CN116202405A - 一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及线性位移传感器测量技术领域，公开了一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，包括定尺组件、读数头和零点模块；定尺组件包括定尺及信号处理模块；读数头包括动尺及前置信号处理模块；定尺上设有激励电极，动尺上设有感应电极，激励电极和感应电极用于进行信号传输与位移测量；信号处理模块分别与前置信号处理单元及外接驱动器建立信号连接；零点模块用于判断零点位置；且定尺与动尺的安装方式为定尺与动尺对向平行设置且相隔有间隙；定尺组件通过背胶固定安装；定尺、动尺和零点模块均为PCB材质。本发明结构设置紧凑，小型化程度高，安装方便，能够适用于安装空间较小的线性位移测量场景。

Description

一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器

技术领域

本发明涉及线性位移传感器测量技术领域，具体涉及一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器。

背景技术

位移传感器用于位移测量，按照测量方式主要分为绝对式测量和增量式测量两种类型，被广泛应用于直线电机、运动平台、半导体设备、及一些专用自动化设备中。其中增量式的直线位移传感器可以将测量范围内的任何一点作为起始零点，且相比于绝对式的位移传感器成本更低，故而被广泛应用于不追求绝对定位能力的小型直线电机、运动导轨及一些自动化产线设备中。

对于这类需求，市面上主要是采用钢带作为标尺的一类传感器，但是其安装方法相对复杂且表面相对脆弱，容易被刮/磨伤以损失其功能，存在较大的优化空间。

发明内容

本发明意在提供一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，结构设置紧凑，小型化程度高，安装方便，能够适用于安装空间较小的线性位移测量场景。

本发明提供的基础方案为：一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，包括定尺组件、读数头和零点模块；所述定尺组件包括定尺及信号处理模块；所述读数头包括动尺及前置信号处理模块；所述定尺上设有激励电极，所述动尺上设有感应电极，所述激励电极和感应电极用于进行信号传输与位移测量；所述信号处理模块分别与前置信号处理单元及外接驱动器建立信号连接；所述零点模块用于判断零点位置；

且定尺与动尺的安装方式为：定尺与动尺对向平行设置且相隔有间隙；所述定尺组件通过背胶固定安装；所述定尺、动尺和零点模块均为PCB材质。

进一步，所述定尺与信号处理模块集成为定尺组件；所述定尺上的激励电极设置处的定尺宽度小于等于10mm；定尺组件的最大宽度小于等于28mm。

进一步，所述读数头的最大总宽度小于等于18mm；所述零点模块的宽度小于等于7mm。

进一步，所述信号处理模块中设有信号处理电路；所述信号处理电路包含有激励单元、信号处理单元和用于指示定尺与读数头安装间隙状态的安装指示灯单元。

进一步，所述信号处理模块还包括第一壳体；所述信号处理电路设于第一壳体内。

进一步，所述第一壳体上开设有用于观察安装状态的指示灯灯孔。

进一步，所述前置信号处理模块中设有前置信号处理电路；所述前置信号处理电路包括信号放大单元和光敏耦合单元。

进一步，所述读数头还包括第二壳体；所述动尺和前置信号处理电路设于第二壳体内；所述动尺上开设有一窗口，且所述窗口与所述前置信号处理电路的光敏耦合单元正对设置。

进一步，所述零点模块设于定尺的有激励电极分布段的一侧边；所述零点模块的正反两面分别设有黑白黑的间隔丝印和白黑白的间隔丝印。

进一步，所述定尺、动尺和零点模块均为柔性PCB材质，且所述定尺的厚度设定为1mm--1.3mm范围内；动尺21的厚度设定为1mm--1.3mm范围内；零点模块的厚度设定为0.5mm--0.9mm范围内。

本发明的工作原理及优点在于：将定尺设置在被测件的固定部件上，并使得定尺的基准边与被测件的运动轨迹保持良好的直线度关系；读数头则设置在与被测件同步做线性运动的部件上，根据用户的零点位置定义将零点模块设置在定尺周边某段位置，在开机后，当读数头带动其中的光敏单元运动到与零点模块对齐时，即可进行零点位置读取和判断。被测件相对于零点的位移被转换为读数头相对于零点模块位置的位移，进而被测件的位移将通过动尺感应电极相对于定尺激励电极之间的线性运动所产生的信号进行转换测量。在此过程中，信号处理电路发出激励信号，通过信号处理单元处理并传递于定尺的激励电极，在读数头相对于定尺运动时，动尺的感应电极经电场耦合获得行波信号，并经前置信号处理单元对信号进行放大和比较处理，再通过读数头与信号处理电路的连接导线将信号传输回信号处理电路变为数字信号并通过与驱动器连接的导线传输至驱动器端以获取当前位移。

