一種電磁柵尺結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型是一種電磁柵尺結(jié)構(gòu)，包括電磁柵尺尺身、導(dǎo)電柵線、感應(yīng)柵線、感應(yīng)探針，導(dǎo)電柵線和感應(yīng)柵線均刻在電磁柵尺尺身上，且兩條導(dǎo)電柵線互相平行設(shè)置，若干感應(yīng)柵線互相平行設(shè)置在兩條導(dǎo)電柵線之間，感應(yīng)柵線的兩端連接兩條平行的導(dǎo)線柵線，直流電源的正負(fù)極分別通過(guò)導(dǎo)線連接兩條平行的導(dǎo)電柵線，為兩條平行的導(dǎo)電柵線和感應(yīng)柵線提供電源構(gòu)成回路，感應(yīng)探針裝設(shè)在感應(yīng)柵線的上方，且感應(yīng)探針沿平行于導(dǎo)電柵線的方向上運(yùn)動(dòng)，微電勢(shì)檢測(cè)電路分別與感應(yīng)探針及電勢(shì)參考點(diǎn)相連，微電勢(shì)檢測(cè)電路還與采集控制系統(tǒng)相連。本實(shí)用新型可靠性高，測(cè)量精度高，能檢測(cè)納米級(jí)別的位移，能讀取小于光波波長(zhǎng)柵距，能測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)的物體位移、方向及其速度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種電磁柵尺結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實(shí)用新型是一種電磁柵尺結(jié)構(gòu)，屬于電磁柵尺結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]位移傳感器已經(jīng)廣泛用于精密測(cè)量、自動(dòng)定位、跟蹤測(cè)試和光學(xué)信息處理等領(lǐng)域。位移傳感器的優(yōu)劣、精度的高低、成本的大小、制造效率的高低將直接影響測(cè)量?jī)x器的精度和性能。當(dāng)前廣泛運(yùn)用的位移測(cè)量傳感器有光柵尺和磁柵尺。
[0003]利用光柵來(lái)進(jìn)行位移測(cè)量要追朔到上個(gè)世紀(jì)50年代，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)問(wèn)里，僅僅被天文學(xué)家和物理學(xué)家作為衍射元件應(yīng)用于光譜分析和光波波長(zhǎng)的測(cè)定，最開(kāi)始是基于雙光柵的莫爾條紋(Moire fringes)技術(shù),其柵距在20um左右,精度一般為幾個(gè)微米,但是隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在的光柵柵距可以達(dá)到0.8um，分辨力達(dá)到lnm。在生產(chǎn)、制造業(yè)的發(fā)展中扮演了重要角色。納米級(jí)的光柵測(cè)量是采用衍射光柵，光柵柵距是Ium或0.8um，柵線的寬度與光的波長(zhǎng)很接近，則產(chǎn)生衍射和干涉現(xiàn)象能形成莫爾條紋，其測(cè)量的原理稱(chēng)干涉原理?，F(xiàn)階段的衍射光柵尺主要為增量式光柵尺。增量式光柵的測(cè)量原理是將光源透射過(guò)一個(gè)光柵尺運(yùn)動(dòng)副，兩光柵尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)可形成摩爾條紋，對(duì)此摩爾條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)、細(xì)分，得到周期內(nèi)的位移變化量，并通過(guò)在光柵上設(shè)定的參考點(diǎn)來(lái)確定整周期的絕對(duì)位置，在增量式光柵位移測(cè)量系統(tǒng)中，應(yīng)先設(shè)定一個(gè)參考點(diǎn)，這個(gè)參考點(diǎn)標(biāo)記為零位，絕對(duì)位移量則是通過(guò)對(duì)參考點(diǎn)的相對(duì)位移累加獲得的。增量式光柵傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械平均壽命長(zhǎng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、精度較高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是也具有不足，增量式光柵傳感器只能輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的相對(duì)位置，每次斷電或者重新開(kāi)機(jī)時(shí)需要設(shè)定參考點(diǎn)，同時(shí)信號(hào)處理方式存在一定的細(xì)分誤差。在現(xiàn)代機(jī)加行業(yè)中，大多采用光柵傳感器來(lái)進(jìn)行位置反饋裝置。由于光柵尺能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行全閉環(huán)控制，降低滾珠絲杠熱變形等原因引起的誤差，提高加工精度，所以目前中高檔數(shù)控系統(tǒng)越來(lái)越多地采用光柵尺作為線位移反饋元件。
