CN112857194B - 一种基于电涡流效应的平面二维位移传感器 - Google Patents

一种基于电涡流效应的平面二维位移传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电涡流效应的平面二维位移传感器，包括动尺和定尺，定尺包括定尺基体和m个按照
Figure DDA0002910564610000011
的矩阵排列的导电金属板，每个导电金属板的长度、宽度都为
Figure DDA0002910564610000012
在X、Y方向上相邻两个导电金属板的中心距都为W；动尺包括动尺基体和四个平面矩形螺旋线圈，四个平面矩形螺旋线圈按照2×2的矩阵排列；每个平面矩形螺旋线圈的长度、宽度都为
Figure DDA0002910564610000013
四个平面矩形螺旋线圈中分别通入同相位的交流激励电信号，当动尺相对定尺在XY平面平行移动时，通过交流电桥将各个平面矩形螺旋线圈的阻抗转换成电信号，经处理后得到动尺相对定尺在X、Y方向的直线位移。其能简化结构、提高适用性，并且减小加工工艺对测量结果的影响。

Description

一种基于电涡流效应的平面二维位移传感器
技术领域
本发明属于平面二维位移精密测量领域，具体涉及一种基于电涡流效应的平面二维位移传感器。
背景技术
现有的平面二维精密位移传感器按原理不同可分为三种：第一种是光学式二维位移传感器，如二维激光编码器、Heidenhain公司PP281型平面光栅和KGM系列编码器等；第二种是电容式二维位移传感器，如Bonse研制的二维电容传感器、王碧波研制的二维精密电容微位移传感器等；第三种是电感式二维位移传感器，如冯斌研制的二维平动位移传感器，其在相互垂直的两个方向上分别放置U形铁芯和线圈，当衔铁在铁芯上方做平面运动时，线圈的电感发生变化，通过测量电路转换成与位移成正比的电信号，再如Alik研制的差动式电感二维位移传感器，其在X方向和Y方向同时布置一个U型结构差动电磁效应的测量单元实现二维位移测量，但量程相对较小，只有10mm。光学式传感器技术已相当成熟，但电气系统较为复杂且都对精密刻画技术有较强的依赖性；此外光学式传感器易受机械抖动和振动的影响，同时其抗油污粉尘和冲击振动能力较差，造价成本较高；电容式传感器部分电容介电常数易受外界环境因素影响，防护能力较差且智能化程度不高。
CN104677258A公开了一种平面二维位移传感器，包括上下平行相对布置的定阵面(相当于定尺)和动阵面(相当于动尺)；定阵面具有定阵面基体，在定阵面基体上布置有单层或多层完全相同的并串联的激励线圈矩阵；动阵面由动阵面基体和布置于动阵面基体表面的感应线圈组成；定阵面的激励线圈连接交流激励电信号，在定阵面表面产生的磁场强度随着平面二维位置变化呈现周期性变化；当动阵面与定阵面发生相对运动时，感应线圈的感应信号幅值分别发生变化，经处理、解算即可得到动阵面相对于定阵面在X方向和Y方向的直线位移。其采用单个动阵面通过电磁感应原理将定阵面不同位置处的磁信号转化为电信号，从而得到平面二维位移量，具有结构简单、成本低、抗油污粉尘和冲击振动能力强的特点。但是其仍然存在如下问题：(1)定阵面上的激励线圈矩阵和动阵面上的感应线圈都需要引信号线，有些场合不能使用，应用范围窄；(2)定阵面上的所有激励线圈矩阵通过并串联的方式形成一个回路，通入交流激励电信号，如果某个激励线圈损坏，会导致传感器无法测量；(3)为了减小定阵面上不同线圈产生的磁场差异性，使测量结果更准确，其对加工工艺要求较高；(4)动阵面上的感应线圈由尺寸匝数均相同的三个感应线圈组成，配合相应的信号处理过程决定了如果动阵面相对定阵面不完全平行或存在偏摆，会引起测量误差，从而导致测量结果不准确。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电涡流效应的平面二维位移传感器，以简化结构、提高适用性，并且减小加工工艺对测量结果的影响。