本发明一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，结构设置简洁，能够精准测量直线位移。并且，本方案中，定尺、动尺和零点模块均为PCB材质，相比于常规采用钢带等作为标尺的一类传感器，加工精度与加工要求相对较低，更易于加工制作，且PCB材质定尺的韧性更佳，在固定标尺时能够通过对定尺涂覆背胶以进行粘贴固定，安装方式更为简洁方便。此外，标尺宽度能够进一步减小，进而能够进一步缩减传感器体积，小型化程度高，能够适用于安装空间较小的线性位移测量场景。此外，本方案还设置有第一、第二壳体，能够充分保护传感器结构，传感器运作更安全。

附图说明

图1为本发明一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器实施例一的整体结构示意图；

图2为本发明一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器实施例一的定尺结构示意图；

图3为本发明一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器实施例一的动尺结构第一示意图；

图4为本发明一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器实施例一的动尺结构第二示意图；

图5为本发明一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器实施例一的整体结构剖视图；

图6为本发明一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器实施例一的定尺与信号处理模块的连接结构示意图；

图7为本发明一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器实施例一的第一壳体及第一壳盖结构示意图；

图8为本发明一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器实施例一的第二壳体结构示意图；

图9为本发明一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器实施例二的整体结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的标记包括：定尺组件1、定尺11、激励电极111、激励焊盘112、信号处理模块12、控制盒13、第一壳体131、第一壳盖132、读数头2、动尺21、感应电极211、感应信号焊盘212、前置信号处理单元22、第二壳体23、零点模块3、感应信号线4、数据线5。

实施例一

实施例基本如附图1所示：一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，包括定尺组件1、读数头2和零点模块3。所述定尺用作测量基准；且在安装位移传感器时，读数头2与定尺11的安装方式为：读数头2与定尺11平行设置且相隔有间隙。所述零点模块3设于定尺11周边且用于判断零点位置。

所述定尺组件1包括定尺11和信号处理模块12；如附图2所示，所述定尺11上设有激励电极111和激励焊盘112。信号处理模块12安装在定尺11上，定尺与信号处理模块12集成为定尺组件2；所述定尺上的激励电极设置处的定尺11宽度小于等于10mm；定尺组件1的最大宽度小于等于28mm。本实施例中，所述定尺11为栅尺，定尺11上设有激励电极111和4个激励焊盘112，且4个激励焊盘112设于定尺11正面并分别与对应的激励电极111相连。定尺组件1通过背胶固定安装在与被测件运动轨迹平行的固定平面上，固定方便且连接紧密。

所述信号处理模块12中设有信号处理电路；所述信号处理电路包含有激励单元、信号处理单元和用于指示定尺11与读数头2安装间隙状态的安装指示灯单元。具体地，由激励模块产生4路正交的激励信号，由信号处理单元处理感应信号，由安装指示灯单元指示定尺组件1和读数头2间的安装状态。具体地，本实施例中，安装指示灯单元包含了三种指示状态，分别表示定尺11和读数头2间的安装间隙合适、安装间隙偏低和安装间隙偏高三种状态。信号处理模块12上设有两个插座，通过焊接与栅尺的激励焊盘112相连，且信号处理模块12比栅尺窄，进而，信号处理模块12置于栅尺的激励接收端正上方时两边留有空隙，能够为第一壳体131留出安装空间。信号处理模块12的数据对接焊盘上还焊连有数据线5，通过数据线5完成测试数据的传输

所述信号处理模块12还包括第一壳体131；信号处理电路设于第一壳体131内。具体地，如附图7所示，第一壳体131配备有第一壳盖132；第一壳盖132的对角处开设有通孔；第一壳盖132与第一壳体131通过螺钉连接锁付在第一壳体131上，进而组成完整的控制盒13，能够较好地保护信号处理单元12。并且，如附图5所示，第一壳体131的底部设有台阶面，定尺11设于台阶面下。所述第一壳体131上开设有用于观察情况指示灯模块的灯孔。第一壳体131的尾端设有两个半圆形出线槽，用于线束的过线。

