CN114087969B - 一种拼接式绝对直线位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拼接式绝对直线位移传感器，其单个定尺采用模块化结构设计，N个定尺通过首尾拼接的方式扩展量程，接收电极Ⅰ、接收电极Ⅱ通过电信号进行编码，当多个定尺进行拼接时，可识别出动尺处在哪一个定尺之上；分段定尺识别加上定尺内绝对定位，即可实现拼接后整个量程内的绝对直线位移测量。本发明用简单的原理实现了超大量程的绝对直线位移测量，打破了传统的栅尺制造工艺对提升量程的限制。

Description

一种拼接式绝对直线位移传感器

技术领域

本发明属于精密直线位移传感器领域，具体涉及一种拼接式绝对直线位移传感器。

背景技术

量程在数米乃至数十米的位移传感器是大型龙门加工中心、大行程直线电机传送线等装备制造和自动化控制领域的核心功能部件。这种超大量程的位移测量目前主要采用的是钢带式光栅，其量程最大可达60m，多为增量式测量。绝对式光栅采用不同宽度和不同间距的栅线代表绝对位置数据，并以某种编码形式直接刻划到栅尺上，意味着需要在整个量程范围内排布无重复位置的编码，然而量程越长绝对式编码和解码的复杂程度也成倍的增加。研究门槛的限制，导致国内暂无法制造类似超大量程的绝对式光栅位移传感器。

近年来国内研制出了一种以时钟脉冲作为位移测量基准的时栅直线位移传感器，并在此基础上研制了基于交变电场的差极型绝对式时栅直线位移传感器(公开号为：CN208140019U)，其实现了单段直线式纳米时栅传感器的绝对式测量。但是，目前该类型传感器受限于传统的栅尺加工工艺，只能实现单段最大2000mm的传感器基体制造。

发明内容

本发明的目的是提供一种拼接式绝对直线位移传感器，以实现测量范围达到几米甚至几十米的超大量程绝对直线位移测量。

本发明所述的拼接式绝对直线位移传感器，包括定尺和动尺，动尺的基体下表面与定尺的基体上表面正对平行安装，并留有间隙；设定X轴正方向为测量方向，动尺的运动方向为X轴方向，平行于定尺的基体表面且垂直于X轴的方向为Y轴方向，垂直于定尺的基体表面的方向为Z轴方向。

定尺的基体上表面沿Y轴正方向间隔设有接收电极Ⅰ、激励电极Ⅰ、激励电极Ⅱ和接收电极Ⅱ；激励电极Ⅰ由4M₁个大小相同、极距为W₁的矩形极片Ⅰ沿X轴正方向等间距排列组成，激励电极Ⅰ具有A₁、B₁、C₁、D₁激励组；激励电极Ⅱ由4M₂个大小相同、极距为W₂的矩形极片Ⅱ沿X轴正方向等间距排列组成，激励电极Ⅱ具有A₂、B₂、C₂、D₂激励组，M₁与M₂互为质数；接收电极Ⅰ由第一接收极片与第二接收极片并排组成，接收电极Ⅱ由第三接收极片与第四接收极片并排组成。所述定尺有N个，N个定尺沿X轴正方向首尾依次拼接，形成定尺组，定尺组的各个A₁激励组相连、各个B₁激励组相连、各个C₁激励组相连、各个D₁激励组相连、各个A₂激励组相连、各个B₂激励组相连、各个C₂激励组相连、各个D₂激励组相连。

动尺的基体下表面沿X轴正方向设有间距为D_os的传感单元Ⅰ和传感单元Ⅱ，间距D_os大于相邻两个定尺之间的拼接缝沿X轴方向的宽度D_is。传感单元Ⅰ由沿Y轴正方向间隔排列的第一反射极片、感应电极Ⅰ、感应电极Ⅱ和第二反射极片组成，传感单元Ⅱ由沿Y轴正方向间隔排列的第三反射极片、感应电极Ⅲ、感应电极Ⅳ和第四反射极片组成；在Z轴方向，感应电极Ⅰ、感应电极Ⅲ与激励电极Ⅰ正对，感应电极Ⅱ、感应电极Ⅳ与激励电极Ⅱ正对，第一反射极片与第一接收极片正对，第二反射极片与第三接收极片正对，第三反射极片与第二接收极片正对，第四反射极片与第四接收极片正对；感应电极Ⅰ、感应电极Ⅲ都由M₃个大小相同、极距为4W₁的感应极片Ⅰ沿X轴正方向等间距排列组成，感应电极Ⅰ中的M₃个感应极片Ⅰ相互连接且与第一反射极片相连，感应电极Ⅲ中的M₃个感应极片Ⅰ相互连接且与第三反射极片相连；感应电极Ⅱ、感应电极Ⅳ都由M₃个大小相同、极距为4W₂的感应极片Ⅱ沿X轴正方向等间距排列组成，感应电极Ⅱ中的M₃个感应极片Ⅱ相互连接且与第二反射极片相连，感应电极Ⅳ中的M₃个感应极片Ⅱ相互连接且与第四反射极片相连。

测量时，N个定尺中的第一、第二、第三、第四接收极片分别与时栅信号处理电路的4N个信号输入端连接，A₁、B₁、C₁、D₁激励组与A₂、B₂、C₂、D₂激励组同时施加相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励信号，在动尺与定尺组之间形成交变电场，动尺沿X轴相对定尺组移动，各个感应电极耦合到的感应信号经对应的反射电极反射回对应的接收电极，各个定尺中的第一接收极片、第二接收极片、第三接收极片、第四接收极片输出的行波信号经时栅信号处理电路处理后，得到动尺相对定尺组的绝对直线位移值S_pa。

优选的，所述第一接收极片、第二接收极片、第三接收极片、第四接收极片都呈矩形，第一接收极片的尺寸、第二接收极片的尺寸、第三接收极片的尺寸和第四接收极片的尺寸都相同，第一接收极片、第二接收极片、第三接收极片、第四接收极片沿X轴方向的长度与激励电极Ⅱ沿X轴方向的长度、激励电极Ⅰ沿X轴方向的长度相等，且等于L。

