CN101363709B - 一种时栅角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种时栅角位移传感器，属于位移精密测量装置。传感器具有外圆基体和内圆基体构成绕制线圈的骨架，在外圆基体的内周壁和内圆基体的外周壁上等分开槽；其特征在于一基体上绕有激励线圈，另一基体上绕有感应线圈；感应线圈与激励线圈相对运动；激励线圈连接激励电源，激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到放大电路，再经整形电路整形后，由数字比相器进行相位比较；两路信号的相位差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成角位移值，直接或经微处理器及存储器处理后作角位移数据显示。所述传感器具有结构简单、成本低、分辨力高、抗干扰力强、易于产品化的优点。

Description

一种时栅角位移传感器

技术领域

本发明属于位移精密测量传感器。

背景技术

直线位移和角位移测量是最基本、最普通的测量。为了兼顾测量分辨率和量程，许多位移传感器采用了在基体上精密刻线的栅式结构，如光栅、磁栅等，对其在运动过程中发出的脉冲信号进行累加计数，即实现位移测量。高精度高密度的刻线引起很多问题，一方面刻线越密，就越容易受到污染。无论怎么密封保护，在生产现场恶劣工况下，其微小的粉尘水气都可能污染栅线，使之计数失效。另一方面，刻线不可能无限地密，而现有的密度远不能满足分辨力的要求，因此被迫普遍采用电子细分箱，***结构复杂。加上高精度的刻线工艺，使成本居高不下。综上所述，现有栅式位移传感器存在的缺点是：结构复杂、价格高、抗干扰力差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于角位移测量的时栅角位移传感器，不用精密刻线，不用电子细分箱，而以时钟脉冲作为位移计量基准，因而结构简单、成本低、分辨力高、抗干扰力强。

本发明的技术方案是：

一种时栅角位移传感器，传感器具有外圆基体和内圆基体构成绕制线圈的骨架，在外圆基体的内周壁和内圆基体的外周壁上等分开槽；，在外圆基体和内圆基体上的开槽为分别各一组，一基体上绕有一组激励线圈，另一基体上绕有一组感应线圈；感应线圈与激励线圈相对运动；激励线圈连接激励电源，激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到放大电路，再经整形电路整形后，由数字比相器进行相位比较；两路信号的相位差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成角位移值，直接或经微处理器及存储器处理后作角位移数据显示。

所述传感器，还有另两种形式：一种是在一基体上共同绕有激励线圈和第一感应线圈，另一基体上绕有第二感应线圈。第一感应线圈与激励线圈保持空间位置不变，第二感应线圈与激励线圈相对运动。激励线圈连接激励电源，在两组感应线圈上分别获得频率相同而相位固定的和变化的两路电信号，两路输出的电信号分别连接放大电路，再经整形电路整形后，由数字比相器进行相位比较；两路信号的相位差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成角位移值，直接或经微处理器及存储器处理后作角位移数据显示。

还有一种是再设置一与外圆基体或内圆基体保持空间位置不变、并具有等分开槽的第三基体，将激励线圈和第一感应线圈分别绕在这两个相对位置不动的基体上，另一基体上绕有第二感应线圈；第一感应线圈与激励线圈保持空间位置不变，第二感应线圈与激励线圈相对运动，信号处理方式与第二种结构一样。

上述三种结构，第二、三种结构因为与激励线圈的空间位置保持一致的感应线圈产生感应信号的频率相位与激励电源的频率相位是一致的，所以此感应线圈可以省略，而成为第一种结构，由激励电源直接提供或通过某电器件(如变压器)提供一路信号参与比相，这样一来，结构更简化，但精度可能会受到一些干扰影响，适用于一些精度要求不高的场合。

作为传感器的信号发生装置的基体和线圈等可以按传统方式独立成为一个单元部件，而将后续信号处理电路组成一个电器箱。也可以把处理电路连同微处理器一起集成为一个传感器整体。计数器结果可以直接输出为数据或图形，也可以交由微处理器处理，从而构成智能化的传感器。本传感器可与高精度的其它同类传感器例如高精度光栅传感器进行比对实验，在进行比对实验时，可将其全程***误差记录下来，固化在本传感器***的存储器中，进行误差修正。在实际使用时，给出的位移数据将会是已将传感器***误差扣除后的更精确值，使传感器精度进一步提高。