所述读数头2包括动尺21、前置信号处理模块22和第二壳体23。所述动尺21上设有感应电极211；且前置信号处理模块22安装在动尺21上。所述前置信号处理模块22与信号处理模块12通过感应信号线4建立信号连接；所述前置信号处理模块22中设有前置信号处理电路；所述前置信号处理电路包括信号放大单元和光敏耦合单元。感应信号线4的一端与信号处理单元通过焊盘连接，另一端与信号放大单元通过焊盘连接。在位移传感器安装中，定尺11与动尺21的安装方式为：定尺11与动尺21对向平行设置且相隔有间隙。

具体地，本实施例中，前置信号处理模块22设于动尺21背面的正上方，且与动尺21背面通过半孔焊盘焊接相连。如附图3和图4所示，动尺21的正面一侧分布有感应电极211，正面另一侧设有一个方形窗口，该窗口与前置信号处理电路的光敏耦合单元正对设置，用于露出前置信号处理模块22的光敏耦合单元。动尺21的背面设有3个感应信号焊盘212。

所述动尺21和前置信号处理电路均设于第二壳体23内。如附图8所示，所述第二壳体23的底部开口，且第二壳体23内腔的底部设有一层台阶；所述动尺21设于台阶面下方；该台阶处可安置动尺21，并遮蔽动尺21上方的前置信号处理模块22，如附图5所示。第二壳体23的顶部和侧边处各设有一组螺纹安装孔，可用于安装紧固读数头2，且可支持竖向安装和正向安装。第二壳体23上还分布有两个灌封口，该灌封口用于注射液体胶水，以堵塞第二壳体23与动尺21之间的间隙，进而保证二者连接紧密并起到防护前置信号处理电路的作用。第二壳体23上还分布有一个程序下载孔，用于程序软件的调试；以便于后续程序更新。

所述定尺11、动尺21和零点模块均为PCB材质，且为柔性PCB材质；且此材质条件下，定尺11的厚度设定为1mm--1.3mm范围内，本实施例中，具体设定为1.2mm；动尺21的厚度同样设定为1mm--1.3mm范围内，本实施例中，具体设定为1.2mm；零点模块的厚度设定为0.5mm--0.9mm范围内，本实施例中，具体设定为0.7mm。在此厚度条件下，定尺11、动尺21和零点模块的尺寸均缩限到最优状态，并且定尺11的柔韧性表现较佳，且不易断裂；零点模块占用空间较小的同时，可保证后续光敏信号的感知灵敏。整体传感器在安装时，对空间的占用度极小。

所述零点模块3的宽度小于等于7mm。所述零点模块3设于定尺的有激励电极111分布段的一侧边；且零点模块的正反两面分别设有黑白黑的间隔丝印和白黑白的间隔丝印。实际应用中，可根据位移传感器安装现场的定尺粘贴面反光程度，选择合适的零点模块工作面，兼容性较强。

在具体应用中，将定尺11沿其基准边沿，平行安装于与被测件运动轨迹平行的固定平面上。控制盒13(即第一壳体131+第一壳盖132)固定安装在定尺11上，定尺11的底部/背面采用背胶粘贴固定在与被测件运动轨迹平行的固定平面上。零点模块设置在定尺周边作为零点位置。将读数头2与被测件通过螺钉锁附连接，且使得读数头2的基准边与被测件的运动轨迹保持良好的直线度关系。在读数头2与被测件同步做直线往复运动时，被测件的线性运动经读数头2运动模拟出。在读数头2运动过程中，前置信号处理模块22中的光敏单元在感应到零点位置后，输出电压信号，通过感应线传输到信号处理模块12上进行零点判断。

经信号处理模块12所输入的激励信号通过排针传递于定尺11，如附图6所示，在读数头2相对于定尺运动时，动尺21的电极经信号感应产生行波，并经感应信号线4传输给前置信号处理模块22进行处理，以获得读数头2相对于定尺的增量信号。再经感应信号线4反馈至信号处理模块12，信号处理模块12将转换的位移经数据线5对外输出以达到测量被测件的运动位移的目的。

本实施例提供的一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，能够精准测量直线位移，整体结构设置简洁，操作方便，小型化程度高。在位移测量过程中，可保证各结构跟随被测件的运动更顺畅，测量过程更稳定，得到的位移数据更为可靠。

