CN1173151C - 栅式位移传感器 - Google Patents

Abstract

一种栅式位移传感器，包括动尺与定尺，将定、动尺在0-360度一圈范围内或相同长度范围内的栅线数设计为不相等，用它们的栅线数之差实现等效栅线数的大幅度增加，等效栅线数λ满足关系式：λ＝NN′/n，其中N为动尺栅线数，N′为定尺栅线数，N′＞N，n为N和N′的最大公约数，同时本发明还利用动、定尺栅线数差之间的关系，实现对ni(i＝1，2，…)次以外的各次周期性误差的消除，使精度大幅度提高。本发明改变了现有技术中一道栅线产生一个脉冲的现状，可以用较少的栅线获得更高的分辨率进行位移精密测量，所设计的差线栅位移传感器易于加工、结构简单、成本低廉、抗干扰性强。

Description

栅式位移传感器

技术领域

本发明属于几何量精密测量领域，涉及一种位移精密测量装置。

背景技术

常用栅式位移传感器往往利用其运动过程中某种物理量有规律的周期性变化而形成沿空间均匀分布的“栅线”，从而可以通过对栅线的计数而得到位移量。如光栅利用莫尔条纹的明暗变化，磁栅利用录制的NS极磁场变化，齿栅利用齿顶齿槽引起测头磁通量变化，容栅利用极板面积变化引起电容量的周期性变化等。现有的栅式位移传感器，动尺和定尺的密度相同，或者说在相同距离内栅线数相同，限于空间刻线密度有限，分辨力亦有限，不能满足工程测量要求。即栅式传感器的一个共同问题在于空间栅线数难以进一步提高，因此必须对原始信号再加以电子细分才能满足工程应用的分辨力要求，这会造成系统复杂，成本高，出故障的可能性增大，对运动匀速性提出较苛刻的要求等一系列弊端。

发明内容

本发明的目的在于改变现有技术中一道栅线产生一个脉冲的现状，可以用较少的栅线获得更高的分辨率，为此提出了一种利用动、定尺栅线数之差实现等效栅线数的放大，即利用较少的刻线实现更多的“等效栅线”的新传感器—差线栅位移传感器。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下，

一种栅式位移传感器，包括动尺与定尺，将定、动尺在0-360度一圈范围内或相同长度范围内的栅线数设计为不相等，用它们的栅线数之差实现等效栅线数的大幅度增加，等效栅线数λ满足关系式： $\mathrm{\λ}={\mathrm{NN}}^{\′}/n,$ 其中N为动尺栅线数，N′为定尺栅线数，N′＞N，n为N和N′的最大公约数。

所述的栅式位移传感器，均布的n路信号叠加，可消除除ni(i＝1，2，…)次以外的各次周期性误差。

所述的栅式位移传感器，其特征在于栅线宽占空比的选取应依据下列结论：

(1)当S_N＝0.5时，Y_(x)的振幅A等于W_N′与其最接近的特殊栅线宽kG(k＝0，1，…，q)的差值与最大公约数n的乘积，即

                 A＝|W_N′-Gk|·n(k＝0，1，…，q)          (1)

(2)当定尺栅线宽为特殊栅线宽 $W_{{\mathrm{KN}}^{\′}}=\frac{G}{2}(2k-1)$ (k＝1，2，…，q)且S_N＝0.5时，两尺重合角变化曲线Y_(x)的形状为三角波，振幅A达到最大，且

$A=\frac{G}{2}n----\left(2\right)$

其中  N-动尺栅线数  N′-定尺栅线数，且设N′＞N  n-N和N′的最大公约数

      W_N-动尺栅线宽占空角           W_N′-定尺栅线宽占空角

      S-占空比，S∈[0，1]

      λ-放大后的等效栅线数           G-分辨力，

      Y-两尺总重合角

      Y_(x)-重合角变化曲线(波变曲线)

      A-波变曲线振幅(峰峰值)，A＝Y_max-Y_min

      q-W_N′的特殊值个数相关值， $q=\frac{W_{N^{\′}\max }}{G}=\frac{N}{n}$

以下以齿栅为例，进一步说明本发明的技术方案：

1 利用栅线差实现等效栅线数增加

齿栅是以内外同轴齿轮的齿顶总重合面积为变量，该变量可以引起电容、电感等电量的规则变化从而构成栅式传感器。

如图1所示，假设有一对内外相对的内齿1-2和外齿1-1，内外齿数分别为100，齿顶宽与齿槽宽相同，各为1/2齿距。当有相对运动时(统一为外齿固定、内齿转动)，显然在内外齿对齐或称完全重合时两齿轮重合总面积最大，随着内外齿逐渐错开，此面积逐渐减小，而到齿顶和齿槽相对时重合面积为零，再逐渐加大形成循环，运动一周内共变化100次，故形成100道栅线。若将内外齿视为两个极板，这也正是容栅传感器的原理，电容值C随角度变化的曲线如图2所示，W为栅距角，这里W＝360°/100＝36°。