本发明所述的基于电涡流效应的平面二维位移传感器，包括动尺和定尺，动尺与定尺正对平行，且留有间隙。所述定尺包括定尺基体和嵌在该定尺基体上的m个导电金属板，导电金属板的形状为中心对称图形，m个导电金属板按照
Figure BDA0002910564590000021
的矩阵排列，每个导电金属板的长度、宽度都为
Figure BDA0002910564590000022
在X方向上相邻两个导电金属板的中心距为W，在Y方向上相邻两个导电金属板的中心距为W；其中，W为传感器极距、n为整数且n≥3，m为能被n整除的整数且m≥3n。所述动尺包括动尺基体和绕制在动尺基体上的四个平面矩形螺旋线圈，四个平面矩形螺旋线圈按照2×2的矩阵排列；每个平面矩形螺旋线圈的相邻两匝线圈之间的间距相等，每个平面矩形螺旋线圈的长度、宽度都为
Figure BDA0002910564590000023
在X方向上两个平面矩形螺旋线圈的中心距为
Figure BDA0002910564590000024
在Y方向上两个平面矩形螺旋线圈的中心距为
Figure BDA0002910564590000025
其中，i＝0,1,2,3,...。将两个平面矩形螺旋线圈的中心距设计为
Figure BDA0002910564590000026
避免了相邻两个平面矩形螺旋线圈因同时位于一块导电金属板上方而产生互相影响。
四个平面矩形螺旋线圈中分别通入相同的交流激励电信号，在动尺表面产生既随时间变化又随动尺移动而移动的磁场(即包含时间量和空间量的磁场)。当四个平面矩形螺旋线圈处于导电金属板上方时，导电金属板会产生涡流磁场，同时涡流磁场反作用于四个平面矩形螺旋线圈，致使四个平面矩形螺旋线圈的阻抗发生变化。当动尺相对定尺在XY平面平行移动时，四个平面矩形螺旋线圈与导电金属板的正对面积随位移变化而变化，相应的四个平面矩形螺旋线圈的阻抗随位移变化而呈周期性变化，通过交流电桥将四个平面矩形螺旋线圈的阻抗转换成四路电信号，经信号处理系统处理后得到动尺相对定尺在X方向的直线位移和在Y方向的直线位移。该信号处理系统的其中一种处理过程可以为：将与四个平面矩形螺旋线圈分别对应的四个交流电桥输出的四路电信号U1、U2、U3、U4输入信号处理系统，进行两两相加、两两相减，得到四路计算值S1、S2、S3、S4，对四路计算值S1、S2、S3、S4进行两两相除，得到两个正切函数，然后对两个正切函数进行反正切解算，得到动尺相对定尺在X方向的直线位移和在Y方向的直线位移。
优选的，所述导电金属板的形状为正方形或者圆形或者菱形。
优选的，在X方向上两个平面矩形螺旋线圈的中心距为
Figure BDA0002910564590000031
在Y方向上两个平面矩形螺旋线圈的中心距为
Figure BDA0002910564590000032
的中心距既避免了相邻两个平面矩形螺旋线圈同时位于一块导电金属板上，又使动尺的整体结构尺寸最小(相较于
Figure BDA0002910564590000033
的中心距、
Figure BDA0002910564590000034
的中心距等而言)，从而在定尺尺寸相同的情况下使传感器的测量量程达到最大。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
(1)只从动尺的四个平面矩形螺旋线圈引信号线，定尺不引信号线，励磁和感应都由四个平面矩形螺旋线圈充当，提高了测量范围，减少了信号传递环节，结构更加简单，并且应用范围更广。
(2)四个平面矩形螺旋线圈各自独立引信号线接相同的交流激励电信号，避免了因单个线圈损坏而导致传感器无法测量的问题，从而提高了测量可靠性和适用性。
(3)定尺采用导电金属板形成涡流栅阵列，涡流磁场的产生和消逝仅在四个平面矩形螺旋线圈所对应的局部范围内，不存在磁场互相窜扰的问题，提高了抗干扰能力。
