CN115597477B - 一种用于磁栅尺的单场扫描装置及扫描方法 - Google Patents

Abstract

一种用于磁栅尺的单场扫描装置，由M组扫描探测单元组成，每组扫描探测单元由N个微尺度霍尔元件构成。N个微尺度霍尔元件(编号为A₁，A₂，...，A_N)等间距地分布在一个磁栅尺栅距Λ内，编号相同的微尺度霍尔元件信号线连接在一起。扫描时把用于感知磁栅尺磁场变化的霍尔元件在空间彼此混合，最终输出的传感信号由多个具有不同空间位置、相同相位关系的微尺度霍尔元件共同产生，相比与现有磁栅尺四场扫描方式，其具有误差均化效应，当磁栅尺局部污染或个别感应元件失效时，本发明依旧可以输出高质量、高可靠性的传感信号，从而提高磁栅尺的服役精度和可靠性。

Description

一种用于磁栅尺的单场扫描装置及扫描方法

技术领域

本发明涉及精密位移测量技术领域，特别涉及一种用于磁栅尺的单场扫描霍尔传感微阵列。

背景技术

以光栅尺、磁栅尺等为代表的大量程精密栅类传感器，是决定制造装备精度的关键传感部件之一。光栅尺的测量精度可达亚微米级，广泛应用于数控机床、电子制造装备、半导体装备等领域。但光栅尺基于光电扫描原理进行测量，对栅尺的局部污染、灰尘、震动等敏感，因此不适用于恶劣工况。

磁栅尺基于磁电扫描原理，通过磁感应线圈测头或霍尔元件感知磁场变化来测量位移，相比于光栅尺，其具有相对更好的抗震、耐腐蚀、耐污染等特点，在精度要求不高、服役环境恶劣的场合广泛应用，如冶金、机械、石化等行业。

磁栅尺传感信号质量，是制约磁栅尺精度提升的关键问题之一。传统磁栅尺采用传统四场扫描的读数方式，如图1所示，通过空间上相互独立的四个感应元件(磁感应线圈测头或霍尔元件)来感知磁场变化，输出四路正余弦传感信号S₁～S₄。以感应元件1为基准，感应元件2、3、4与感应元件1的间距分别为(L+1/4)Λ、(L+2/4)Λ、(L+3/4)Λ，其中L为整数且L≥1。传统四场扫描方式存在以下技术缺陷：1)磁栅尺的耐污染性虽优于光栅尺，但存在栅尺局部污染时，传感信号质量、特别是四路信号一致性，会受到严重影响，降低磁栅尺服役精度。2)当个别磁感应线圈测头或霍尔元件出现故障时，传感信号会出现很大误差乃至缺失，造成磁栅尺传感系统失效。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于磁栅尺的单场扫描装置及扫描方法，相比于传统四场扫描的磁场探测方式(即通过四个独立的磁感应线圈测头或霍尔元件来感知磁场变化)，当存在磁栅尺局部污染或个别感应元件失效时，其依旧可以输出高质量、高可靠性的传感信号，因此可以显著提高磁栅尺的服役精度和可靠性。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种用于磁栅尺的单场扫描装置，所述扫描装置包括读数单元和数显装置，所述读数单元和数显装置通过数据线连接；所述读数单元和磁栅尺沿X向平行，两者沿Y向中心对齐且沿Z向间隙为0.3～2mm。所述读数单元的内部为单场扫描霍尔微阵列，所述单场扫描霍尔微阵列由M组扫描探测单元组成，每组扫描探测单元由N个微尺度霍尔元件构成，N个微尺度霍尔元件等间距地分布在一个磁栅尺栅距Λ内，每组扫描探测单元的N个微尺度霍尔元件的编号为A₁，A₂，...，A_N，编号相同的微尺度霍尔元件通过一根信号线连接在一起。

进一步地，所述微尺度霍尔元件为线性霍尔元件，尺度为0.1～0.5mm。

进一步地，M为整数，取值为3、4、5或6。

进一步地，N为整数，取值为3或4。

一种基于磁栅尺的单场扫描装置的扫描方法，所述扫描方法包括如下步骤：

S1：将读数单元与磁栅尺平行放置，之后将读数单元沿X方向对磁栅尺进行扫描，单场扫描霍尔传感微阵列感知周期性磁场变化，编号为A_i的微尺度霍尔元件输出信号，该信号的表达式为：

公式(1)中，ε为信号幅值，Λ为磁栅尺栅距，N为每组扫描探测单元包含的微尺度霍尔元件数量，x为待测位移。

S2：所述单场扫描霍尔传感微阵列最终输出N路正弦波形电信号，第i路电信号S_i为所有编号为A_i的微尺度霍尔元件输出信号I_i之和：

公式(2)中，i＝1,2,...N。被测位移量x所引起的相位变化2πx/Λ，反映为单场扫描霍尔传感微阵列输出信号S_i的强度变化。

S3：验证信号S_i的质量：

当信号S_i存在非理想特征时，就会引入位移测量误差。信号S_i的质量，用李沙育图形来表示，理想李沙育图形是一个中心在原点的圆形，即李沙育圆，当存在非理想信号特征时，李沙育图形会偏离名义李沙育圆，若李沙育图形未偏离名义李沙育圆，则证明不存在非理想信号特征。

