CN114608431B - 一种双层正弦式时栅直线位移传感器 - Google Patents

一种双层正弦式时栅直线位移传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双层正弦式时栅直线位移传感器，包括动尺和与动尺正对平行且留有气隙的定尺，动尺包括动尺基体、设在动尺基体上的感应单元和覆盖在感应单元上的动尺绝缘层，定尺包括定尺基体、设在定尺基体上的激励单元和覆盖在激励单元上的定尺绝缘层。激励单元采用双列式、双层互补型结构，第一、第二激励线圈的单个极距内形成空间类矩形线圈，能有效地抑制端部效应，提高磁场均匀度，提高传感器的测量精度；感应单元采用双列式、双层结构，第一、第二感应线圈的单个极距内形成封闭的双正弦形线圈，能增强感应信号的强度，提高感应信号幅值。

Description

一种双层正弦式时栅直线位移传感器
技术领域
本发明属于精密测量传感器技术领域，具体涉及一种双层正弦式时栅直线位移传感器。
背景技术
近年来，国内研制出一种利用时钟脉冲Δt构成测量基准的位移传感器，其分辨率不依赖于超高精度刻线，分辨率取决于高频时钟脉冲所对应的空间当量。磁场式时栅位移传感器利用闭合导线切割矩形式通电导线所产生的均匀磁场形成行波，再从行波中抽离出位移量。
目前，已研制出的磁场式时栅直线位移传感器包括机加工线槽式传感器和MEMS工艺式传感器，机加工线槽式传感器工艺复杂、成本高，MEMS工艺传感器成本低且加工精度高。但现有的MEMS工艺传感器(比如CN106338234A公开的一种双列式时栅直线位移传感器)，仍然存在如下问题：(1)激励线圈为单层结构的矩形波形式，单极内矩形通电线圈缺少一条边，会产生端部效应，端部效应会破坏均匀磁场，降级均匀磁场有效面积，导致激励线圈产生的磁场均匀度较低，从而影响传感器的测量精度；(2)感应线圈为单层结构的半周期半正弦波形式，感应信号较弱。
发明内容
本发明的目的是提供一种双层正弦式时栅直线位移传感器，以抑制端部效应，提高磁场均匀度，提高传感器的测量精度。
本发明所述的双层正弦式时栅直线位移传感器，包括动尺和与动尺正对平行且留有气隙的定尺，所述动尺包括动尺基体、设在动尺基体上的感应单元和覆盖在感应单元上的动尺绝缘层，所述定尺包括定尺基体、设在定尺基体上的激励单元和覆盖在激励单元上的定尺绝缘层。设定X方向为测量方向，平行于定尺基体且垂直于X方向为Y方向，垂直于定尺基体的方向为Z方向。
所述激励单元包括第一激励线圈和第二激励线圈。第一激励线圈由两条方波形导线段串联形成，两条方波形导线段分别布于两层，且其起始端作为余弦激励信号输入端、终止端通过引线连接，两条方波形导线段的绕制曲线分别为：
Figure BDA0003569910880000011
Figure BDA0003569910880000012
第二激励线圈由两条方波形导线段串联形成，两条方波形导线段分别布于两层，且其起始端作为正弦激励信号输入端、终止端通过引线连接，两条方波形导线段的绕制曲线分别为：
Figure BDA0003569910880000021
Figure BDA0003569910880000022
第一激励线圈的起始位置与第二激励线圈的起始位置在X方向上错开/>
Figure BDA0003569910880000023
在Y方向上间隔2h+L。其中，h表示方波的幅值，L表示第一激励线圈与第二激励线圈在Y方向上的间距，i依次取0至M-1的所有整数，M表示激励单元的对极数。
所述感应单元包括第一感应线圈和第二感应线圈，第一感应线圈与第一激励线圈在Z方向上正对平行，第二感应线圈与第二激励线圈在Z方向上正对平行。第一激励线圈、第二激励线圈中通入两相对称激励电流，当动尺与定尺发生相对运动时，第一感应线圈输出一路感应信号、第二感应线圈输出一路感应信号，两路感应信号经处理得到动尺相对于定尺的直线位移值。
优选的，所述第一感应线圈由沿X方向绕制的起始位置相同、幅值为A、周期为W、周期个数为N、相位互差180°的两条正弦导线段串联形成，两条正弦导线段分别布于两层，且其起始端通过过孔连接、终止端作为第一感应信号输出端。所述第二感应线圈由沿X方向绕制的起始位置相同、幅值为A、周期为W、周期个数为N、相位互差180°的两条正弦导线段串联形成，两条正弦导线段分别布于两层，且其起始端通过过孔连接、终止端作为第二感应信号输出端。第一感应线圈的起始位置与第二感应线圈的起始位置在X方向上对齐、在Y方向上间隔m；其中，m＝2h+L。
优选的，所述第一感应线圈、第二感应线圈输出的两路感应信号经叠加后形成一路行波信号，该路行波信号与激励信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到动尺相对于定尺的直线位移值。
优选的，所述第一感应线圈、第二感应线圈输出的两路感应信号先经滤波放大电路滤波、放大后，再经加法电路叠加形成一路行波信号，该路行波信号与激励信号经整形电路整形成方波后，再进行比相。
