CN1335481A - 一种大量程位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大量程位移传感器,短音圈的动圈式音圈电机(1)的骨架(6)两端分别装有二块第一簧片(12,12’),第一簧片(12)与音圈电机(1)的动子(7)连接在一起,测头(2)位于音圈电机(1)的下方,它包括保持架(13)、位于保持架上的电感传感器(14)和位于测头最下端的触针(17),保持架(13)与音圈电机(1)的骨架(6)的下端相连,触针(17)通过二块位于保持架(13)上的第二簧片(18,18’)与电感铁芯(16)相连,电感传感器(14)依次通过电感信号处理电路(3)、A/D转换电路(4)和计算机(5)相联;计算机(5)通过D/A转换电路(51)与音圈电机(1)相联。本发明可实现表面形貌的大量程、高精度测量,且结构简单、使用方便、成本低廉。

Description

一种大量程位移传感器

技术领域

本发明涉及一种位移传感器，该传感器可实现表面形貌及轮廓的大量程、高精度测量。

背景技术

表面形貌测量用的传感器一般存在量程大、精度低，而精度高则量程小的问题。国内外学者一直在寻求一种量程大、精度高的传感器。目前已有的传感器主要有二种：一是利用步进电机扩大量程，当测量信号超出范围时，使用步进电机使测头上升或下降，从而使测量信号变小，量程得以扩大。这种方法的缺点是因步进电机的运动精度和控制精度低，测量力也不便控制，从而导致整体精度降低。二是利用压电陶瓷(PZT)和超低膨胀系数的玻璃陶瓷、电容传感器，采用PI反馈控制电路进行调节。这种方法的精度较高，测量力可控制到很小，但成本高，制造困难，且测量范围不大。D.G.Chetwynd等学者在“A controlled-force stylus displacement probe”(Precision Engineering 19：105-111，1996)一文中介绍了一种位移探头，即位移传感器。该位移传感器主要由电磁力调节器、片簧挂钩支承和差动电容传感器组成。该位移器的精度高，但其量程如文章中所说，只有几个微米，仍然存在着量程不够大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于表面形貌测量的大量程、高精度的位移传感器。该传感器不仅可实现表面形貌的大量程、高精度测量，而且结构简单、使用方便、成本低廉。

为实现上述发明目的，大量程位移传感器，包括执行机构、信号处理电路、计算机和控制电路，执行机构为短音圈的动圈式音圈电机，信号处理电路为A/D转换电路，控制电路为D/A转换电路；音圈电机的骨架两端分别装有二块第一簧片，上面的第一簧片与位于其下方的音圈电机的动子连接在一起，音圈电机的下方设置有测头，测头包括保持架、位于保持架上的电感传感器和位于测头最下端的触针，保持架与音圈电机的骨架的下端相连，触针通过二块位于保持上的第二簧片与电感传感器的电感铁芯相连，电感传感器依次通过电感信号处理电路、A/D转换电路和计算机相联；计算机通过D/A转换电路与音圈电机相联。

与对比文献中提出的位移传感器相比，本发明的位移传感器，除具有同等程度的精度外，本发明还实现了大量程。对比文献中的位移传感器其量程只能达到几个微米，而本发明的量程最大可达到几个毫米。本发明的另一个主要特点是结构简单，成本低廉。对比文献中的位移传感器使用了昂贵的材料(即Zerodur material)，因而成本过高。

本发明采用音圈电机作为执行机构，因而没有传动机械的磨损，并具有噪声低、结构简单、工作频率高等优点。短音圈的动圈式音圈电机与其它音圈电机相比，又具有二个主要特点：其一是运动部分重量较低、瞬变响应好；其二是动圈较短，因而电感量很小，有利于提高控制系统的动态稳定性，并可简化相应补偿网络的设计。加之，测头与音圈电机的合理组合，使本发明装置实现了对表面形貌的高精度、大量程测量。依测头的电感量程不同，精度有所不同，但其最大量程可达到几个毫米。同时，本发明装置测量中的测量力小(为μN级)，几乎可以忽略，因而具有接触式与非接触式位移传感器的共同优点。并且本发明的位移传感器结构简单、制造简便和成本低廉。

