專利名稱：一種時柵角位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于位移精密測量傳感器。
背景技術(shù)：
直線位移和角位移測量是最基本、最普通的測量。為了兼顧測量分辨率和量 程，許多位移傳感器采用了在基體上精密刻線的柵式結(jié)構(gòu)，如光柵、磁柵等，對 其在運動過程中發(fā)出的脈沖信號進行累加計數(shù)，即實現(xiàn)位移測量。高精度高密度 的刻線引起很多問題， 一方面刻線越密，就越容易受到污染。無論怎么密封保護， 在生產(chǎn)現(xiàn)場惡劣工況下，其微小的粉塵水氣都可能污染柵線，使之計數(shù)失效。另 一方面，刻線不可能無限地密，而現(xiàn)有的密度遠不能滿足分辨力的要求，因此被 迫普遍采用電子細分箱，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。加上高精度的刻線工藝，使成本居高不 下。綜上所述，現(xiàn)有柵式位移傳感器存在的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高、抗干擾力差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于角位移測量的時 柵角位移傳感器，不用精密刻線，不用電子細分箱，而以時鐘脈沖作為位移計量 基準(zhǔn)，因而結(jié)構(gòu)簡單、成本低、分辨力高、抗干擾力強。
本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種時柵角位移傳感器，傳感器具有外圓基體和內(nèi)圓基體構(gòu)成繞制線圈的 骨架，在外圓基體的內(nèi)周壁和內(nèi)圓基體的外周壁上等分開槽； 一基體上繞有激勵 線圈，另一基體上繞有感應(yīng)線圈；感應(yīng)線圈與激勵線圈相對運動；激勵線圈連接 激勵電源，激勵信號和感應(yīng)線圈輸出的電信號分別連接到放大電路，再經(jīng)整形電 路整形后，由數(shù)字比相器進行相位比較；兩路信號的相位差由插補的時鐘脈沖個 數(shù)表示，再換算成角位移值，直接或經(jīng)微處理器及存儲器處理后作角位移數(shù)據(jù)顯 示。
所述傳感器，還有另兩種形式 一種是在一基體上共同繞有激勵線圈和第一
感應(yīng)線圈，另一基體上繞有第二感應(yīng)線圈。第一感應(yīng)線圈與激勵線圈保持空間位 置不變，第二感應(yīng)線圈與激勵線圈相對運動。激勵線圈連接激勵電源，在兩組感 應(yīng)線圈上分別獲得頻率相同而相位固定的和變化的兩路電信號，兩路輸出的電信 號分別連接放大電路，再經(jīng)整形電路整形后，由數(shù)字比相器進行相位比較；兩路 信號的相位差由插補的時鐘脈沖個數(shù)表示，再換算成角位移值，直接或經(jīng)微處理 器及存儲器處理后作角位移數(shù)據(jù)顯示。
還有一種是再設(shè)置一與外圓基體或內(nèi)圓基體保持空間位置不變、并具有等分 開槽的第三基體，將激勵線圈和第一感應(yīng)線圈分別繞在這兩個相對位置不動的基 體上，另一基體上繞有第二感應(yīng)線圈；第一感應(yīng)線圈與激勵線圈保持空間位置不 變，第二感應(yīng)線圈與激勵線圈相對運動，信號處理方式與第二種結(jié)構(gòu)一樣。
上述三種結(jié)構(gòu)，第二、三種結(jié)構(gòu)因為與激勵線圈的空間位置保持一致的感應(yīng) 線圈產(chǎn)生感應(yīng)信號的頻率相位與激勵電源的頻率相位是一致的，所以此感應(yīng)線圈 可以省略，而成為第一種結(jié)構(gòu)，由激勵電源直接提供或通過某電器件(如變壓器) 提供一路信號參與比相，這樣一來，結(jié)構(gòu)更簡化，但精度可能會受到一些干擾影 響，適用于一些精度要求不高的場合。