[0004]我國(guó)光柵數(shù)顯技術(shù)的發(fā)展從上世紀(jì)80年代以數(shù)顯技術(shù)改造傳統(tǒng)的機(jī)床行業(yè)為起點(diǎn)，目前，安裝于中高檔數(shù)控機(jī)床全閉環(huán)用的絕對(duì)式光柵尺全部依賴(lài)進(jìn)口，這已經(jīng)成為制約我國(guó)高檔數(shù)控機(jī)床發(fā)展的技術(shù)“瓶頸”之一。國(guó)內(nèi)封閉式玻璃光柵尺的最大測(cè)量長(zhǎng)度為3m,準(zhǔn)確度有± 15 μ m、± 10 μ m、±5 μ m和±3 μ m,分辨力有5 μ m、I μ m和0.1 μ m,速度為60m/min，主要應(yīng)用于手動(dòng)數(shù)顯機(jī)床。要實(shí)現(xiàn)量程上百毫米、納米級(jí)分辨率的位移測(cè)量，只有部分激光干涉類(lèi)和光柵類(lèi)位移測(cè)量?jī)x器可以勝任。但激光干涉儀對(duì)環(huán)境條件的要求苛刻，致使應(yīng)用受限。而光柵式測(cè)長(zhǎng)儀器雖已有成型產(chǎn)品，但主要來(lái)自國(guó)外公司，這些產(chǎn)品不但價(jià)格不菲，部分高精度的產(chǎn)品對(duì)中國(guó)地區(qū)的銷(xiāo)售存在著諸多限制。
[0005]在納米測(cè)量技術(shù)上，由于受到很多技術(shù)的限制，如:
[0006]I)硬件條件限制，高線數(shù)大長(zhǎng)度的光柵刻制困難，體現(xiàn)在測(cè)長(zhǎng)上就是測(cè)量分辨力與量程的矛盾；測(cè)量精度與光柵的刻制精度有直接的關(guān)系，因此受光柵加工工藝的影響比較大；光柵測(cè)量系統(tǒng)的性能與承載它的機(jī)械結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，精密的機(jī)械系統(tǒng)是光柵測(cè)量法實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量的重要保證，而且一千倍以上的電子細(xì)分方法和技術(shù)還不夠成熟，有待進(jìn)一步研究。
[0007]2)任意相位差條紋信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分法使用的前提條件是信號(hào)處理系統(tǒng)能夠?qū)l紋信號(hào)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，是以正弦信號(hào)為細(xì)分模型的。當(dāng)條紋信號(hào)中含有二次諧波、三次諧波、背景噪聲和電路噪聲等時(shí)，信號(hào)的正弦性會(huì)變差，導(dǎo)致細(xì)分準(zhǔn)確度降低。因此還需要在提高條紋信號(hào)質(zhì)量方面進(jìn)行更多的研究。
[0008]3)由于實(shí)時(shí)測(cè)量，莫爾條紋計(jì)數(shù)系統(tǒng)計(jì)算量較大，所以測(cè)量速度還有待提高，這可以通過(guò)采用高性能處理器和優(yōu)化軟件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0009]因此，如果采用傳統(tǒng)的莫爾條紋或者圖像采集的方法去讀取納米尺寸的柵線是比較困難的，因此基于目前的技術(shù)要想讀取納米尺寸的柵線可以利用納米材料的尺度效應(yīng)下的優(yōu)勢(shì)，采用電磁感應(yīng)的方式去讀取柵線。
[0010]電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量(如位移、壓力、流量、振動(dòng)等)轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再經(jīng)過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓或電流的變化量輸出，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換和測(cè)量。