而如图3所示，我们设计外齿3-1的齿数为101，内齿3-2的齿数仍为100。设某一时刻，仅齿1和齿1′重合对齐(指占空角位置最大程度接近)，则其它所有齿均不能完全重合，而是依次错开了1/100，2/100，……，99/100个外齿距。当内齿转动1/101内齿距时，仅齿2与齿2′对齐；再转1/101内齿距，仅齿3与齿3′对齐……，如此转动101次即1个内齿距后，齿1与齿2对齐，完成一个小循环，而100次小循环后，即内齿转动100个内齿距也就是一周后，完成一个大循环。因此在这一周中，共发生100×101＝10100次对齐状态。如果把内外两个齿轮当作两个极板或绕制成两个线圈，则齿间的电容量或电感量有可能在一周运动内发生10100次与图2相似的周期性变化从而形成放大了的栅线数(之所以说“有可能”，是因为虽然单个齿重合状态发生了变化，但在有些情况下两齿轮的重合总面积会保持不变，这与齿预齿槽占的比例多大有关，后面将详细讨论)。

比较图1和图3，也就是比较普通刻线和差线式刻线，可以看出：在相同的机械刻线密度情况下，后者获得了比前者大得多的等效栅线数。

2 利用不同的栅线差提高精度

不难看出，图1重合面积的周期性变化，均匀地在一周内100个齿同时发生，具有平均效应，对提高精度有明显好处。而图3的重合面积周期性变化，每次都发生在一个齿上，并且这个齿的具体位置是逆着内齿轮的旋转方向逐齿递变。由于不具备平均效应，机械制造误差将不折不扣地反映出来，精度较差。补救的方法是调整齿数。

例如取内齿数为4，外齿数为6，则每次将同时有2个齿发生对齐的状况，如图4所示，且2个齿互差180°，这2个齿的具体位置逆着内齿轮的旋转方向逐齿递变，但始终保持互差180°。在这种情况下，重合面积的周期性变化在一周内将发生4×6/2次(每经过30°发生一次)，即等效栅线数为12线/周。

再例如取内齿数为8，外齿数为12，则每次将同时有4个齿发生对齐的状况，且4个齿互差90°，这4个齿的具体位置逆着内齿轮的旋转方向逐齿递变，但始终保持互差90°。在这种情况下，重合面积的周期性变化在一周内将发生8×12/4次，即等效栅线数为24线/周。

从以上两例可以看出，适当选择齿数，可以得到多读数头对径读数的效果，从而对制造误差和安装偏心等几何误差起到很好的抑制抵消作用。

3 栅线宽占空比计算方法

在实际设计中可以发现差栅有许多独特的规律。如齿数和齿数差的选择可以决定有无齿同时对齐或有多少齿同时对齐，从而对精度和等效栅线数产生重要影响；再如齿宽的选择可以决定重合总面积有无变化、变化大小和变化规律，从而对感应电信号的波形产生重要影响等等。其详细推导如下：

i)定义

N-内齿数  N′-外齿数，且设N′＞N  n-N和N′的最大公约数

W_N-内齿宽占空角            W_N′-外齿宽占空角

S-占空比，S∈[0，1]

λ-放大后的等效栅线数      G-分辨力，

Y-两齿轮总重合角，用重合角度代替上述重合面积来表示物理量的周期性变化。

Y_(x)-重合角变化曲线(波变曲线)

y_i-第i对齿轮重合角度      x-两齿轮相对的角位移

A-波变曲线振幅(峰峰值)，A＝Y_max-Y_min

q-W_N′的特殊值个数相关值， $q=\frac{W_{N^{\′}\max }}{G}=\frac{N}{n}$

W_K′N′-特殊齿宽值

ii)结论

(1)当N和N′的最大公约数为n，则等效栅线数 $\mathrm{\λ}={\mathrm{NN}}^{\′}/n,$ 即Y_(x)在一周内的周期变化数为

次。

(2)N和N′的最大公约数为n，则在转动过程中有n对齿的重合状态相同，这n对齿的位置随转动依次递变(顺转动方向或逆转动方向)，但总是保持处于互差360°/n的几何对称位置。

这个结论非常重要，若n＝2，就相当于2个读数头对径读数，可消除除2i(i＝1，2，…)次以外的各次周期性误差；若n＝4，就相当于4个读数头对径读数，可消除除4i次以外的各次周期性误差；均布的n路信号叠加，可消除除ni次以外的各次周期性误差^[2]，故可以对制造和安装误差引起很好的抵消作用。而不利影响在于n越大，等效栅线数λ越小。

(3)当外齿宽为特殊齿宽 $W_{{\mathrm{KN}}^{\′}}=\frac{G}{2}(2k-1)$ (k＝1，2，…，q)且S_N＝0.5时，两齿轮重合角变化曲线Y_(x)的形状为三角波，振幅A达到最大，且

$A=Y_{\max }-Y_{\min }=\frac{G}{2}n----\left(1\right)$

从有利于信号拾取的角度看，我们希望A越大越好，可以得到更大的电容或电感变化量，从而得到更强的电信号。

(4)当外齿宽 $W_{N^{\′}}\≠\frac{G}{2}(2k-1)$ (k＝1，2，…，q)且S_N＝0.5时，Y_(x)的振幅A等于W_N′与其最接近的特殊齿宽kG(k＝0，1，…，q)的差值与最大公约数n的乘积，即