作為傳感器的信號發(fā)生裝置的基體和線圈等可以按傳統(tǒng)方式獨立成為一個 單元部件，而將后續(xù)信號處理電路組成一個電器箱。也可以把處理電路連同微處 理器一起集成為一個傳感器整體。計數(shù)器結(jié)果可以直接輸出為數(shù)據(jù)或圖形，也可 以交由微處理器處理，從而構(gòu)成智能化的傳感器。本傳感器可與高精度的其它同 類傳感器例如高精度光柵傳感器進行比對實驗，在進行比對實驗時，可將其全程 系統(tǒng)誤差記錄下來，固化在本傳感器系統(tǒng)的存儲器中，進行誤差修正。在實際使 用時，給出的位移數(shù)據(jù)將會是已將傳感器系統(tǒng)誤差扣除后的更精確值，使傳感器 精度進一步提高。
本傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、分辨力高、抗干擾力強、易于產(chǎn)品化的優(yōu)點。


圖1是時柵角位移傳感器繞線骨架基體的三種結(jié)構(gòu)組合形式示意圖； 圖2是時柵角位移傳感器的信號發(fā)生與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的原理圖3是時柵角位移傳感器的基體及繞組部分示意圖。
具體實施例方式
參見圖1 (a)，此為本傳感器的第一種結(jié)構(gòu)原理，它具有相對運動的外圓基 體1和內(nèi)圓基體2構(gòu)成繞制線圈的骨架，外圓基體1上繞有激勵線圈3，內(nèi)圓基 體2上繞有第二感應(yīng)線圈4，感應(yīng)線圈與激勵線圈也隨基體相對運動，由激勵源 直接生成一路比相信號，與第二感應(yīng)線圈4信號比相。
參見圖1 (b)，此為本傳感器的第二種結(jié)構(gòu)原理，它具有相對運動的外圓基 體1和內(nèi)圓基體2構(gòu)成繞制線圈的骨架，外圓基體1上繞有激勵線圈3和第一感 應(yīng)線圈5，內(nèi)圓基體2上繞有第二感應(yīng)線圈4，激勵線圈3與第一感應(yīng)線圈5相 對不動，但第二感應(yīng)線圈4與激勵線圈3及第一感應(yīng)線圈5相對運動，由與激勵 線圈3共基體的第一感應(yīng)線圈5生成一路信號，與第二感應(yīng)線圈4信號比相。
參見圖1 (c)，此為本傳感器的第三種結(jié)構(gòu)原理，它具有相對運動的外圓基 體1和內(nèi)圓基體2構(gòu)成繞制線圈的骨架，另還有與外圓基體1相對不動的第三基 體6，外圓基體1上繞有激勵線圈3，第三基體6上繞有第一感應(yīng)線圈5，內(nèi)圓 基體2上繞有第二感應(yīng)線圈4，激勵線圈3與第一感應(yīng)線圈5相對不動，但第二 感應(yīng)線圈4與激勵線圈3及第一感應(yīng)線圈5相對運動，由繞在第三基體6上并與 外圓基體1保持位置一致的第一感應(yīng)線圈5生成一路信號，與第二感應(yīng)線圈4 信號比相。
本傳感器的原理如圖2所示，當(dāng)激勵線圈通過多相交流電流時，將在兩個感 應(yīng)線圈上分別得到與激勵電源同頻率的交變信號，測量時與激勵線圈保持同樣位 置而無相對運動的感應(yīng)線圈信號保持相位固定不變；而另一感應(yīng)線圈信號則隨反 應(yīng)被測運動的基體的位移而產(chǎn)生相位移動，這一部分作為信號發(fā)生裝置。激勵線 圈連接激勵電源，在兩組感應(yīng)線圈上分別獲得頻率相同而相位固定的和變化的兩 路電信號，兩路輸出的電信號分別連接放大電路，再經(jīng)整形電路整形后，由數(shù)字 比相器進行相位比較；兩路信號的相位差由插補的時鐘脈沖個數(shù)表示，再換算成 角位移值，經(jīng)微處理器及存儲器處理后作角位移數(shù)據(jù)、圖形顯示、打印，這一部 分作為信號處理電路和智能化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。若沒有設(shè)置與激勵線圈相對固定的 感應(yīng)線圈，則可直接釆用激勵信號和感應(yīng)線圈輸出的電信號分別連接到放大電