所述第一反射极片、第二反射极片、第三反射极片、第四反射极片都呈矩形，第一反射极片的尺寸、第二反射极片的尺寸、第三反射极片的尺寸和第四反射极片的尺寸都相同，第一反射极片、第二反射极片、第三反射极片、第四反射极片沿X轴方向的长度为S，d_max2≤S≤d_max1，d_max1为4W₁*M₃与4W₂*M₃中的较大值，d_max2为4W₁*M₃-d₁与4W₂*M₃-d₂中的较大值，d₁表示相邻两个感应极片Ⅰ沿X轴正方向的间距，d₂表示相邻两个感应极片Ⅱ沿X轴正方向的间距。

优选的，所述感应极片Ⅰ的形状、感应极片Ⅱ的形状都为双正弦形或者斜余弦形或者方形或者菱形。

优选的，所述时栅信号处理电路的处理方式为：先根据各个信号输入端是否有行波信号输入来判断动尺所处的定尺号数，再判断传感单元Ⅰ、传感单元Ⅱ所处的位置，然后根据该位置选择能用于计算的行波信号，最后利用该行波信号计算动尺相对定尺组的绝对直线位移值S_pa。

优选的，根据传感单元Ⅰ、传感单元Ⅱ所处的位置，选择能用于计算的行波信号的具体方式为：

如果传感单元Ⅰ、传感单元Ⅱ都完全位于i号定尺上方，则：利用i号定尺中的第一接收极片输出的行波信号U_{i_1}和i号定尺中的第三接收极片输出的行波信号U_{i_3}计算S_pa；或者利用i号定尺中的第二接收极片输出的行波信号U_{i_2}和i号定尺中的第四接收极片输出的行波信号U_{i_4}计算S_pa。

如果传感单元Ⅰ完全位于i号定尺上方，且传感单元Ⅱ非完全位于i号定尺上方，且传感单元Ⅱ非完全位于i+1号定尺上方，则利用i号定尺中的第一接收极片输出的行波信号U_{i_1}和i号定尺中的第三接收极片输出的行波信号U_{i_3}计算S_pa。

如果传感单元Ⅰ完全位于i号定尺上方，且传感单元Ⅱ完全位于i+1号定尺上方，则：利用i号定尺中的第一接收极片输出的行波信号U_{i_}和i号定尺中的第三接收极片输出的行波信号U_{i_3}计算S_pa；或者利用i+1号定尺中的第二接收极片输出的行波信号U_{(i+1)_2}和i+1号定尺中的第四接收极片输出的行波信号U_{(i+1)_4}计算S_pa。

如果传感单元Ⅱ完全位于i+1号定尺上方，且传感单元Ⅰ非完全位于i号定尺上方，且传感单元Ⅰ非完全位于i+1号定尺上方，则利用i+1号定尺中的第二接收极片输出的行波信号U_{(i+1)_2}和i+1号定尺中的第四接收极片输出的行波信号U_{(i+1)_4}计算S_pa。

如果传感单元Ⅰ、传感单元Ⅱ都完全位于i+1号定尺上方，则：利用i+1号定尺中的第一接收极片输出的行波信号U_{(i+1)_1}和i+1号定尺中的第三接收极片输出的行波信号U_{(i+1)_3}计算S_pa；或者利用i+1号定尺中的第二接收极片输出的行波信号U_{(i+1)_2}和i+1号定尺中的第四接收极片输出的行波信号U_{(i+1)_4}计算S_pa。

其中，i为整数，1≤i≤N-1。

优选的，利用i号定尺中的第一接收极片输出的行波信号U_{i_1}和i号定尺中的第三接收极片输出的行波信号U_{i_3}，计算动尺相对定尺组的绝对直线位移值S_pa的具体方式为：将行波信号U_{i_1}或者行波信号U_{i_3}进行处理，得到传感单元Ⅰ在i号定尺上的精测直线位移值S_{i_1_3}；将行波信号U_{i_1}与行波信号U_{i_3}比相后的相位差进行处理，得到传感单元Ⅰ在i号定尺上的粗测对极定位值S_{i_13}；将精测直线位移值S_{i_1_3}与粗测对极定位值S_{i_13}相结合，得到传感单元Ⅰ在i号定尺上的绝对直线位移值S_{i_Ⅰ}；然后利用公式：S_pa＝(i-1)*(L+D_is)+S_{i_Ⅰ}，计算得到S_pa。

利用i号定尺中的第二接收极片输出的行波信号U_{i_2}和i号定尺中的第四接收极片输出的行波信号U_{i_4}，计算动尺相对定尺组的绝对直线位移值S_pa的具体方式为：将行波信号U_{i_2}或者行波信号U_{i_4}进行处理，得到传感单元Ⅱ在i号定尺上的精测直线位移值S_{i_2_4}；将行波信号U_{i_2}与行波信号U_{i_4}比相后的相位差进行处理，得到传感单元Ⅱ在i号定尺上的粗测对极定位值S_{i_24}；将精测直线位移值S_{i_2_4}与粗测对极定位值S_{i_24}相结合，得到传感单元Ⅱ在i号定尺上的绝对直线位移值S_{i_Ⅱ}；然后利用公式：S_pa＝(i-1)*(L+D_is)+S_{i_Ⅱ}-D_os-S，计算得到S_pa。

优选的，利用i+1号定尺中的第一接收极片输出的行波信号U_{(i+1)_1}和i+1号定尺中的第三接收极片输出的行波信号U_{(i+1)_3}，计算动尺相对定尺组的绝对直线位移值S_pa的具体方式为：将行波信号U_{(i+1)_1}或者行波信号U_{(i+1)_3}进行处理，得到传感单元Ⅰ在i+1号定尺上的精测直线位移值S_{(i+1)_1_3}；将行波信号U_{(i+1)_1}与行波信号U_{(i+1)_3}比相后的相位差进行处理，得到传感单元Ⅰ在i+1号定尺上的粗测对极定位值S_{(i+1)_13}；将精测直线位移值S_{(i+1)_1_3}与粗测对极定位值S_{(i+1)_13}相结合，得到传感单元Ⅰ在i+1号定尺上的绝对直线位移值S_{(i+1)_Ⅰ}；然后利用公式：S_pa＝i*(L+D_is)+S_{(i+1)_Ⅰ}，计算得到S_pa。