               A＝|W_N′-Gk|·n(k＝0，1，…，q)    (3)且随着W_N′与其最接近的特殊齿宽值W_kN′差值越来越小，重合角变化曲线将由脉冲波逐渐变为三角波，且幅值A越来越大。

上述结论为差线栅传感器设计中齿数、齿宽的选取提供了理论依据。实际设计中，要兼顾等效栅线数和多读数头对径读数而合理选择齿数。齿数确定后，应尽量选取符合结论(3)的齿宽。

以上描述是以角度测量为例的。如果是直线测量，差栅的刻线方式与游标卡尺类似，但游标卡尺需靠肉眼识别刻线对齐，差栅则可以通过发出更多的脉冲数而用计数器计数并显示。因此上述差线栅原理完全适用于直线位移的测量。

本发明用较少的栅线获得更高的分辨率进行位移精密测量，用该发明设计的差线栅位移传感器易于加工、结构简单、成本低廉、抗干扰性强。

附图说明

图1：齿栅传感器，1-1-外齿 1-2-内齿；

图2：容栅传感器电容变化曲线，W-栅距角；

图3：差线栅位移传感器，3-1-外齿 3-2-内齿；

图4：2齿同时对齐的例子；

图5：差线栅角位移传感器，5-1-定齿轮 5-2-动齿轮。

图6：差线栅直线位移传感器，6-1-定尺 6-2-动尺。

具体实施方式

如图5所示，设计定齿轮5-1齿数为100，动齿轮5-2齿数为96，则n＝4，等效栅线数λ＝100×96/4＝2400线/周，对径4读数头读数，消除了除4i(i＝1，2，…)次以外的各次周期性误差。按栅线宽占空比计算方法选取合适的动、定齿轮齿顶宽，把动定两个齿轮当作两个极板或绕制成两个线圈，则齿间的电容量或电感量在一周运动内发生2400次与图2相似的周期性变化从而形成放大了的栅线数。按此方法设计的差线栅位移传感器，消除了除4i次以外的各次周期性误差，分辨率G＝0.15°，即用不大于100条的栅线实现了普通栅式位移传感器需用2400条栅线才能达到的分辨率。

如图6所示，设计定尺6-1齿数为104，动尺6-2齿数为96，则n＝8，等效栅线数λ＝104×96/8＝1248线/L，对径8读数头读数，消除了除8i(i＝1，2，…)次以外的各次周期性误差。按栅线宽占空比计算方法选取合适的内、外齿顶宽，把内外两个齿轮当作两个极板或绕制成两个线圈，则齿间的电容量或电感量在一周运动内发生1248次与图2相似的周期性变化从而形成放大了的栅线数。按此方法设计的差线栅位移传感器，消除了除8i次以外的各次周期性误差，且用不大于104条的栅线实现了普通栅式位移传感器需用1248条栅线才能达到的分辨率。

Claims (3)

1.一种栅式位移传感器，包括定尺与动尺，其特征在于：定、动尺在0-360度一圈范围内或相同长度范围内的栅线数不相等，它们的栅线数之差实现了等效栅线数的大幅度增加，等效栅线数λ满足关系式： $\mathrm{\λ}={\mathrm{NN}}^{\′}/n,$ N为动尺栅线数，N′为定尺栅线数，N′＞N，n为N和N′的最大公约数。

2.权利要求1所述的栅式位移传感器，其特征在于用均布的n路信号叠加，消除除ni(i＝1，2，…)次以外的各次周期性误差。

3.据权利要求1所述的栅式位移传感器，其特征在于栅线宽占空比的选取应依据下列结论：

(1)当S_N＝0.5时，Y_(x)的振幅A等于W_N′与其最接近的特殊栅线宽kG(k＝0，1，…，q)的差值与最大公约数n的乘积，即

                    A＝|W_N′-Gk|·n(k＝0，1，…，q)        (1)

(2)当定尺栅线宽为特殊栅线宽 $W_{{\mathrm{KN}}^{\′}}=\frac{G}{2}(2k-1)$ (k＝1，2，…，q)且S_N＝0.5时，两尺重合角变化曲线Y_(x)的形状为三角波，振幅A达到最大，且

$A=\frac{G}{2}n---\left(2\right)$

其中N-动尺栅线数N′-定尺栅线数，且设N′＞Nn-N和N′的最大公约数

    W_N-动尺栅线宽占空角            W_N′-定尺栅线宽占空角

    S-占空比，S∈[0，1]  

    λ-放大后的等效栅线数           G-分辨力，

    Y-两尺总重合角

    Y_(x)-重合角变化曲线(波变曲线)

    A-波变曲线振幅(峰峰值)，A＝Y_max-Y_min

    q-W_N的特殊值个数相关值， $q=\frac{W_{N^{\′}\max }}{G}=\frac{N}{n}$

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