S4：通过对输出信号S_i进行反正切细分、线性化细分等解调算法处理，获得被测位移值x。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提出的单场扫描霍尔传感微阵列，实质是把用于感知磁场变化的霍尔元件在空间彼此混合，最终输出的传感信号由多个具有不同空间位置、相同相位关系的微尺度霍尔元件共同产生，相比与现有技术(即采用相互独立的分离传感元件来探测磁场变化)，其具有误差均化效应。

2)现有分离传感元件探测方式，当磁栅尺存在局部污染时，输出信号质量、特别是多路信号一致性会受到严重影响。本发明的单场扫描霍尔传感微阵列，通过多个微尺度霍尔元件输出信号的平均作用，磁栅尺局部污染对输出信号质量及多路信号一致性的影响极为有限，进而保证了服役精度。

3)现有分离传感元件探测方式，当个别磁感应线圈测头或霍尔元件出现故障时，造成磁栅尺传感系统失效。本发明的单场扫描霍尔传感微阵列，当个别微尺度霍尔元件出现故障时，其它组微尺度霍尔元件依旧可以准确输出传感信号，提高了磁栅尺恶劣工况下的服役可靠性。

附图说明

图1为用于磁栅尺的传统四场扫描感应元件结构图；

图2为磁栅尺和读数单元的安装位置关系；

图3为本发明的用于磁栅尺的单场扫描霍尔微阵列结构图；

图4为单场扫描霍尔微阵列的结构图，其中：Λ＝2mm，M＝4，N＝4；

图5为单场扫描霍尔微阵列的输出信号波形及其李沙育图；

图6为磁栅尺局部污染时，传统四场扫描方式输出信号的波形图；

图7为磁栅尺局部污染时，单场扫描方式输出信号的波形图。

图中标号：磁栅尺—1；读数单元—2；数显单元—3；感应元件—4；单场扫描霍尔微阵列—5；微尺度霍尔元件—6。

具体实施方式

下面对本发明的实施示例作详细说明，本实施示例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种用于磁栅尺的单场扫描装置，如图2-3所示，所述扫描装置包括读数单元2和数显装置3，所述读数单元2和数显装置3通过数据线连接；所述读数单元2和磁栅尺1沿X向平行，两者沿Y向中心对齐且沿Z向间隙为0.3～2mm。所述读数单元2的内部为单场扫描霍尔微阵列5，所述单场扫描霍尔微阵列5由M组扫描探测单元组成，每组扫描探测单元由N个微尺度霍尔元件6构成，N个微尺度霍尔元件6等间距地分布在一个磁栅尺栅距Λ内，每组扫描探测单元的N个微尺度霍尔元件的编号为A₁，A₂，...，A_N，编号相同的微尺度霍尔元件6通过一根信号线连接在一起。当磁栅尺1和读数单元2沿X向相对运动时，读数单元2输出与被测位移对应的正余弦电信号，通过对正余弦电信号的解调，求得被测位移量。

优选地，所述微尺度霍尔元件6为线性霍尔元件，尺度为0.1～0.5mm。

优选地，M为整数，取值为3、4、5、或6。

优选地，N为整数，取值为3或4。

如图4-7所示，一种基于磁栅尺的单场扫描装置的扫描方法，所述扫描方法包括如下步骤：

S1：将读数单元2与磁栅尺1平行放置，之后将读数单元2沿X方向对磁栅尺1进行扫描，单场扫描霍尔传感微阵列5感知周期性磁场变化，编号为A_i的微尺度霍尔元件输出信号，该信号的表达式为：

公式(1)中，ε为信号幅值，Λ为磁栅尺栅距，N为每组扫描探测单元包含的微尺度霍尔元件数量，x为待测位移。

S2：所述单场扫描霍尔传感微阵列5最终输出N路正弦波形电信号，第i路电信号S_i为所有编号为A_i的微尺度霍尔元件输出信号I_i之和：

公式(2)中，i＝1,2,...N。由公式(2)可以看出，被测位移量x所引起的相位变化2πx/Λ，反映为单场扫描霍尔传感微阵列输出信号S_i的强度变化。

当磁栅尺存在局部污染时，对单场扫描霍尔传感微阵列输出的信号质量、特别是多路信号一致性的影响极为有限，进而保证了磁栅尺的服役精度；当单场扫描霍尔传感微阵列的个别微尺度霍尔元件出现故障时，其它组微尺度霍尔元件依旧可以准确输出传感信号，提高了磁栅尺恶劣服役工况下的可靠性。

S3：验证信号S_i的质量：

当信号S_i存在非理想特征时，就会引入位移测量误差。信号S_i的质量，用李沙育图形来表示，如图5所示，理想李沙育图形是一个中心在原点的圆形，即李沙育圆，当存在非理想信号特征时，李沙育图形会偏离名义李沙育圆，若李沙育图形未偏离名义李沙育圆，则证明不存在非理想信号特征。