本传感器具有结构简单、成本低、分辨力高、抗干扰力强、易于产品化的优点。

附图说明

图1是时栅角位移传感器绕线骨架基体的三种结构组合形式示意图；

图2是时栅角位移传感器的信号发生与数据处理***的原理图；

图3是时栅角位移传感器的基体及绕组部分示意图。

具体实施方式

参见图1(a)，此为本传感器的第一种结构原理，它具有相对运动的外圆基体1和内圆基体2构成绕制线圈的骨架，外圆基体1上绕有激励线圈3，内圆基体2上绕有第二感应线圈4，感应线圈与激励线圈也随基体相对运动，由激励源直接生成一路比相信号，与第二感应线圈4信号比相。

参见图1(b)，此为本传感器的第二种结构原理，它具有相对运动的外圆基体1和内圆基体2构成绕制线圈的骨架，外圆基体1上绕有激励线圈3和第一感应线圈5，内圆基体2上绕有第二感应线圈4，激励线圈3与第一感应线圈5相对不动，但第二感应线圈4与激励线圈3及第一感应线圈5相对运动，由与激励线圈3共基体的第一感应线圈5生成一路信号，与第二感应线圈4信号比相。

参见图1(c)，此为本传感器的第三种结构原理，它具有相对运动的外圆基体1和内圆基体2构成绕制线圈的骨架，另还有与外圆基体1相对不动的第三基体6，外圆基体1上绕有激励线圈3，第三基体6上绕有第一感应线圈5，内圆基体2上绕有第二感应线圈4，激励线圈3与第一感应线圈5相对不动，但第二感应线圈4与激励线圈3及第一感应线圈5相对运动，由绕在第三基体6上并与外圆基体1保持位置一致的第一感应线圈5生成一路信号，与第二感应线圈4信号比相。

本传感器的原理如图2所示，当激励线圈通过多相交流电流时，将在两个感应线圈上分别得到与激励电源同频率的交变信号，测量时与激励线圈保持同样位置而无相对运动的感应线圈信号保持相位固定不变；而另一感应线圈信号则随反应被测运动的基体的位移而产生相位移动，这一部分作为信号发生装置。激励线圈连接激励电源，在两组感应线圈上分别获得频率相同而相位固定的和变化的两路电信号，两路输出的电信号分别连接放大电路，再经整形电路整形后，由数字比相器进行相位比较；两路信号的相位差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成角位移值，经微处理器及存储器处理后作角位移数据、图形显示、打印，这一部分作为信号处理电路和智能化数据处理***。若没有设置与激励线圈相对固定的感应线圈，则可直接采用激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到放大电路，后续信号处理是一样的。

参见图3(a)，此为时栅角位移传感器的基体及绕组示意图，其激励线圈绕制方法与交流电机结构相似。若以外壳为定子7即静止基体，则内轴为转子8即运动基体(根据工作情况，也可以外壳为转子，内轴为定子，二者保持相对运动即可)。首先在定子7上按传统的多极交流电机绕线方法或“几”字形或“8”字形绕法绕制多极多相激励线圈(图中为A、B、C三相)；然后按上述第二种形式即图1(b)结构在其上再绕一组定感应线圈(未画出，与动感应线圈相似，有些情况下可省略就变成第一种形式即图1(a)结构)；最后在转子8上以与定感应线圈相同的跨距绕一组动感应线圈9。定子、转子的绕线骨架可以采用在基体上钻孔开槽的方法，如图3(a)所示，也可以采用分别用两排不同直径的圆柱10或圆球在基体上排列，如图3(b)所示，直径大的圆柱或圆球紧密排列固定成为紧靠基体的一层，直径小的排列固定在两大直径的圆柱体或球体之间的各个槽中，形成另一层，从而自然形成等分开槽的绕线骨架。定感应线圈可以与激励线圈共用骨架(即图1(b)形式)，也可以单独绕在另一骨架上，而两骨架保持相对位置不变(即图1(c)形式)。感应线圈由1个或多个有效感应线圈串联或并联组成。“有效”的意思是指该线圈的信号对总信号而言是加强而不是削弱。感应线圈设计符合下述3个原则中的任一个或全部：