利用i+1号定尺中的第二接收极片输出的行波信号U_{(i+1)_2}和i+1号定尺中的第四接收极片输出的行波信号U_{(i+1)_4}，计算动尺相对定尺组的绝对直线位移值S_pa的具体方式为：将行波信号U_{(i+1)_2}或者行波信号U_{(i+1)_4}进行处理，得到传感单元Ⅱ在i+1号定尺上的精测直线位移值S_{(i+1)_2_4}；将行波信号U_{(i+1)_2}与行波信号U_{(i+1)_4}比相后的相位差进行处理，得到传感单元Ⅱ在i+1号定尺上的粗测对极定位值S_{(i+1)_24}；将精测直线位移值S_{(i+1)_2_4}与粗测对极定位值S_{(i+1)_24}相结合，得到传感单元Ⅱ在i+1号定尺上的绝对直线位移值S_{(i+1)_Ⅱ}；然后利用公式：S_pa＝i*(L+D_is)+S_{(i+1)_Ⅱ}-D_os-S，计算得到S_pa。

优选的，所述时栅信号处理电路根据各个定尺中的第一、第二、第三、第四接收极片输出的行波信号，来判定传感单元Ⅰ、传感单元Ⅱ所处的位置，具体为：

若i号定尺中的第一接收极片、第二接收极片、第三接收极片、第四接收极片输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，则判定传感单元Ⅰ、传感单元Ⅱ都完全位于i号定尺上方。

若i号定尺中的第一接收极片、第三接收极片输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，且i号定尺中的第二接收极片、第四接收极片输出的行波信号的幅值都未在预设的电压阈值范围内，且i+1号定尺中的第二接收极片、第四接收极片输出的行波信号的幅值都未在预设的电压阈值范围内，则判定传感单元Ⅰ完全位于i号定尺上方，且传感单元Ⅱ非完全位于i号定尺上方，且传感单元Ⅱ非完全位于i+1号定尺上方。

若i号定尺中的第一接收极片、第三接收极片输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，且i+1号定尺中的第二接收极片、第四接收极片输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，则判定传感单元Ⅰ完全位于i号定尺上方，且传感单元Ⅱ完全位于i+1号定尺上方。

若i+1号定尺中的第二接收极片、第四接收极片输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，且i号定尺中的第一接收极片、第三接收极片输出的行波信号的幅值都未在预设的电压阈值范围内，且i+1号定尺中的第一接收极片、第三接收极片输出的行波信号的幅值都未在预设的电压阈值范围内，则判定传感单元Ⅱ完全位于i+1号定尺上方，且传感单元Ⅰ非完全位于i号定尺上方，且传感单元Ⅰ非完全位于i+1号定尺上方；

若i+1号定尺中的第一接收极片、第二接收极片、第三接收极片、第四接收极片输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，则判定传感单元Ⅰ、传感单元Ⅱ都完全位于i+1号定尺上方。

本发明具有如下效果：

(1)通过定尺的基体上的激励电极Ⅰ、激励电极Ⅱ的对极互为质数的方式，实现了单段定尺内传感器的绝对直线位移测量。

(2)通过使用第一、第二、第三、第四反射极片和第一、第二、第三、第四接收极片，实现了激励信号和感应信号均在定尺侧进行处理，同时实现了动尺的无源设计。

(3)将N个定尺拼接成定尺组，在动尺的基体上设计两个独立且间隔D_os的传感单元Ⅰ和传感单元Ⅱ，并配合时栅信号处理电路，测量动尺相对定尺组的绝对直线位移值S_pa，从而实现了测量范围达到几米甚至几十米的超大量程绝对直线位移测量，能打破传统的栅尺制造工艺对提升量程的限制，并且应用场景灵活。

附图说明

图1为实施例中动尺与定尺组的对应关系示意图。

图2为实施例中定尺的俯视图。

图3为实施例中动尺的仰视图。

图4为实施例中传感单元Ⅰ、传感单元Ⅱ在相邻两个定尺上的投影关系示意图。

图5为实施例中的信号处理原理框图。

图6为实施例中定尺组的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图6所示的拼接式绝对直线位移传感器，包括N个定尺1和一个动尺2，动尺2的基体下表面与定尺1的基体上表面正对平行安装，并留有0.4mm间隙。设定X轴正方向为测量方向，动尺2的运动方向为X轴方向，平行于定尺1的基体表面且垂直于X轴的方向为Y轴方向，垂直于定尺1的基体表面的方向为Z轴方向。

如图1、图2、图4、图6所示，定尺1的基体上表面沿Y轴正方向间隔设有接收电极Ⅰ、激励电极Ⅰ11、激励电极Ⅱ12和接收电极Ⅱ。激励电极Ⅰ11、激励电极Ⅱ12沿Y轴方向的间距为2mm。

激励电极Ⅰ11由76个大小相同、极距为4.21mm的矩形极片Ⅰ沿X轴正方向等间距(间距为2.11mm)排列组成，矩形极片Ⅰ沿Y轴方向的长度为10mm，矩形极片Ⅰ沿X轴方向的宽度为2.1mm，每相邻的四个矩形极片Ⅰ组成一个对极，总共有19个对极，对极宽度为16.84mm。其中，第4n₁+1(即第1、5、...、73)个矩形极片Ⅰ通过中间层第一根金属引线连成一组，组成A₁激励组，第4n₁+2(即第2、6、...、74)个矩形极片Ⅰ通过中间层第二根金属引线连成一组，组成B₁激励组，第4n₁+3(即第3、7、...、75)个矩形极片Ⅰ通过中间层第三根金属引线连成一组，组成C₁激励组，第4n₁+4(即第4、8、...、76)个矩形极片Ⅰ通过中间层第四根金属引线连成一组，组成D₁激励组，n₁依次取0至18的所有整数。