[0011]將柵線制作成導(dǎo)電柵線，柵線會(huì)產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng)，當(dāng)一根導(dǎo)電探針經(jīng)過(guò)一根通電柵線上方時(shí)，探針切割磁感應(yīng)線會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，經(jīng)過(guò)微電勢(shì)檢測(cè)電路放大檢測(cè)探針上的相對(duì)電勢(shì)變化情況即可讀取柵線位置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本實(shí)用新型的目的在于考慮上述問(wèn)題而提供一種可靠性高，測(cè)量精度高的電磁柵尺結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型方便實(shí)用，可以檢測(cè)到納米級(jí)別的位移，本實(shí)用新型操作簡(jiǎn)單，能讀取小于光波波長(zhǎng)柵距，可以測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)的物體位移、方向及其速度。
[0013]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:本實(shí)用新型的電磁柵尺結(jié)構(gòu)，包括有電磁柵尺尺身、導(dǎo)電柵線、感應(yīng)柵線、感應(yīng)探針、微電勢(shì)檢測(cè)電路、采集控制系統(tǒng)、直流電源，導(dǎo)電柵線和感應(yīng)柵線均刻在電磁柵尺尺身上，且兩條導(dǎo)電柵線互相平行設(shè)置，若干感應(yīng)柵線互相平行設(shè)置在兩條導(dǎo)電柵線之間，感應(yīng)柵線的兩端連接兩條平行的導(dǎo)線柵線，直流電源的正負(fù)極分別通過(guò)導(dǎo)線連接兩條平行的導(dǎo)電柵線，為兩條平行的導(dǎo)電柵線和感應(yīng)柵線提供電源構(gòu)成回路，感應(yīng)探針裝設(shè)在感應(yīng)柵線的上方，且感應(yīng)探針沿平行于導(dǎo)電柵線的方向上運(yùn)動(dòng)，微電勢(shì)檢測(cè)電路分別與感應(yīng)探針、電勢(shì)參考點(diǎn)及采集控制系統(tǒng)相連。
[0014]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是:本實(shí)用新型的電磁柵尺基于電磁感應(yīng)原理，采用包括有電磁柵尺尺身、兩條導(dǎo)電柵線、感應(yīng)柵線、直流電源、感應(yīng)探針的結(jié)構(gòu)，其中兩條導(dǎo)電柵線分別為正極柵線和負(fù)極柵線，電磁柵尺尺身用于刻制導(dǎo)電柵線，正極柵線用于接電源正極，負(fù)極柵線用于接電源負(fù)極，感應(yīng)柵線連接正極柵線和負(fù)極柵線，用于產(chǎn)生環(huán)形電磁場(chǎng)，直流電源用于正極柵線與負(fù)極柵線之間形成電壓差，從而使得感應(yīng)柵線上有電流通過(guò)；感應(yīng)探針用于探測(cè)感應(yīng)柵線上產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，當(dāng)感應(yīng)柵線的尺寸為納米尺寸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生尺度效應(yīng)，因此相鄰的兩條感應(yīng)柵線所產(chǎn)生的環(huán)形磁場(chǎng)互相干涉影響極小，感應(yīng)探針每經(jīng)過(guò)一次感應(yīng)柵線時(shí)，會(huì)切割感應(yīng)柵線的環(huán)形磁感應(yīng)線，因此感應(yīng)探針會(huì)產(chǎn)生微電流，形成一個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)此脈沖信號(hào)可以檢測(cè)到探針納米級(jí)別的位移。本實(shí)用新型是一種設(shè)計(jì)巧妙，性能優(yōu)良，方便實(shí)用的電磁柵尺結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型操作簡(jiǎn)單，方便實(shí)用，測(cè)量精度高。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本實(shí)用新型電磁柵尺結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本實(shí)用新型電磁柵尺結(jié)構(gòu)的正視圖；
[0017]圖3為本實(shí)用新型電磁柵尺結(jié)構(gòu)的左視圖；