①参加串、并联的多个有效线圈按空间均匀分布；

②其个数与激励线圈极对数有关：若极对数为n，则线圈个数为n或2n或能用n整除；

③每一个线圈的匝数相等、信号幅值相等、相位相同(或者相位相反再反接)。这时角位移的计算公式为：

$\mathrm{\θ}=A\frac{W}{T}\mathrm{\ΔT}=\mathrm{AfW\ΔT}=\mathrm{AfW\Σ}{p}_t---\left(1\right)$

其中：θ-角位移，A-常数，W-线圈节距(单位为角度值)，T-信号周期，f-激励电源频率，ΔT-测得的时间差，∑p_t-时钟脉冲累积数。

Claims (6)

1.一种时栅角位移传感器，传感器具有外圆基体和内圆基体构成绕制线圈的骨架，在外圆基体的内周壁和内圆基体的外周壁上等分开槽；其特征在于，在外圆基体和内圆基体上的开槽为分别各一组，一基体上绕有一组激励线圈，另一基体上绕有一组感应线圈；感应线圈与激励线圈相对运动；激励线圈连接激励电源，激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到放大电路，再经整形电路整形后，由数字比相器进行相位比较；两路信号的相位差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成角位移值，直接或经微处理器及存储器处理后作角位移数据显示。

2.一种时栅角位移传感器，传感器具有外圆基体和内圆基体构成绕制线圈的骨架，在外圆基体的内周壁和内圆基体的外周壁上等分开槽；其特征在于一基体上共同绕有激励线圈和第一感应线圈，另一基体上绕有第二感应线圈，第一感应线圈与激励线圈保持空间位置不变，第二感应线圈与激励线圈相对运动；激励线圈连接激励电源，在两组感应线圈上分别获得频率相同而相位固定的和变化的两路电信号，两路输出的电信号分别连接放大电路，再经整形电路整形后，由数字比相器进行相位比较；两路信号的相位差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成角位移值，直接或经微处理器及存储器处理后作角位移数据显示。

3.一种时栅角位移传感器，传感器具有外圆基体和内圆基体构成绕制线圈的骨架，在外圆基体的内周壁和内圆基体的外周壁上等分开槽；其特征在于还设置一与外圆基体或内圆基体保持空间位置不变、并具有等分开槽的第三基体，将激励线圈和第一感应线圈分别绕在这两个相对位置不动的基体上，另一基体上绕有第二感应线圈；第一感应线圈与激励线圈保持空间位置不变，第二感应线圈与激励线圈相对运动；激励线圈连接激励电源，在两组感应线圈上分别获得频率相同而相位固定的和变化的两路电信号，两路输出的电信号分别连接放大电路，再经整形电路整形后，由数字比相器进行相位比较；两路信号的相位差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成角位移值，直接或经微处理器及存储器处理后作角位移数据显示。

4.如权利要求1、2或3所述的时栅角位移传感器，其特征在于感应线圈由1个或多个有效感应线圈串联或并联组成，有效是指该线圈的信号对总信号而言是加强而不是削弱；当激励线圈的极对数为n时，各有效感应线圈的组成符合以下三项原则中的任意项或全部：线圈位置按空间均布；线圈个数为n或2n或能用n整除；线圈信号幅值相等及相位相同或相反再反接。

5.如权利要求4所述的时栅角位移传感器，其特征在于基体上的等分开槽是用两种不同直径的圆柱体或球体分两层排列而形成，直径大的紧密排列固定成为紧靠基体的一层；直径小的排列固定在两大直径的圆柱体或球体之间的各个槽中，形成另一层，从而自然形成等分的开槽。

6.如权利要求5所述的时栅角位移传感器，其特征在于所述存储器中固化有本时栅位移传感器与其它高精度传感器进行比对实验后得到的全程***误差数据，用于误差修正。

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