激励电极Ⅱ12由80个大小相同、极距为4mm的矩形极片Ⅱ沿X轴正方向等间距(间距为2mm)排列组成，矩形极片Ⅱ沿Y轴方向的长度为10mm，矩形极片Ⅱ沿X轴方向的宽度为2mm，每相邻的四个矩形极片Ⅱ组成一个对极，总共有20个对极，对极宽度为16mm。其中，第4n₂+1(即第1、5、...、77)个矩形极片Ⅱ通过中间层第五根金属引线连成一组，组成A₂激励组，第4n₂+2(即第2、6、...、78)个矩形极片Ⅱ通过中间层第六根金属引线连成一组，组成B₂激励组，第4n₂+3(即第3、7、...、79)个矩形极片Ⅱ通过中间层第七根金属引线连成一组，组成C₂激励组，第4n₂+4(即第4、8、...、80)个矩形极片Ⅱ通过中间层第八根金属引线连成一组，组成D₂激励组，n₂依次取0至19的所有整数。

接收电极Ⅰ由第一接收极片13与第二接收极片14沿Y轴方向间隔并排组成，第一接收极片13、第二接收极片14都呈矩形，第一接收极片13、第二接收极片14沿Y轴方向的宽度为4mm，第一接收极片13、第二接收极片14沿X轴方向的长度为L＝320mm。定尺1的基体沿X轴方向的长度也等于320mm。接收电极Ⅱ由第三接收极片15与第四接收极片16沿Y轴方向间隔并排组成，第三接收极片15、第四接收极片16都呈矩形，第三接收极片15、第四接收极片16沿Y轴方向的宽度为4mm，第三接收极片15、第四接收极片16沿X轴方向的长度为320mm。第一接收极片13沿X轴正方向的起始位置、第二接收极片14沿X轴正方向的起始位置、第三接收极片15沿X轴正方向的起始位置、第四接收极片16沿X轴正方向的起始位置、激励电极Ⅰ11沿X轴正方向的起始位置、激励电极Ⅱ12沿X轴正方向的起始位置在Y轴方向上对齐。

N个定尺1沿X轴正方向首尾依次拼接，形成定尺组，各个定尺的基体头部、尾部的底层为供激励输入的焊盘，该焊盘也作为相邻两个定尺中一个定尺的尾部与另一个定尺的头部的连接部位，从而实现定尺组的各个A₁激励组相连、各个B₁激励组相连、各个C₁激励组相连、各个D₁激励组相连、各个A₂激励组相连、各个B₂激励组相连、各个C₂激励组相连、各个D₂激励组相连，构造沿X轴方向的交变电场。

如图1、图3、图4所示，动尺2的基体下表面沿X轴正方向设有间距为D_os的传感单元Ⅰ和传感单元Ⅱ，间距D_os比相邻两个定尺之间的拼接缝沿X轴方向的宽度D_is大6mm(即D_os＝D_is+6)。传感单元Ⅰ由沿Y轴正方向间隔排列的第一反射极片23、感应电极Ⅰ21、感应电极Ⅱ22和第二反射极片24组成。感应电极Ⅰ21由2个大小相同、极距为16.84mm的感应极片Ⅰ沿X轴正方向等间距(间距d₁＝12.64mm)排列组成。感应极片Ⅰ为双正弦形极片Ⅰ，双正弦形极片Ⅰ的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的封闭轴对称图形Ⅰ。感应极片Ⅰ沿Y轴方向的长度为10mm，感应极片Ⅰ沿X轴方向的宽度为4.2mm。感应电极Ⅰ21中的2个感应极片Ⅰ通过引线相互连接且与第一反射极片23相连。感应电极Ⅱ22由2个大小相同、极距为16mm的感应极片Ⅱ沿X轴正方向等间距(间距d₂＝12mm)排列组成。感应极片Ⅱ为双正弦形极片Ⅱ，双正弦形极片Ⅱ的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的封闭轴对称图形Ⅱ。感应极片Ⅱ沿Y轴方向的长度为10mm，感应极片Ⅱ沿X轴方向的宽度为4mm。感应电极Ⅱ22中的2个感应极片Ⅱ通过引线相互连接且与第二反射极片24相连。第一反射极片23、第二反射极片24都呈矩形，第一反射极片23、第二反射极片24沿Y轴方向的宽度为4mm，第一反射极片23、第二反射极片24沿X轴方向的长度S＝21.54mm。

传感单元Ⅱ由沿Y轴正方向间隔排列的第三反射极片27、感应电极Ⅲ25、感应电极Ⅳ26和第四反射极片28组成。感应电极Ⅲ25由2个大小相同、极距为16.84mm的感应极片Ⅰ沿X轴正方向等间距(间距为12.64mm)排列组成。感应电极Ⅲ25中的2个感应极片Ⅰ通过引线相互连接且与第三反射极片27相连。感应电极Ⅳ26由2个大小相同、极距为16mm的感应极片Ⅱ沿X轴正方向等间距(间距为12mm)排列组成，感应电极Ⅳ26中的2个感应极片Ⅱ通过引线相互连接且与第四反射极片28相连。第三反射极片27、第四反射极片28都呈矩形，第三反射极片27、第四反射极片28沿Y轴方向的宽度为4mm，第三反射极片27、第四反射极片28沿X轴方向的长度S＝21.54mm。

在Z轴方向，感应电极Ⅰ21、感应电极Ⅲ25与激励电极Ⅰ11正对，感应电极Ⅱ22、感应电极Ⅳ26与激励电极Ⅱ12正对，第一反射极片23与第一接收极片13正对，第二反射极片24与第三接收极片15正对，第三反射极片27与第二接收极片14正对，第四反射极片28与第四接收极片16正对。