特别的是，本方案中定尺11、动尺21和零点模块均为柔性PCB材质，相比于钢带、玻璃带等常规材质组件，常规组件由于材质较硬，不耐刮蹭，故而在制作为标尺时，对加工精度、加工环境的要求较高，例如时栅位移传感器中关键要素——标尺上极片(激励电极111和感应电极211)的设置，常规加工中则需要采用刻印设备在钢带表面进行刻画，而此过程中，若要保证刻印得到的极片运作有效，则要保证每一处刻印均匀、连贯且无多余磨损。在机械刻印机器精度有限的现实条件下，上述要求实际难以保证，并且，这也阻碍了标尺尺寸的缩小(要求供刻画的面积足够大，需额外留有机器操作空间)。本方案则突破性的替换了标尺(以及零点模块)的材质，不再采用常规的钢带或玻璃带，而是改用柔性PCB，充分利用柔性PCB的本身特性，采用电子刻印形成极片，可保证刻印绝对均匀、完整、连贯，刻印精度足够，制得的极片较优；进一步地，标尺的宽度尺寸也可大大缩小，节省了常规需额外留给机器的操作空间；并且，在实际应用中，此材质标尺能够一定程度上抵抗刮蹭，能够适用于恶劣工作场景。

并且，本方案中将此材质的定尺11宽度及厚度、动尺21宽度及厚度、零点模块宽度均做了具体限制，此限制为特定的尺寸范围限制。在本实施例所限制的厚度范围，对应的柔性PCB韧性表现最优，具备一定的曲折空间，可弯折调整的同时，可保证标尺(特别是定尺11)安装在固定平台等上时，整个标尺尺身可保持绝对平整，保证位移测定准确，并且整体的传感器尺寸控制到最小。结合到具体应用中，特别是对于精密加工而言，加工机器设置精密，对于加工进给量的要求极高，加工机器配备的小型直线电机、运动导轨等上所留有的空余空间极小，常规传感器往往无法与之兼容，而本方案所提供的的传感器可完美适配此类场景，适应性较强。

实施例二

一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，与实施例一的区别在于，在控制盒13(第一壳体131+第一壳盖132)内部仅保留信号处理模块12的激励单元，剩余单元单独设置在控制盒13外；在定尺11(栅尺)上仅保留激励焊盘112，以使得控制盒13悬空，将能有效节省因控制盒13占用的空间，并增大有效测量行程，如附图9所示。

本实施例提供的一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，相比于实施例一，控制盒13所占空间更小，能够实现结构紧凑小型化；测量行程更大。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (10)

1.一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，包括定尺组件、读数头和零点模块；其特征在于，所述定尺组件包括定尺及信号处理模块；所述读数头包括动尺及前置信号处理模块；所述定尺上设有激励电极，所述动尺上设有感应电极，所述激励电极和感应电极用于进行信号传输与位移测量；所述信号处理模块分别与前置信号处理单元及外接驱动器建立信号连接；所述零点模块用于判断零点位置；

且定尺与动尺的安装方式为：定尺与动尺对向平行设置且相隔有间隙；所述定尺组件通过背胶固定安装；所述定尺、动尺和零点模块均为PCB材质。

2.根据权利要求1所述的一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，其特征在于，所述定尺与信号处理模块集成为定尺组件；所述定尺上的激励电极设置处的定尺宽度小于等于10mm；定尺组件的最大宽度小于等于28mm。

3.根据权利要求2所述的一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，其特征在于，所述读数头的最大总宽度小于等于18mm；所述零点模块的宽度小于等于7mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，其特征在于，所述信号处理模块中设有信号处理电路；所述信号处理电路包含有激励单元、信号处理单元和用于指示定尺与读数头安装间隙状态的安装指示灯单元。

5.根据权利要求4所述的一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，其特征在于，所述信号处理模块还包括第一壳体；所述信号处理电路设于第一壳体内。

6.根据权利要求5所述的一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，其特征在于，所述第一壳体上开设有用于观察安装状态的指示灯灯孔。

7.根据权利要求1所述的一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，其特征在于，所述前置信号处理模块中设有前置信号处理电路；所述前置信号处理电路包括信号放大单元和光敏耦合单元。

8.根据权利要求7所述的一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，其特征在于，所述读数头还包括第二壳体；所述动尺和前置信号处理电路设于第二壳体内；所述动尺上开设有一窗口，且所述窗口与所述前置信号处理电路的光敏耦合单元正对设置。

9.根据权利要求1所述的一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，其特征在于，所述零点模块设于定尺的有激励电极分布段的一侧边；所述零点模块的正反两面分别设有黑白黑的间隔丝印和白黑白的间隔丝印。

10.根据权利要求1所述的一种基于线性位移测量的紧凑式直线位移传感器，其特征在于，所述定尺、动尺和零点模块均为柔性PCB材质，且所述定尺的厚度设定为1mm--1.3mm范围内；动尺21的厚度设定为1mm--1.3mm范围内；零点模块的厚度设定为0.5mm--0.9mm范围内。

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