[0018]圖4為本實(shí)用新型電磁柵尺結(jié)構(gòu)的俯視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例:
[0020]本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，本實(shí)用新型的電磁柵尺結(jié)構(gòu)，包括有電磁柵尺尺身1、導(dǎo)電柵線2、感應(yīng)柵線3、感應(yīng)探針5、微電勢(shì)檢測(cè)電路7、采集控制系統(tǒng)8、直流電源13，導(dǎo)電柵線2和感應(yīng)柵線3均刻在電磁柵尺尺身I上，且兩條導(dǎo)電柵線2互相平行設(shè)置，若干感應(yīng)柵線3互相平行設(shè)置在兩條導(dǎo)電柵線2之間，感應(yīng)柵線3的兩端連接兩條平行的導(dǎo)線柵線2，直流電源13的正負(fù)極分別通過(guò)導(dǎo)線連接兩條平行的導(dǎo)電柵線2，為兩條平行的導(dǎo)電柵線2和感應(yīng)柵線3提供電源構(gòu)成回路，感應(yīng)探針5裝設(shè)在感應(yīng)柵線3的上方，且感應(yīng)探針5沿平行于導(dǎo)電柵線2的方向上運(yùn)動(dòng)，微電勢(shì)檢測(cè)電路7通過(guò)信號(hào)線分別與感應(yīng)探針5、電勢(shì)參考點(diǎn)11及采集控制系統(tǒng)8相連。
[0021]本實(shí)施例中，上述感應(yīng)柵線3的直徑小于導(dǎo)電柵線2的直徑。因此感應(yīng)柵線的電阻大于導(dǎo)電柵線的電阻，使導(dǎo)電柵線不會(huì)短路。上述感應(yīng)柵線3與導(dǎo)電柵線2之間的夾角15不等于90°，即感應(yīng)柵線3與導(dǎo)電柵線2不垂直，因此感應(yīng)柵線有電流通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生的環(huán)形磁感應(yīng)強(qiáng)度在垂直于導(dǎo)電柵線方向上分量不為零，當(dāng)感應(yīng)探針沿導(dǎo)電柵線方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生切割磁感線的運(yùn)動(dòng)，因此感應(yīng)探針上會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)變化，形成一個(gè)物理量的變化。上述感應(yīng)柵線3是用磁性材料制作。上述電磁柵尺尺身I是用非磁性且是非導(dǎo)電材料制作。上述若干感應(yīng)柵線3的直徑相同，若干感應(yīng)柵線3互相平行，方便信號(hào)的識(shí)別和處理，本實(shí)施例中，感應(yīng)柵線3之間的距離等距。上述直流電源13的正負(fù)極分別通過(guò)導(dǎo)線連接兩條平行的導(dǎo)電柵線2上的任意位置。
[0022]本實(shí)施例中，感應(yīng)探針是由導(dǎo)電材料制作，直徑尺寸是納米級(jí)別。所有柵線都是納米尺寸的，在納米尺寸效應(yīng)下，柵線與柵線之間產(chǎn)生的電磁場(chǎng)不會(huì)互相影響。
[0023]上述電磁柵尺尺身I用于作為導(dǎo)電柵線2和感應(yīng)柵線3的基板，感應(yīng)柵線3相當(dāng)于并聯(lián)在導(dǎo)電柵線2之間的電阻，上述微電勢(shì)檢測(cè)電路7通過(guò)信號(hào)線6與感應(yīng)探針5相連，同時(shí)通過(guò)信號(hào)線10與電勢(shì)參考點(diǎn)11相連。
[0024]本實(shí)用新型的工作原理如下:
[0025]當(dāng)直流電源13通過(guò)導(dǎo)線12及導(dǎo)線14給導(dǎo)電柵線2通上電流時(shí)，電流流過(guò)感應(yīng)柵線3形成回路，根據(jù)安培定則，感應(yīng)柵線3產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng)，因?yàn)楦袘?yīng)柵線3與導(dǎo)電柵線2之間的夾角15不等于90°，即感應(yīng)柵線3與導(dǎo)電柵線2不垂直，所以感應(yīng)柵線3有電流通過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的的磁感應(yīng)線4在垂直于導(dǎo)電柵線2方向上的分量不為零，當(dāng)感應(yīng)探針5在感應(yīng)柵線3上方作平行于導(dǎo)電柵線2的方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)探針5兩端會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