N个定尺中的第一接收极片13、第二接收极片14、第三接收极片15、第四接收极片16分别与时栅信号处理电路的4N个信号输入端连接(即一个接收极片对应一个信号输入端，总共的4N个接收极片与4N个信号输入端一一对应连接)。测量时，A₁、B₁、C₁、D₁激励组施加相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励信号，同时A₂、B₂、C₂、D₂激励组也施加相同的相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励信号，动尺2沿X轴相对定尺组移动，各个定尺中的第一接收极片13、第二接收极片14、第三接收极片15、第四接收极片16输出的行波信号经时栅信号处理电路处理后，得到动尺2相对定尺组的绝对直线位移值S_pa。

设定沿X轴正方向，i号定尺的尾部与i+1号定尺的头部相连(即i号定尺的尾部与i+1号定尺的头部拼接在一起)。其中，i为整数，1≤i≤N-1。

如图5所示，时栅信号处理电路的处理方式为：先根据各个信号输入端是否有行波信号输入来判断动尺所处的定尺号数，再判断传感单元Ⅰ、传感单元Ⅱ所处的位置，然后根据该位置选择能用于计算的行波信号，最后利用该行波信号计算动尺2相对定尺组的绝对直线位移值S_pa。

如果动尺位于某号定尺或者某相邻两号定尺上方，则该号定尺或者该相邻两号定尺上的各接收极片会产生行波信号，并通过对应的信号输入端输入时栅信号处理电路，时栅信号处理电路就根据各个信号输入端是否有行波信号输入来判断动尺所处的定尺号数。

时栅信号处理电路根据各个定尺中的第一接收极片13、第二接收极片14、第三接收极片15、第四接收极片16输出的行波信号，来判定传感单元Ⅰ、传感单元Ⅱ所处的位置，具体为：

若i号定尺中的第一接收极片13、第二接收极片14、第三接收极片15、第四接收极片16输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，则判定传感单元Ⅰ、传感单元Ⅱ都完全位于i号定尺上方，此时编码A，可判定动尺所处定尺组空间位置为“前全后零”。

若i号定尺中的第一接收极片13、第三接收极片15输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，且i号定尺中的第二接收极片14、第四接收极片16输出的行波信号的幅值都未在预设的电压阈值范围内，且i+1号定尺中的第二接收极片14、第四接收极片16输出的行波信号的幅值都未在预设的电压阈值范围内，则判定传感单元Ⅰ完全位于i号定尺上方，且传感单元Ⅱ非完全位于i号定尺上方(包含传感单元Ⅱ部分位于i号定尺上方和传感单元Ⅱ一点儿都不位于i号定尺上方两种情况)，且传感单元Ⅱ非完全位于i+1号定尺上方(包含传感单元Ⅱ部分位于i+1号定尺上方和传感单元Ⅱ一点儿都不位于i+1号定尺上方两种情况)，此时编码B，可判定动尺所处定尺组空间位置为“前全后半”。

若i号定尺中的第一接收极片13、第三接收极片15输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，且i+1号定尺中的第二接收极片14、第四接收极片16输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，则判定传感单元Ⅰ完全位于i号定尺上方，且传感单元Ⅱ完全位于i+1号定尺上方，此时编码C，可判定动尺所处定尺组空间位置为“前半后半”。

若i+1号定尺中的第二接收极片14、第四接收极片16输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，且i号定尺中的第一接收极片13、第三接收极片15输出的行波信号的幅值都未在预设的电压阈值范围内，且i+1号定尺中的第一接收极片13、第三接收极片15输出的行波信号的幅值都未在预设的电压阈值范围内，则判定传感单元Ⅱ完全位于i+1号定尺上方，且传感单元Ⅰ非完全位于i号定尺上方(包含传感单元Ⅰ部分位于i号定尺上方和传感单元Ⅰ一点儿都不位于i号定尺上方两种情况)，且传感单元Ⅰ非完全位于i+1号定尺上方(包含传感单元Ⅰ部分位于i+1号定尺上方和传感单元Ⅰ一点儿都不位于i+1号定尺上方两种情况)，此时编码D，可判定动尺所处定尺组空间位置为“前半后全”。

若i+1号定尺中的第一接收极片13、第二接收极片14、第三接收极片15、第四接收极片16输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，则判定传感单元Ⅰ、传感单元Ⅱ都完全位于i+1号定尺上方，此时编码E，可判定动尺所处定尺组空间位置为“前零后全”。

时栅信号处理电路根据传感单元Ⅰ、传感单元Ⅱ所处的位置，选择能用于计算的行波信号的具体方式为：

如果传感单元Ⅰ、传感单元Ⅱ都完全位于i号定尺上方(即编码为A时)，则利用i号定尺中的第二接收极片14输出的行波信号U_{i_2}和i号定尺中的第四接收极片16输出的行波信号U_{i_4}计算S_pa。此种情况下，也可以利用i号定尺中的第一接收极片13输出的行波信号U_{i_1}和i号定尺中的第三接收极片15输出的行波信号U_{i_3}计算S_pa。

如果传感单元Ⅰ完全位于i号定尺上方，且传感单元Ⅱ非完全位于i号定尺上方，且传感单元Ⅱ非完全位于i+1号定尺上方(即编码为B时)，则利用i号定尺中的第一接收极片13输出的行波信号U_{i_1}和i号定尺中的第三接收极片15输出的行波信号U_{i_3}计算S_pa。

如果传感单元Ⅰ完全位于i号定尺上方，且传感单元Ⅱ完全位于i+1号定尺上方(即编码为C时)，则利用i号定尺中的第一接收极片13输出的行波信号U_{i_1}和i号定尺中的第三接收极片15输出的行波信号U_{i_3}计算S_pa。此种情况下也可以利用i+1号定尺中的第二接收极片14输出的行波信号U_{(i+1)_2}和i+1号定尺中的第四接收极片16输出的行波信号U_{(i+1)_4}计算S_pa。