(4)以测量四个平面矩形螺旋线圈的阻抗的方式实现平面位移测量，避免了很多个不同线圈产生磁场的差异性，降低了加工工艺要求，减小了加工工艺对测量结果的影响。
(5)采用四个平面矩形螺旋线圈，配合相应的信号处理过程，减小了动尺相对定尺不完全平行或存在偏摆引起的误差，从而提高了测量结果的准确性。
附图说明
图1为实施例1中动尺与定尺的相对位置关系示意图。
图2为实施例1中动尺的结构示意图。
图3为实施例1中定尺的结构示意图。
图4为实施例1中第一个平面矩形螺旋线圈使用的交流电桥的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
实施例1：如图1至图4所示的基于电涡流效应的平面二维位移传感器，包括动尺1和定尺2，动尺1与定尺2正对平行，且在垂直方向(即正对方向)有较小间隙。
如图3所示，定尺2包括定尺基体20和嵌在该定尺基体20上表面的25个导电金属板21，定尺基体20为不导磁不导电的绝缘材料板，导电金属板21的形状为正方形，采用半导体加工工艺，在绝缘材料板的上表面按照5×5的矩阵镶嵌25个导电金属板21，形成定尺2。每个导电金属板21的长度为
Figure BDA0002910564590000041
宽度为
Figure BDA0002910564590000042
在X方向上相邻两个导电金属板21的中心距为W，在Y方向上相邻两个导电金属板21的中心距为W；其中，W为传感器极距(即传感器X方向的极距为W、Y方向的极距也为W)。
如图2所示，动尺1包括动尺基体10和绕制在动尺基体10下表面的四个平面矩形螺旋线圈11。四个平面矩形螺旋线圈11按照2×2的矩阵排列；每个平面矩形螺旋线圈11有十匝，相邻两匝线圈之间的间距相等，每个平面矩形螺旋线圈11的长度为
Figure BDA0002910564590000043
宽度为
Figure BDA0002910564590000044
在X方向上两个平面矩形螺旋线圈11的中心距为
Figure BDA0002910564590000045
在Y方向上两个平面矩形螺旋线圈11的中心距为
Figure BDA0002910564590000046
如图4所示，利用三个平衡电阻Rs与第一个平面矩形螺旋线圈11相连，形成一个交流电桥。同理，利用三个平衡电阻Rs与第二个平面矩形螺旋线圈11相连，形成一个交流电桥；利用三个平衡电阻Rs与第三个平面矩形螺旋线圈11相连，形成一个交流电桥；利用三个平衡电阻Rs与第四个平面矩形螺旋线圈11相连，形成一个交流电桥。平面矩形螺旋线圈11的一端与第一个平衡电阻Rs的一端连接，平面矩形螺旋线圈11的另一端与第三个平衡电阻Rs的一端连接，第二个平衡电阻Rs的一端与第一个平衡电阻Rs的另一端连接，第二个平衡电阻Rs的另一端与第三个平衡电阻Rs的另一端连接；从平面矩形螺旋线圈11与第三个平衡电阻Rs的连接处以及第二个平衡电阻Rs与第一个平衡电阻Rs的连接处引线接交流激励(电压)信号e的两端，从平面矩形螺旋线圈11与第一个平衡电阻Rs的连接处以及第二个平衡电阻Rs与第三个平衡电阻Rs的连接处引线作为交流电桥的输出端。
四个平面矩形螺旋线圈11中分别通入相位为0的交流激励信号e，当动尺1相对定尺2在XY平面平行移动时，
与第一个平面矩形螺旋线圈11对应的交流电桥输出反映第一个平面矩形螺旋线圈11的阻抗的电信号U1：
Figure BDA0002910564590000047
与第二个平面矩形螺旋线圈11对应的交流电桥输出反映第二个平面矩形螺旋线圈11的阻抗的电信号U2：
Figure BDA0002910564590000048
与第三个平面矩形螺旋线圈11对应的交流电桥输出反映第三个平面矩形螺旋线圈11的阻抗的电信号U3：
Figure BDA0002910564590000051
与第四个平面矩形螺旋线圈11对应的交流电桥输出反映第四个平面矩形螺旋线圈11的阻抗的电信号U4：