附图说明

下面结合附图为本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明大量程位移传感器的结构示意图；

图2为图1中音圈电机和测头的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明装置包括短音圈的动圈式音圈电机1、测头2、依次相连的电感信号处理电路3、A/D转换电路4、A/D转换电路51和计算机5。音圈电机1为执行机构，可以选用市售的短音圈的动圈式音圈电机。此外，本发明装置也可以采用其它类型的音圈电机，如长音圈的动圈式音圈电机，但其精度受到影响。音圈电机1的主要结构如图2所示，主要包括骨架6、动子7、磁钢8、铁柱9、线圈10和外壳11，骨架6的两端分别与第一簧片12、12’连接在一起，动子7与第一簧片12相连。当使用本发明装置时，将上、下第一簧片12、12’固定于支架上，也就相当于将动子7通过上、下第一簧片12、12’安装于支架上。如图2所示，测头2位于音圈电机1的下方，它包括保持架13、位于保持架上的电感传感器14和位于测头最下端的触针17，电感传感器14包括电感线圈15和电感铁芯16。保持架13与音圈电机1的骨架6的下端相连，触针17通过二块位于保持架13上的第二簧片18，18’与电感传感器14的电感铁芯16相连，电感传感器14依次通过电感信号处理电路3、A/D转换电路4和计算机5相联；计算机5通过D/A转换电路51与音圈电机1相联。

由于整个测头2通过第一簧片12、12’与音圈电机1的动子7联在一起，当给电机线圈10加上不同的电压时，动子7会处于不同的位置，测头2加在被测工件上的力也不同。动子运动带动整个测头运动，测头上的电感传感器14将触针17感受到的位移信号转变为电信号，该电信号依次经过电感信号处理电路3和A/D转换电路4送至计算机5。电感信号处理电路3应具有高稳定性、低噪声和高分辨率，电感传感器在预先设定的满量程时，对应的A/D转换输出也为满量程时，计算机改变加在音圈电机1上的线圈10上的电压，使动子7上升或下降，动子7每次的调整量都能由计算机通过控制算法(如PID控制算法)确定，然后通过D/A电路51改变加在线圈10上的电压，从而使电感传感器工作在其量程范围内，也使测量力得到调整。由于能根据A/D转换值判断测量力的大小，相应地调整音圈电机，且电感传感器量程很小，因而采用这种反馈控制的原理能使测量力被调整到微小的范围，基本保持恒定值，从而不损坏被测表面。

通过不断地上升和下降音圈电机的动子可使量程扩大，而标准量采用小量程的电感传感器，表面形貌的变化是从电感传感器累积读得的，因而精度得以保证，同时实现大量程和高精度。

Claims (1)

1.一种大量程位移传感器，包括执行机构、信号处理电路、计算机和控制电路，其特征在于：所述的执行机构为短音圈的动圈式音圈电机(1)，所述信号处理电路为A/D转换电路(4)，所述控制电路为D/A转换电路(51)；音圈电机(1)的骨架(6)两端分别装有二块第一簧片(12，12’)，第一簧片(12)与位于其下方的音圈电机(1)的动子(7)连接在一起，音圈电机(1)的下方设置有测头(2)，测头(2)包括保持架(13)、位于保持架上的电感传感器(14)和位于测头最下端的触针(17)，保持架(13)与音圈电机(1)的骨架(6)的下端相连，触针(17)通过二块位于保持架(13)上的第二簧片(18，18’)与电感传感器(14)的电感铁芯(16)相连，电感传感器(14)依次通过电感信号处理电路(3)、A/D转换电路(4)和计算机(5)相联；计算机(5)通过D/A转换电路(51)与音圈电机(1)相联。

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