，設(shè)垂直于導(dǎo)電柵線的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，設(shè)探針有效感應(yīng)長(zhǎng)度平均為L(zhǎng)，V為探針的運(yùn)動(dòng)速度，E為磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，則由E=BLV可知，探針在感應(yīng)柵線上面運(yùn)動(dòng)時(shí)，探針兩端會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)變化，利用微電勢(shì)檢測(cè)電路，設(shè)置一個(gè)電勢(shì)參考原點(diǎn)，檢測(cè)探針一端與這個(gè)參考原點(diǎn)的電勢(shì)變化，即可獲取感應(yīng)信號(hào)，而當(dāng)探針經(jīng)過(guò)兩根感應(yīng)柵線中間時(shí)，探針上的電勢(shì)變化不被檢測(cè)，因此探針在柵尺上方運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生01010L....的二進(jìn)制信號(hào)，因此可以記錄探針的相對(duì)位置，同時(shí)，探針如果反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，微電勢(shì)檢測(cè)電路將檢測(cè)到相反的電勢(shì)，因此系統(tǒng)還可以判斷探針運(yùn)動(dòng)方向。
【權(quán)利要求】
1.一種電磁柵尺結(jié)構(gòu)，其特征在于包括有電磁柵尺尺身(I)、導(dǎo)電柵線(2)、感應(yīng)柵線(3)、感應(yīng)探針(5)、微電勢(shì)檢測(cè)電路(7)、采集控制系統(tǒng)(8)、直流電源(13)，導(dǎo)電柵線(2)和感應(yīng)柵線(3)均刻在電磁柵尺尺身(I)上，且兩條導(dǎo)電柵線(2)互相平行設(shè)置，若干感應(yīng)柵線(3 )互相平行設(shè)置在兩條導(dǎo)電柵線(2 )之間，感應(yīng)柵線(3 )的兩端連接兩條平行的導(dǎo)線柵線(2)，直流電源(13)的正負(fù)極分別通過(guò)導(dǎo)線連接兩條平行的導(dǎo)電柵線(2)，為兩條平行的導(dǎo)電柵線(2)和感應(yīng)柵線(3)提供電源構(gòu)成回路，感應(yīng)探針(5)裝設(shè)在感應(yīng)柵線(3)的上方，且感應(yīng)探針(5 )沿平行于導(dǎo)電柵線(2 )的方向上運(yùn)動(dòng)，微電勢(shì)檢測(cè)電路(7 )分別與感應(yīng)探針(5)、電勢(shì)參考點(diǎn)(11)及采集控制系統(tǒng)(8)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁柵尺結(jié)構(gòu)，其特征在于上述感應(yīng)柵線(3)的直徑小于導(dǎo)電柵線(2)的直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁柵尺結(jié)構(gòu)，其特征在于上述感應(yīng)柵線(3)與導(dǎo)電柵線(2)之間的夾角(15)不等于90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁柵尺結(jié)構(gòu)，其特征在于上述感應(yīng)柵線(3)是用磁性材料制作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁柵尺結(jié)構(gòu)，其特征在于上述電磁柵尺尺身(I)是用非磁性且非導(dǎo)電材料制作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的電磁柵尺結(jié)構(gòu)，其特征在于上述若干感應(yīng)柵線(3)的直徑相同，若干感應(yīng)柵線(3)互相平行且等距。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電磁柵尺結(jié)構(gòu)，其特征在于上述直流電源(13)的正負(fù)極分別通過(guò)導(dǎo)線連接兩條平行的導(dǎo)電柵線(2 )上的任意位置。
【文檔編號(hào)】G01B7/02GK203940826SQ201420393140
【公開(kāi)日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】朱自明, 王晗, 梁峰, 鄭俊威, 陳新度, 李敏浩, 蔡維琳, 李炯杰 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)