Figure BDA0002910564590000052
式中：k为常系数，ω为交流激励信号e的角频率，t为时间变量，x为动尺1相对定尺2在X方向的直线位移，y为动尺1相对定尺2在Y方向的直线位移；
电信号U1、U2、U3、U4输入信号处理系统，对U1、U2、U3、U4进行两两相加、两两相减，得到：
Figure BDA0002910564590000053
Figure BDA0002910564590000054
Figure BDA0002910564590000055
Figure BDA0002910564590000056
对四路计算值S1、S2、S3、S4做相除运算，得：
Figure BDA0002910564590000057
Figure BDA0002910564590000058
对公式(9)和公式(10)进行反正切解算，求得动尺1相对定尺2在X方向的直线位移x和在Y方向的直线位移y分别为：
Figure BDA0002910564590000059
Figure BDA00029105645900000510
实施例2：本实施例中的基于电涡流效应的平面二维位移传感器，其工作原理和大部分结构与实施例1相同，不同之处仅在于：导电金属板21的形状为圆形。
实施例3：本实施例中的基于电涡流效应的平面二维位移传感器，其工作原理和大部分结构与实施例1相同，不同之处仅在于：导电金属板21的形状为菱形。

Claims (3)

1.一种基于电涡流效应的平面二维位移传感器，包括动尺(1)和定尺(2)，动尺(1)与定尺(2)正对平行，且留有间隙；其特征在于：
所述定尺(2)包括定尺基体(20)和嵌在该定尺基体上的m个导电金属板(21)，导电金属板(21)的形状为中心对称图形，m个导电金属板(21)按照
Figure FDA0003678178890000011
的矩阵排列，每个导电金属板(21)的长度、宽度都为
Figure FDA0003678178890000012
在X方向上相邻两个导电金属板(21)的中心距为W，在Y方向上相邻两个导电金属板(21)的中心距为W；其中，W为传感器极距，n为整数且n≥3，m为能被n整除的整数且m≥3n；
所述动尺(1)包括动尺基体(10)和绕制在动尺基体(10)上的四个平面矩形螺旋线圈(11)，四个平面矩形螺旋线圈(11)按照2×2的矩阵排列；每个平面矩形螺旋线圈(11)的相邻两匝线圈之间的间距相等，每个平面矩形螺旋线圈(11)的长度、宽度都为
Figure FDA0003678178890000013
在X方向上两个平面矩形螺旋线圈(11)的中心距为
Figure FDA0003678178890000014
在Y方向上两个平面矩形螺旋线圈(11)的中心距为
Figure FDA0003678178890000015
其中，i＝0,1,2,3,...；
四个平面矩形螺旋线圈(11)中分别通入相同的交流激励电信号，当动尺(1)相对定尺(2)在XY平面平行移动时，四个平面矩形螺旋线圈(11)的阻抗呈周期性变化，通过交流电桥将四个平面矩形螺旋线圈(11)的阻抗转换成四路电信号，经信号处理系统处理后得到动尺(1)相对定尺(2)在X方向的直线位移和在Y方向的直线位移。
2.根据权利要求1所述的基于电涡流效应的平面二维位移传感器，其特征在于：所述导电金属板(21)的形状为正方形。
3.根据权利要求1或2所述的基于电涡流效应的平面二维位移传感器，其特征在于：在X方向上两个平面矩形螺旋线圈(11)的中心距为
Figure FDA0003678178890000016
在Y方向上两个平面矩形螺旋线圈(11)的中心距为
Figure FDA0003678178890000017
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