如果传感单元Ⅱ完全位于i+1号定尺上方，且传感单元Ⅰ非完全位于i号定尺上方，且传感单元Ⅰ非完全位于i+1号定尺上方(即编码为D时)，则利用i+1号定尺中的第二接收极片14输出的行波信号U_{(i+1)_2}和i+1号定尺中的第四接收极片16输出的行波信号U_{(i+1)_4}计算S_pa。

如果传感单元Ⅰ、传感单元Ⅱ都完全位于i+1号定尺上方(即编码为E时)，则利用i+1号定尺中的第一接收极片13输出的行波信号U_{(i+1)_1}和i+1号定尺中的第三接收极片15输出的行波信号U_{(i+1)_3}计算S_pa。此种情况下，也可以利用i+1号定尺中的第二接收极片14输出的行波信号U_{(i+1)_2}和i+1号定尺中的第四接收极片16输出的行波信号U_{(i+1)_4}计算S_pa。

利用i号定尺中的第一接收极片13输出的行波信号U_{i_1}和i号定尺中的第三接收极片15输出的行波信号U_{i_3}，计算动尺2相对定尺组的绝对直线位移值S_pa的具体方式为：将行波信号U_{i_3}进行处理，得到传感单元Ⅰ在i号定尺上的精测直线位移值S_{i_1_3}；将行波信号U_{i_1}与行波信号U_{i_3}比相后的相位差进行处理，得到传感单元Ⅰ在i号定尺上的粗测对极定位值S_{i_13}；将精测直线位移值S_{i_1_3}与粗测对极定位值S_{i_13}相结合，得到传感单元Ⅰ在i号定尺上的绝对直线位移值S_{i_Ⅰ}；然后利用公式：S_pa＝(i-1)*(L+D_is)+S_{i_Ⅰ}，计算得到S_pa。

利用i号定尺中的第二接收极片14输出的行波信号U_{i_2}和i号定尺中的第四接收极片16输出的行波信号U_{i_4}，计算动尺2相对定尺组的绝对直线位移值S_pa的具体方式为：将行波信号U_{i_4}进行处理，得到传感单元Ⅱ在i号定尺上的精测直线位移值S_{i_2_4}；将行波信号U_{i_2}与行波信号U_{i_4}比相后的相位差进行处理，得到传感单元Ⅱ在i号定尺上的粗测对极定位值S_{i_24}；将精测直线位移值S_{i_2_4}与粗测对极定位值S_{i_24}相结合，得到传感单元Ⅱ在i号定尺上的绝对直线位移值S_{i_Ⅱ}；然后利用公式：S_pa＝(i-1)*(L+D_is)+S_{i_Ⅱ}-D_os-S，计算得到S_pa。

利用i+1号定尺中的第一接收极片13输出的行波信号U_{(i+1)_1}和i+1号定尺中的第三接收极片15输出的行波信号U_{(i+1)_3}，计算动尺2相对定尺组的绝对直线位移值S_pa的具体方式为：将行波信号U_{(i+1)_3}进行处理，得到传感单元Ⅰ在i+1号定尺上的精测直线位移值S_{(i+1)_1_3}；将行波信号U_{(i+1)_1}与行波信号U_{(i+1)_3}比相后的相位差进行处理，得到传感单元Ⅰ在i+1号定尺上的粗测对极定位值S_{(i+1)_13}；将精测直线位移值S_{(i+1)_1_3}与粗测对极定位值S_{(i+1)_13}相结合，得到传感单元Ⅰ在i+1号定尺上的绝对直线位移值S_{(i+1)_Ⅰ}；然后利用公式：S_pa＝i*(L+D_is)+S_{(i+1)_Ⅰ}，计算得到S_pa。

利用i+1号定尺中的第二接收极片14输出的行波信号U_{(i+1)_2}和i+1号定尺中的第四接收极片16输出的行波信号U_{(i+1)_4}，计算动尺2相对定尺组的绝对直线位移值S_pa的具体方式为：将行波信号U_{(i+1)_4}进行处理，得到传感单元Ⅱ在i+1号定尺上的精测直线位移值S_{(i+1)_2_4}；将行波信号U_{(i+1)_2}与行波信号U_{(i+1)_4}比相后的相位差进行处理，得到传感单元Ⅱ在i+1号定尺上的粗测对极定位值S_{(i+1)_24}；将精测直线位移值S_{(i+1)_2_4}与粗测对极定位值S_{(i+1)_24}相结合，得到传感单元Ⅱ在i+1号定尺上的绝对直线位移值S_{(i+1)_Ⅱ}；然后利用公式：S_pa＝i*(L+D_is)+S_{(i+1)_Ⅱ}-D_os-S，计算得到S_pa。

本实施例通过将N个定尺首尾依次拼接形成定尺组，从而将原本单个定尺长度为320mm的量程，扩大为N*320mm，从而实现了超大量程的绝对直线位移测量。

Claims (8)

1.一种拼接式绝对直线位移传感器，包括定尺(1)和动尺(2)，动尺的基体下表面与定尺的基体上表面正对平行安装，并留有间隙；定尺(1)的基体上表面沿Y轴正方向间隔设有接收电极I、激励电极I(11)、激励电极II(12)和接收电极II；激励电极I(11)由4M₁个大小相同、极距为W₁的矩形极片I沿X轴正方向等间距排列组成，激励电极I(11)具有A₁、B₁、C₁、D₁激励组；激励电极II(12)由4M₂个大小相同、极距为W₂的矩形极片II沿X轴正方向等间距排列组成，激励电极II(12)具有A₂、B₂、C₂、D₂激励组，M₁与M₂互为质数；接收电极I由第一接收极片(13)与第二接收极片(14)并排组成，接收电极II由第三接收极片(15)与第四接收极片(16)并排组成；设定X轴正方向为测量方向，其特征是：