本发明具有如下效果：
(1)激励单元采用双列式、双层互补型结构，第一、第二激励线圈的单个极距内形成空间类矩形线圈，有效地抑制了端部效应，提高了磁场均匀度，提高了传感器的测量精度。
(2)感应单元采用双列式、双层结构，第一、第二感应线圈的单个极距内形成封闭的双正弦形线圈，与现有的半周期半正弦波形线圈相比，增强了感应信号的强度，提高了感应信号幅值，解决了感应信号弱的问题，更有利于直线位移的测量。
附图说明
图1为本实施例中双层正弦式时栅直线位移传感器的结构示意图。
图2为本实施例中某时刻感应单元与激励单元正对的位置关系图。
图3为本实施例中第一、第二激励线圈的绕线示意图。
图4为本实施例中第一、第二感应线圈的绕线示意图。
图5为本实施例中的信号处理原理框图。
具体实施方式
如图1至图4所示，本实施例中的双层正弦式时栅直线位移传感器，包括动尺1和定尺2，动尺1与定尺2在Z方向上正对平行且留有0.4mm的气隙(间隙)。
如图1、图2、图3所示，定尺2包括定尺基体21、设在定尺基体21上的激励单元和覆盖在激励单元上的定尺绝缘层24，定尺绝缘层24可以避免激励单元裸露，定尺基体21的厚度为1mm，采用非导磁体材料。设定X方向为测量方向，平行于定尺基体21且垂直于X方向为Y方向，垂直于定尺基体21的方向为Z方向。激励单元包括第一激励线圈22和第二激励线圈23。第一激励线圈22由两条方波形导线段串联形成，两条方波形导线段分别布于两层，且其起始端作为余弦激励信号输入端、终止端通过引线连接，两条方波形导线段的绕制曲线分别为：
Figure BDA0003569910880000031
第二激励线圈23由两条方波形导线段串联形成，两条方波形导线段分别布于两层，且其起始端作为正弦激励信号输入端、终止端通过引线连接，两条方波形导线段的绕制曲线分别为：
Figure BDA0003569910880000032
第一激励线圈22的起始位置与第二激励线圈23的起始位置在X方向上错开/>
Figure BDA0003569910880000033
在Y方向上间隔2h+L。其中，h表示方波的幅值，L表示第一激励线圈22与第二激励线圈23在Y方向上的间距，i为整数，i依次取0至M-1的所有整数，M表示激励单元的对极数。本实施例中M的取值为10。
如图1、图2、图4所示，动尺1包括动尺基体11、设在动尺基体11上的感应单元和覆盖在感应单元上的动尺绝缘层14，动尺绝缘层14可以避免感应单元裸露，动尺绝缘层14、定尺绝缘层24还可以隔离激励单元和感应单元，避免二者直接导通。动尺基体11的厚度为1mm，采用非导磁体材料。感应单元包括第一感应线圈12和第二感应线圈13。第一感应线圈12由沿X方向绕制的起始位置相同、幅值为A、周期为W、周期个数为N(本实施例中N的取值为4)、相位互差180°的两条正弦导线段串联形成，两条正弦导线段分别布于两层，两条正弦导线段的起始端通过过孔连接，两条正弦导线段的终止端作为第一感应信号输出端。第二感应线圈13由沿X方向绕制的起始位置相同、幅值为A、周期为W、周期个数为N、相位互差180°的两条正弦导线段串联形成，两条正弦导线段分别布于两层，两条正弦导线段的起始端通过过孔连接，两条正弦导线段的终止端作为第二感应信号输出端。第一感应线圈12的起始位置与第二感应线圈13的起始位置在X方向上对齐、在Y方向上间隔m；其中，m＝2h+L，h＞A。
如图1、图2所示，第一感应线圈12与第一激励线圈22在Z方向上正对平行，第二感应线圈13与第二激励线圈23在Z方向上正对平行。第一激励线圈22中通入余弦激励电流ic＝Imcos(ωt)(对应于余弦激励信号Uc)，第二激励线圈23中通入正弦激励电流is＝Imsin(ωt)(对应于正弦激励信号Us)。
测量时，动尺1与定尺2发生相对运动，第一感应线圈12输出第一感应信号，第一感应信号经滤波放大电路滤波、放大后，得到电动势e1：
Figure BDA0003569910880000041
第二感应线圈13输出第二感应信号，第二感应信号经滤波放大电路滤波、放大后，得到电动势e2：
Figure BDA0003569910880000042
/>
如图5所示，将电动势e1、电动势e2接入加法电路，经叠加后输出一路行波信号Uo：
Figure BDA0003569910880000043
其中，ω为激励信号频率，/>
Figure BDA0003569910880000044
λ为比例常数，Im为激励电流幅值，x表示动尺1相对于定尺2移动的直线位移值。
行波信号Uo与激励信号Us、Uc同频率，Uo的相位随着第一、第二感应线圈的运动发生周期性变化，将行波信号Uo与余弦激励信号Uc接入整形电路，整形成方波后，再送入FPGA进行比相、换算，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到动尺1相对于定尺2的直线位移值x。