S4：通过对输出信号S_i进行反正切细分、线性化细分等解调算法处理，获得被测位移值x。

实施例1

参考图4：磁栅尺栅距Λ＝2mm；单场扫描霍尔传感微阵列，由M＝4组扫描探测单元组成，每组扫描探测单元由N＝4个微尺度霍尔元件构成。则当读数单元沿X方向对磁栅尺进行扫描时，单场扫描霍尔传感微阵列输出4路正余弦电信号S_i(x)，相邻信号之间的相位差为π/2，即：

公式(3)-(6)中，ε为单个微尺度霍尔元件输出信号的幅值。对4路正余弦电信号进行差分运算，如图4所示，最终得到两路正交信号S_a(x)和S_b(x)：

由公式(7)和(8)可以看出，信号S_a(x)和S_b(x)的强度随被测位移量x而呈正余弦变化；且被测位移量x每移动一个栅距Λ，信号S_a(x)和S_b(x)变化一个正余弦周期。最为普遍地，通过对信号S_a(x)和S_b(x)进行反正切运算获得被测位移值x：

公式(9)中被测位移值x高精度解调的前提是：信号S_a(x)和S_b(x)是两路理想的相位正交(相位差π/2)的正余弦信号。因此，当信号S_a(x)和S_b(x)存在非理想特征时，就会引入位移测量误差。信号S_a(x)和S_b(x)的质量，可以用李沙育图形来表示，如图5所示，理想李沙育图形是一个中心在原点的圆形(名义李沙育圆)。当存在非理想信号特征时，李沙育图形会偏离名义李沙育圆。

图6为磁栅尺存在局部污染时，传统四场扫描方式输出信号的波形及其李沙育图。传感信号质量、特别是四路信号一致性受到严重影响，因此李沙育图形明显偏离名义李沙育圆。此外，针对传统四场扫描方式，当个别感应元件出现故障时，相应的传感信号会出现很大误差乃至缺失，造成磁栅尺传感系统失效。

图7为磁栅尺存在局部污染时，实施例1单场扫描方式输出信号的波形及其李沙育图。由于单场扫描霍尔微阵列的误差均化效应，四路信号波形及其一致性基本保持不变，因此李沙育图形与名义李沙育圆保持一致。此外，针对实施例1单场扫描方式，当个别感应元件出现故障时，其它组微尺度霍尔元件依旧可以准确输出传感信号，提高了磁栅尺恶劣工况下的服役可靠性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于磁栅尺的单场扫描装置，其特征在于，所述扫描装置包括读数单元(2)和数显装置(3)，所述读数单元(2)和数显装置(3)通过数据线连接；所述读数单元(2)和磁栅尺(1)沿X向平行，两者沿Y向中心对齐且沿Z向间隙为0.3～2mm；所述读数单元(2)的内部为单场扫描霍尔传感微阵列(5)，所述单场扫描霍尔传感微阵列(5)由M组扫描探测单元组成，每组扫描探测单元由N个微尺度霍尔元件(6)构成，N个微尺度霍尔元件(6)等间距地分布在一个磁栅尺栅距Λ内，每组扫描探测单元的N个微尺度霍尔元件的编号为A₁，A₂，...，A_N，编号相同的微尺度霍尔元件(6)通过一根信号线连接在一起。

2.如权利要求1所述的一种用于磁栅尺的单场扫描装置，其特征在于，所述微尺度霍尔元件(6)为线性霍尔元件，尺度为0.1～0.5mm。

3.如权利要求1所述的一种用于磁栅尺的单场扫描装置，其特征在于，M为整数，取值为3、4、5或6。

4.如权利要求1所述的一种用于磁栅尺的单场扫描装置，其特征在于，N为整数，取值为3或4。

5.一种基于权利要求1-4中任意一项所述的单场扫描装置的扫描方法，其特征在于，所述扫描方法包括如下步骤：

S1：将读数单元(2)与磁栅尺(1)平行放置，之后将读数单元(2)沿X方向对磁栅尺(1)进行扫描，单场扫描霍尔传感微阵列(5)感知周期性磁场变化，编号为A_i的微尺度霍尔元件输出信号，该信号的表达式为：

公式(1)中，ε为信号幅值，Λ为磁栅尺栅距，N为每组扫描探测单元包含的微尺度霍尔元件数量，x为待测位移；

S2：所述单场扫描霍尔传感微阵列(5)最终输出N路正弦波形电信号，第i路电信号S_i为所有编号为A_i的微尺度霍尔元件输出信号I_i之和：

公式(2)中，i＝1,2,...N；被测位移量x所引起的相位变化2πx/Λ，反映为单场扫描霍尔传感微阵列输出信号S_i的强度变化；

S3：验证信号S_i的质量：

当信号S_i存在非理想特征时，就会引入位移测量误差；信号S_i的质量，用李沙育图形来表示，理想李沙育图形是一个中心在原点的圆形，即李沙育圆，当存在非理想信号特征时，李沙育图形会偏离名义李沙育圆，若李沙育图形未偏离名义李沙育圆，则证明不存在非理想信号特征；

S4：通过对输出信号S_i进行反正切细分、线性化细分解调算法处理，获得被测位移值x。

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