所述定尺(1)有N个，N个定尺(1)沿X轴正方向首尾依次拼接，形成定尺组，定尺组的各个A₁激励组相连、各个B₁激励组相连、各个C₁激励组相连、各个D₁激励组相连、各个A₂激励组相连、各个B₂激励组相连、各个C₂激励组相连、各个D₂激励组相连；

所述动尺(2)的基体下表面沿X轴正方向设有间距为D_os的传感单元I和传感单元II，间距D_os大于相邻两个定尺之间的拼接缝沿X轴方向的宽度D_is；传感单元I由沿Y轴正方向间隔排列的第一反射极片(23)、感应电极I(21)、感应电极II(22)和第二反射极片(24)组成，传感单元II由沿Y轴正方向间隔排列的第三反射极片(27)、感应电极III(25)、感应电极Ⅳ(26)和第四反射极片(28)组成；在Z轴方向，感应电极I(21)、感应电极III(25)与激励电极I(11)正对，感应电极II(22)、感应电极Ⅳ(26)与激励电极II(12)正对，第一反射极片(23)与第一接收极片(13)正对，第二反射极片(24)与第三接收极片(15)正对，第三反射极片(27)与第二接收极片(14)正对，第四反射极片(28)与第四接收极片(16)正对；感应电极I(21)、感应电极III(25)都由M₃个大小相同、极距为4W₁的感应极片I沿X轴正方向等间距排列组成，感应电极I(21)中的M₃个感应极片I相互连接且与第一反射极片(23)相连，感应电极III(25)中的M₃个感应极片I相互连接且与第三反射极片(27)相连；感应电极II(22)、感应电极Ⅳ(26)都由M₃个大小相同、极距为4W₂的感应极片II沿X轴正方向等间距排列组成，感应电极II(22)中的M₃个感应极片II相互连接且与第二反射极片(24)相连，感应电极Ⅳ(26)中的M₃个感应极片II相互连接且与第四反射极片(28)相连；

测量时，N个定尺中的第一、第二、第三、第四接收极片(13、14、15、16)分别与时栅信号处理电路的4N个信号输入端连接，A₁、B₁、C₁、D₁激励组与A₂、B₂、C₂、D₂激励组同时施加相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励信号，动尺(2)沿X轴相对定尺组移动，各个定尺中的第一、第二、第三、第四接收极片(13、14、15、16)输出的行波信号经时栅信号处理电路处理后，得到动尺(2)相对定尺组的绝对直线位移值S_pa。

2.根据权利要求1所述的拼接式绝对直线位移传感器，其特征是：

所述第一、第二、第三、第四接收极片(13、14、15、16)都呈矩形，第一接收极片(13)的尺寸、第二接收极片(14)的尺寸、第三接收极片(15)的尺寸和第四接收极片(16)的尺寸都相同，第一、第二、第三、第四接收极片(13、14、15、16)沿X轴方向的长度与激励电极II(12)沿X轴方向的长度、激励电极I(11)沿X轴方向的长度相等，且等于L；

所述第一、第二、第三、第四反射极片(23、24、27、28)都呈矩形，第一反射极片(23)的尺寸、第二反射极片(24)的尺寸、第三反射极片(27)的尺寸和第四反射极片(28)的尺寸都相同，第一、第二、第三、第四反射极片(23、24、27、28)沿X轴方向的长度为S，d_max2≤S≤d_max1，d_max1为4W₁*M₃与4W₂*M₃中的较大值，d_max2为4W₁*M₃-d₁与4W₂*M₃-d₂中的较大值，d₁表示相邻两个感应极片I沿X轴正方向的间距，d₂表示相邻两个感应极片II沿X轴正方向的间距。

3.根据权利要求2所述的拼接式绝对直线位移传感器，其特征是：

所述感应极片I的形状、感应极片II的形状都为双正弦形或者斜余弦形或者方形或者菱形。

4.根据权利要求3所述的拼接式绝对直线位移传感器，其特征是：所述时栅信号处理电路的处理方式为：先根据各个信号输入端是否有行波信号输入来判断动尺所处的定尺号数，再判断传感单元I、传感单元II所处的位置，然后根据该位置选择能用于计算的行波信号，最后利用该行波信号计算动尺(2)相对定尺组的绝对直线位移值S_pa。

5.根据权利要求4所述的拼接式绝对直线位移传感器，其特征是：根据传感单元I、传感单元II所处的位置，选择能用于计算的行波信号的具体方式为：

如果传感单元I、传感单元II都完全位于i号定尺上方，则：利用i号定尺中的第一接收极片(13)输出的行波信号U_{i_1}和第三接收极片(15)输出的行波信号U_{i_3}计算S_pa；或者利用i号定尺中的第二接收极片(14)输出的行波信号U_{i_2}和第四接收极片(16)输出的行波信号U_{i_4}计算S_pa；

如果传感单元I完全位于i号定尺上方，且传感单元II非完全位于i号定尺上方，且传感单元II非完全位于i+1号定尺上方，则利用i号定尺中的第一接收极片(13)输出的行波信号U_{i_1}和第三接收极片(15)输出的行波信号U_{i_3}计算S_pa；

如果传感单元I完全位于i号定尺上方，且传感单元II完全位于i+1号定尺上方，则：利用i号定尺中的第一接收极片(13)输出的行波信号U_{i_1}和第三接收极片(15)输出的行波信号U_{i_3}计算S_pa；或者利用i+1号定尺中的第二接收极片(14)输出的行波信号U_{(i+1)_2}和第四接收极片(16)输出的行波信号U_{(i+1)_4}计算S_pa；

如果传感单元II完全位于i+1号定尺上方，且传感单元I非完全位于i号定尺上方，且传感单元I非完全位于i+1号定尺上方，则利用i+1号定尺中的第二接收极片(14)输出的行波信号U_{(i+1)_2}和第四接收极片(16)输出的行波信号U_{(i+1)_4}计算S_pa；