路，后續(xù)信號處理是一樣的。
參見圖3(a)，此為時柵角位移傳感器的基體及繞組示意圖，其激勵線圈繞 制方法與交流電機結(jié)構(gòu)相似。若以外殼為定子7即靜止基體，則內(nèi)軸為轉(zhuǎn)子8 即運動基體(根據(jù)工作情況，也可以外殼為轉(zhuǎn)子，內(nèi)軸為定子，二者保持相對運 動即可)。首先在定子7上按傳統(tǒng)的多極交流電機繞線方法或"幾"字形或"8" 字形繞法繞制多極多相激勵線圈(圖中為A、 B、 C三相)；然后按上述第二種形 式即圖l(b)結(jié)構(gòu)在其上再繞一組定感應(yīng)線圈(未畫出，與動感應(yīng)線圈相似，有些 情況下可省略就變成第一種形式即圖1 (a)結(jié)構(gòu))；最后在轉(zhuǎn)子8上以與定感應(yīng)線 圈相同的跨距繞一組動感應(yīng)線圈9。定子、轉(zhuǎn)子的繞線骨架可以采用在基體上鉆 孔開槽的方法，如圖3(a)所示，也可以采用分別用兩排不同直徑的圓柱10或圓 球在基體上排列，如圖3(b)所示，直徑大的圓柱或圓球緊密排列固定成為緊靠 基體的一層，直徑小的排列固定在兩大直徑的圓柱體或球體之間的各個槽中，形 成另一層，從而自然形成等分開槽的繞線骨架。定感應(yīng)線圈可以與激勵線圈共用 骨架(即圖l(b)形式)，也可以單獨繞在另一骨架上，而兩骨架保持相對位置不 變(即圖l(c)形式)。感應(yīng)線圈由l個或多個有效感應(yīng)線圈串聯(lián)或并聯(lián)組成。"有 效"的意思是指該線圈的信號對總信號而言是加強而不是削弱。感應(yīng)線圈設(shè)計符 合下述3個原則中的任一個或全部
① 參加串、并聯(lián)的多個有效線圈按空間均勻分布；
② 其個數(shù)與激勵線圈極對數(shù)有關(guān)若極對數(shù)為"，則線圈個數(shù)為n或2w或 能用"整除；
③ 每一個線圈的匝數(shù)相等、信號幅值相等、相位相同(或者相位相反再反 接)。這時角位移的計算公式為
<formula>formula see original document page 7</formula> (1)
其中e—角位移，常數(shù)，『一線圈節(jié)距(單位為角度值)，r一信號 周期，/—激勵電源頻率，Ar—測得的時間差，Zp,—時鐘脈沖累積數(shù)。
權(quán)利要求
1、一種時柵角位移傳感器，傳感器具有外圓基體和內(nèi)圓基體構(gòu)成繞制線圈的骨架，在外圓基體的內(nèi)周壁和內(nèi)圓基體的外周壁上等分開槽；其特征在于一基體上繞有激勵線圈，另一基體上繞有感應(yīng)線圈；感應(yīng)線圈與激勵線圈相對運動；激勵線圈連接激勵電源，激勵信號和感應(yīng)線圈輸出的電信號分別連接到放大電路，再經(jīng)整形電路整形后，由數(shù)字比相器進行相位比較；兩路信號的相位差由插補的時鐘脈沖個數(shù)表示，再換算成角位移值，直接或經(jīng)微處理器及存儲器處理后作角位移數(shù)據(jù)顯示。