Claims (4)

1.一种双层正弦式时栅直线位移传感器，包括动尺(1)和与动尺正对平行且留有气隙的定尺(2)，所述动尺(1)包括动尺基体(11)、设在动尺基体上的感应单元和覆盖在感应单元上的动尺绝缘层(14)，所述定尺(2)包括定尺基体(21)、设在定尺基体上的激励单元和覆盖在激励单元上的定尺绝缘层(24)；设定X方向为测量方向，平行于定尺基体且垂直于X方向为Y方向，垂直于定尺基体的方向为Z方向；其特征在于：
所述激励单元包括第一激励线圈(22)和第二激励线圈(23)；第一激励线圈(22)由两条方波形导线段串联形成，两条方波形导线段分别布于两层，且其起始端作为余弦激励信号输入端、终止端通过引线连接，两条方波形导线段的绕制曲线分别为：
Figure FDA0003569910870000011
第二激励线圈(23)由两条方波形导线段串联形成，两条方波形导线段分别布于两层，且其起始端作为正弦激励信号输入端、终止端通过引线连接，两条方波形导线段的绕制曲线分别为：/>
Figure FDA0003569910870000012
Figure FDA0003569910870000013
第一激励线圈(22)的起始位置与第二激励线圈(23)的起始位置在X方向上错开/>
Figure FDA0003569910870000014
在Y方向上间隔2h+L；其中，h表示方波的幅值，L表示第一激励线圈(22)与第二激励线圈(23)在Y方向上的间距，i依次取0至M-1的所有整数，M表示激励单元的对极数；
所述感应单元包括第一感应线圈(12)和第二感应线圈(13)，第一感应线圈(12)与第一激励线圈(22)在Z方向上正对平行，第二感应线圈(13)与第二激励线圈(23)在Z方向上正对平行；第一、第二激励线圈(22、23)中通入两相对称激励电流，当动尺(1)与定尺(2)发生相对运动时，第一、第二感应线圈(12、13)输出两路感应信号，经处理得到动尺(1)相对于定尺(2)的直线位移值。
2.根据权利要求1所述的双层正弦式时栅直线位移传感器，其特征在于：所述第一感应线圈(12)由沿X方向绕制的起始位置相同、幅值为A、周期为W、周期个数为N、相位互差180°的两条正弦导线段串联形成，两条正弦导线段分别布于两层，且其起始端通过过孔连接、终止端作为第一感应信号输出端；所述第二感应线圈(13)由沿X方向绕制的起始位置相同、幅值为A、周期为W、周期个数为N、相位互差180°的两条正弦导线段串联形成，两条正弦导线段分别布于两层，且其起始端通过过孔连接、终止端作为第二感应信号输出端；第一感应线圈(12)的起始位置与第二感应线圈(13)的起始位置在X方向上对齐、在Y方向上间隔m；其中，m＝2h+L。
3.根据权利要求1或2所述的双层正弦式时栅直线位移传感器，其特征在于：所述第一、第二感应线圈(12、13)输出的两路感应信号经叠加后形成一路行波信号，该路行波信号与激励信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到动尺(1)相对于定尺(2)的直线位移值。
4.根据权利要求3所述的双层正弦式时栅直线位移传感器，其特征在于：所述第一、第二感应线圈(12、13)输出的两路感应信号先经滤波放大电路滤波、放大后，再经加法电路叠加形成一路行波信号，该路行波信号与激励信号经整形电路整形成方波后，再进行比相。
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