如果传感单元I、传感单元II都完全位于i+1号定尺上方，则：利用i+1号定尺中的第一接收极片(13)输出的行波信号U_{(i+1)_1}和第三接收极片(15)输出的行波信号U_{(i+1)_3}计算S_pa；或者利用i+1号定尺中的第二接收极片(14)输出的行波信号U_{(i+1)_2}和第四接收极片(16)输出的行波信号U_{(i+1)_4}计算S_pa；

其中，i为整数，1≤i≤N-1。

6.根据权利要求5所述的拼接式绝对直线位移传感器，其特征是：

利用i号定尺中的第一接收极片(13)输出的行波信号U_{i_1}和第三接收极片(15)输出的行波信号U_{i_3}，计算动尺(2)相对定尺组的绝对直线位移值S_pa的具体方式为：将行波信号U_{i_1}或者行波信号U_{i_3}进行处理，得到传感单元I在i号定尺上的精测直线位移值S_{i_1_3}；将行波信号U_{i_1}与行波信号U_{i_3}比相后的相位差进行处理，得到传感单元I在i号定尺上的粗测对极定位值S_{i_13}；将精测直线位移值S_{i_1_3}与粗测对极定位值S_{i_13}相结合，得到传感单元I在i号定尺上的绝对直线位移值S_{i_I}；然后利用公式：S_pa＝(i-1)*(L+D_is)+S_{i_}，计算得到S_pa；

利用i号定尺中的第二接收极片(14)输出的行波信号U_{i_2}和第四接收极片(16)输出的行波信号U_{i_4}，计算动尺(2)相对定尺组的绝对直线位移值S_pa的具体方式为：将行波信号U_{i_2}或者行波信号U_{i_4}进行处理，得到传感单元II在i号定尺上的精测直线位移值S_{i_2_4}；将行波信号U_{i_2}与行波信号U_{i_4}比相后的相位差进行处理，得到传感单元II在i号定尺上的粗测对极定位值S_{i_24}；将精测直线位移值S_{i_2_4}与粗测对极定位值S_{i_24}相结合，得到传感单元II在i号定尺上的绝对直线位移值S_{i_}；然后利用公式：S_pa＝(i-1)*(L+D_is)+S_{i_}-D_os-S，计算得到S_pa。

7.根据权利要求6所述的拼接式绝对直线位移传感器，其特征是：

利用i+1号定尺中的第一接收极片(13)输出的行波信号U_{(i+1)_1}和第三接收极片(15)输出的行波信号U_{(i+1)_3}，计算动尺(2)相对定尺组的绝对直线位移值S_pa的具体方式为：将行波信号U_{(i+1)_1}或者行波信号U_{(i+1)_3}进行处理，得到传感单元I在i+1号定尺上的精测直线位移值S_{(i+1)_1_3}；将行波信号U_{(i+1)_1}与行波信号U_{(i+1)_3}比相后的相位差进行处理，得到传感单元I在i+1号定尺上的粗测对极定位值S_{(i+1)_13}；将精测直线位移值S_{(i+1)_1_3}与粗测对极定位值S_{(i+1)_13}相结合，得到传感单元I在i+1号定尺上的绝对直线位移值S_{(i+1)_I}；然后利用公式：S_pa＝i*(L+D_is)+S_{(i+1)_I}，计算得到S_pa；

利用i+1号定尺中的第二接收极片(14)输出的行波信号U_{(i+1)_2}和第四接收极片(16)输出的行波信号U_{(i+1)_4}，计算动尺(2)相对定尺组的绝对直线位移值S_pa的具体方式为：将行波信号U_{(i+1)_2}或者行波信号U_{(i+1)_4}进行处理，得到传感单元II在i+1号定尺上的精测直线位移值S_{(i+1)_2_4}；将行波信号U_{(i+1)_2}与行波信号U_{(i+1)_4}比相后的相位差进行处理，得到传感单元II在i+1号定尺上的粗测对极定位值S_(i+1)-24；将精测直线位移值S_{(i+1)_2_4}与粗测对极定位值S_{(i+1)_24}相结合，得到传感单元II在i+1号定尺上的绝对直线位移值S_{(i+1)_}；然后利用公式：S_pa＝i*(L+D_is)+S_(i+1)--D_os-S，计算得到S_pa。

8.根据权利要求4至7任一项所述的拼接式绝对直线位移传感器，其特征是：

所述时栅信号处理电路根据各个定尺中的第一、第二、第三、第四接收极片(13、14、15、16)输出的行波信号，来判定传感单元I、传感单元II所处的位置，具体为：

若i号定尺中的第一、第二、第三、第四接收极片(13、14、15、16)输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，则判定传感单元I、传感单元II都完全位于i号定尺上方；

若i号定尺中的第一、第三接收极片(13、15)输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，且i号定尺中的第二、第四接收极片(14、16)输出的行波信号的幅值都未在预设的电压阈值范围内，且i+1号定尺中的第二、第四接收极片(14、16)输出的行波信号的幅值都未在预设的电压阈值范围内，则判定传感单元I完全位于i号定尺上方，且传感单元II非完全位于i号定尺上方，且传感单元II非完全位于i+1号定尺上方；

若i号定尺中的第一、第三接收极片(13、15)输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，且i+1号定尺中的第二、第四接收极片(14、16)输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，则判定传感单元I完全位于i号定尺上方，且传感单元II完全位于i+1号定尺上方；

若i+1号定尺中的第二、第四接收极片(14、16)输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，且i号定尺中的第一、第三接收极片(13、15)输出的行波信号的幅值都未在预设的电压阈值范围内，且i+1号定尺中的第一、第三接收极片(13、15)输出的行波信号的幅值都未在预设的电压阈值范围内，则判定传感单元II完全位于i+1号定尺上方，且传感单元I非完全位于i号定尺上方，且传感单元I非完全位于i+1号定尺上方；

若i+1号定尺中的第一、第二、第三、第四接收极片(13、14、15、16)输出的行波信号的幅值都在预设的电压阈值范围内，则判定传感单元I、传感单元II都完全位于i+1号定尺上方。