2、 一種時柵角位移傳感器，傳感器具有外圓基體和內(nèi)圓基體構(gòu)成繞制線圈 的骨架，在外圓基體的內(nèi)周壁和內(nèi)圓基體的外周壁上等分開槽；其特征在于一基 體上共同繞有激勵線圈和第一感應(yīng)線圈，另一基體上繞有第二感應(yīng)線圈，第一感 應(yīng)線圈與激勵線圈保持空間位置不變，第二感應(yīng)線圈與激勵線圈相對運動；激勵 線圈連接激勵電源，在兩組感應(yīng)線圈上分別獲得頻率相同而相位固定的和變化的 兩路電信號，兩路輸出的電信號分別連接放大電路，再經(jīng)整形電路整形后，由數(shù) 字比相器進行相位比較；兩路信號的相位差由插補的時鐘脈沖個數(shù)表示，再換算 成角位移值，直接或經(jīng)微處理器及存儲器處理后作角位移數(shù)據(jù)顯示。
3、 一種時柵角位移傳感器，傳感器具有外圓基體和內(nèi)圓基體構(gòu)成繞制線圈 的骨架，在外圓基體的內(nèi)周壁和內(nèi)圓基體的外周壁上等分開槽；其特征在于還設(shè) 置一與外圓基體或內(nèi)圓基體保持空間位置不變、并具有等分開槽的第三基體，將 激勵線圈和第一感應(yīng)線圈分別繞在這兩個相對位置不動的基體上，另一基體上繞 有第二感應(yīng)線圈；第一感應(yīng)線圈與激勵線圈保持空間位置不變，第二感應(yīng)線圈與 激勵線圈相對運動；激勵線圈連接激勵電源，在兩組感應(yīng)線圈上分別獲得頻率相 同而相位固定的和變化的兩路電信號，兩路輸出的電信號分別連接放大電路，再 經(jīng)整形電路整形后，由數(shù)字比相器進行相位比較；兩路信號的相位差由插補的時 鐘脈沖個數(shù)表示，再換算成角位移值，直接或經(jīng)微處理器及存儲器處理后作角位 移數(shù)據(jù)顯示。
4、 如權(quán)利要求l、 2或3所述的時柵角位移傳感器，其特征在于感應(yīng)線圈由 1個或多個有效感應(yīng)線圈串聯(lián)或并聯(lián)組成，有效是指該線圈的信號對總信號而言 是加強而不是削弱；當(dāng)激勵線圈的極對數(shù)為w時，各有效感應(yīng)線圈的組成符合以 下三項原則中的任意項或全部線圈位置按空間均布；線圈個數(shù)為"或2w或能 用M整除；線圈信號幅值相等及相位相同或相反再反接。
5、 如權(quán)利要求4所述的時柵角位移傳感器，其特征在于基體上的等分開槽 是用兩種不同直徑的圓柱體或球體分兩層排列而形成，直徑大的緊密排列固定成 為緊靠基體的一層；直徑小的排列固定在兩大直徑的圓柱體或球體之間的各個槽 中，形成另一層，從而自然形成等分的開槽。
6. 如權(quán)利要求5所述的時柵角位移傳感器，其特征在于所述存儲器中固化 有本時柵位移傳感器與其它高精度傳感器進行比對實驗后得到的全程系統(tǒng)誤差 數(shù)據(jù)，用于誤差修正。
全文摘要
本發(fā)明提出一種時柵角位移傳感器，屬于位移精密測量裝置。傳感器具有外圓基體和內(nèi)圓基體構(gòu)成繞制線圈的骨架，在外圓基體的內(nèi)周壁和內(nèi)圓基體的外周壁上等分開槽；其特征在于一基體上繞有激勵線圈，另一基體上繞有感應(yīng)線圈；感應(yīng)線圈與激勵線圈相對運動；激勵線圈連接激勵電源，激勵信號和感應(yīng)線圈輸出的電信號分別連接到放大電路，再經(jīng)整形電路整形后，由數(shù)字比相器進行相位比較；兩路信號的相位差由插補的時鐘脈沖個數(shù)表示，再換算成角位移值，直接或經(jīng)微處理器及存儲器處理后作角位移數(shù)據(jù)顯示。所述傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、分辨力高、抗干擾力強、易于產(chǎn)品化的優(yōu)點。
文檔編號G01B7/30GK101363709SQ200810070400
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月27日
發(fā)明者劉小康, 張興紅, 彭東林, 王先全, 淳 董, 陳錫侯 申請人:重慶工學(xué)院