应片还包括与所述定子感应片同轴且平行设置的转子感应片；
所述定子感应片还包括与所述接收区域c和接收区域d同轴设置的发射区域a，所述发射区域a由若干组发射极排布而成，所述发射极依次与激励信号产生电路的输出端连接，且分别输入4路不同相位的激励信号，所述接收区域c和接收区域d与所述频率提取电路的输入端连接，在所述发射区域a和接收区域c之间设置有隔离区域b，所述隔离区域b与电路系统的地连接；所述转子感应片包括同轴设置的接收区域e、反射区域g和反射区域h，所述接收区域e与所述发射区域a对应，所述反射区域g和反射区域h分别与所述接收区域c和接收区域d对应，所述接收区域e和反射区域g之间设置有隔离区域f，所述隔离区域f与隔离区域b相对应；
所述运算处理器，用于将所述时栅位移信号转化为位移编码数字信号；
所述激励信号发生器设有所述激励信号产生电路，且控制端与所述运算处理器连接，用于接收所述运算处理器的激励控制信号，并向所述感应片发送4路所述激励信号；
所述输出端口，用于接收所述位移编码数字信号。
进一步，所述发射极的截面为圆弧段，若干组所述发射极呈圆周分布。
进一步，所述转子感应片的截面外缘呈周期性且带有位置调制的结构。
进一步，所述结构为周期性连续的正弦型结构。
进一步，4路所述激励信号分别为0°激励信号、90°激励信号、180°激励信号和270°激励信号。
进一步，所述激励信号采用方波激励信号。
进一步，所述时栅位移信号为PWM形式。
进一步，所述运算处理器采用FPGA处理器。
一种基于频率提取的时栅位移信号获取和处理方法：
S100：通过感应片完成原始感应信号的收集与输出，以及完成激励信号的输入；
S101：通过频率提取电路接收所述感应片输出的原始感应信号，并转化成时栅位移信号输出；
S102：通过运算处理器采集并分析所述频率提取电路输出的时栅位移信号，并向激励信号发生器发送激励控制信号，同时将时栅位移信号转化为位移编码数字信号送至输出端口；
S103：所述激励信号发生器根据所述运算处理器的控制向所述感应片发送激励信号。
有益效果：
1、定子感应片可以同时完成激励信号的输入和原始感应信号的输出。
2、放大电路与定子感应片的接收区域c和接收区域d相连接，用于接收原始感应信号，由于原始信号幅值较小，且采用差分设计，此处采用差分电荷放大的方式来实现信号的放大，且在输出端将差分信号转换为单端信号。从图案到电路上的差分设计，可以有效的消除传感器工作过程中带来的共模干扰，提高信号质量。
3、能够在大幅度减小电路规模的同时，保持高精度的特性，增强抗干扰的能力，而且能够有效的实现小型化和降低制造成本，满足更多场合的需求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于频率提取的时栅位移传感器，包括感应片、频率提取电路、运算处理器、激励信号发生器和输出端口，其特征在于：
所述感应片包括定子感应片，所述定子感应片包括同轴设置的接收区域c和接收区域d；
所述频率提取电路包括放大电路、带通滤波电路和比较器，所述放大电路与所述定子感应片的所述接收区域c和接收区域d连接，用于接收原始感应信号；所述带通滤波电路的中心频率与所述激励信号发生器的激励频率一致，用于构建带通滤波器且对有效频率进行提取和对其他频率成分进行分割；所述比较器与所述带通滤波电路的输出端连接，用于将所述带通滤波器中得到的频率信号进行电压过零比较，并将其零电压处相位信息转化成时栅位移信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于频率提取的时栅位移传感器，其特征在于：
所述感应片还包括与所述定子感应片同轴且平行设置的转子感应片；
所述定子感应片还包括与所述接收区域c和接收区域d同轴设置的发射区域a，所述发射区域a由若干组发射极排布而成，所述发射极依次与激励信号产生电路的输出端连接，且分别输入4路不同相位的激励信号，所述接收区域c和接收区域d与所述频率提取电路的输入端连接，在所述发射区域a和接收区域c之间设置有隔离区域b，所述隔离区域b与电路系统的地连接；所述转子感应片包括同轴设置的接收区域e、反射区域g和反射区域h，所述接收区域e与所述发射区域a对应，所述反射区域g和反射区域h分别与所述接收区域c和接收区域d对应，所述接收区域e和反射区域g之间设置有隔离区域f，所述隔离区域f与隔离区域b相对应；
所述运算处理器，用于将所述时栅位移信号转化为位移编码数字信号；
所述激励信号发生器设有所述激励信号产生电路，且控制端与所述运算处理器连接，用于接收所述运算处理器的激励控制信号，并向所述感应片发送4路所述激励信号；
所述输出端口，用于接收所述位移编码数字信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于频率提取的时栅位移传感器，其特征在于：所述发射极的截面为圆弧段，若干组所述发射极呈圆周分布。
4.根据权利要求2所述的一种基于频率提取的时栅位移传感器，其特征在于：所述转子感应片的截面外缘呈周期性且带有位置调制的结构。
5.根据权利要求4所述的一种基于频率提取的时栅位移传感器，其特征在于：所述结构为周期性连续的正弦型结构。
6.根据权利要求2所述的一种基于频率提取的时栅位移传感器，其特征在于：4路所述激励信号分别为0°激励信号、90°激励信号、180°激励信号和270°激励信号。
7.根据权利要求2所述的一种基于频率提取的时栅位移传感器，其特征在于：所述激励信号采用方波激励信号。
8.根据权利要求1所述的一种基于频率提取的时栅位移传感器，其特征在于：所述时栅位移信号为PWM形式。
9.根据权利要求1所述的一种基于频率提取的时栅位移传感器，其特征在于：所述运算处理器采用FPGA处理器。
10.一种基于频率提取的时栅位移信号获取和处理方法，其特征在于，
S100：通过感应片完成原始感应信号的收集与输出，以及完成激励信号的输入；
S101：通过频率提取电路接收所述感应片输出的原始感应信号，并转化成时栅位移信号输出；
S102：通过运算处理器采集并分析所述频率提取电路输出的时栅位移信号，并向激励信号发生器发送激励控制信号，同时将时栅位移信号转化为位移编码数字信号送至输出端口；
S103：所述激励信号发生器根据所述运算处理器的控制向所述感应片发送激励信号。
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