CN109931859B - 具有互补耦合结构的直线位移传感器 - Google Patents
具有互补耦合结构的直线位移传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109931859B CN109931859B CN201910286342.7A CN201910286342A CN109931859B CN 109931859 B CN109931859 B CN 109931859B CN 201910286342 A CN201910286342 A CN 201910286342A CN 109931859 B CN109931859 B CN 109931859B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- linear array
- coil
- scale
- wiring layer
- straight
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Abstract
本发明公开了一种具有互补耦合结构的直线位移传感器，包括定尺、动尺、定尺安装基体和动尺安装基体，定尺安装基体包括基座和限位块，基座上开设有与定尺的长度相匹配的定尺槽，定尺垂直安装在定尺槽内并通过限位块限位固定，动尺安装基体的中间开设有直槽口，该直槽口的宽度大于定尺厚度与两块动尺厚度之和、深度大于定尺上的定尺传感单元高度，动尺安装基体关于直槽口对称，动尺有两块，两块动尺对称安装在所述直槽口的两侧，两块动尺上的动尺传感单元串联，定尺***直槽口内，使所述动尺传感单元与所述定尺传感单元正对耦合。本发明能实现激励与感应之间的互补耦合，可以有效减小传感器制造、装配、安装等对测量性能的影响。
Description
技术领域
本发明属于精密测量传感器技术领域，具体涉及一种具有互补耦合结构的直线位移传感器。
背景技术
机床或其它仪器设备上的直线运动单元，为了达到较好的直线定位精度，常常需要直线位移传感器提供位置反馈。目前的直线位移传感器主要有电磁感应式、电场式和光场式，这些直线位移传感器主要包括定尺和动尺，定尺与动尺正对平行安装，但是其存在如下问题：(1)动尺只在定尺的一边与定尺耦合，使得传感器的测量性能受动尺与定尺之间间隙大小、平行度等影响较大，因而对动尺和定尺的制造及安装提出了较高的要求；(2)如果定尺上的定尺传感单元通过粘贴的方式装配于定尺基体表面，很难保证定尺传感单元的平面度和直线度，从而也会对传感器的测量性能造成影响。
基于电磁感应原理的直线位移传感器因其具有较强的环境适应性得到了较好的应用。电磁感应式直线位移传感器包括励磁线圈和感应线圈，通过在励磁线圈中施加交流信号产生磁场，感应线圈接收该磁场并产生与被测位移相关的感应信号，从而实现直线位移测量。CN105300262A中公开了一种绝对式时栅直线位移传感器，励磁线圈和感应线圈分别包含于动尺和定尺，动尺上的励磁线圈产生磁场，定尺上的感应线圈接收磁场。CN107796293A中公开了一种电磁感应式直线位移传感器，励磁线圈和感应线圈均包含于定尺。定尺上的励磁线圈和感应线圈分别产生磁场和接收磁场，动尺用于改变磁场分布。当动尺与定尺发生相对位移时，感应线圈接收的磁场发生变化，使感应线圈输出的信号发生变化，动尺与定尺的相对位移可由感应线圈输出的信号处理得到。这两种直线位移传感器都存在如下问题：(1)动尺只在定尺的一边影响感应线圈接收磁场，使得传感器的测量性能受动尺与定尺之间间隙大小、平行度等影响较大，因而对传感器动尺和定尺的制造及安装提出了较高的要求；(2)如果定尺上的线圈通过粘贴的方式装配于定尺基体表面，很难保证线圈的平面度和直线度，从而会对传感器的测量性能造成影响。另外，CN107796293A中的平面矩形螺旋线圈只有一种绕制方向，该平面矩形螺旋线圈无法抵抗外界共模干扰磁场，尤其当传感器的平面矩形螺旋线圈作为感应线圈时，是传感器测量结果不可忽略的误差源。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有互补耦合结构的直线位移传感器，以减小动尺与定尺的制造和安装对测量性能的影响，进一步提高测量精度。
本发明所述的一种具有互补耦合结构的直线位移传感器，包括定尺和两块动尺，还包括定尺安装基体和动尺安装基体，定尺安装基体包括基座和限位块，基座上开设有与定尺的长度相匹配的定尺槽，定尺垂直安装在定尺槽内并通过限位块限位固定，动尺安装基体的中间开设有直槽口，该直槽口的宽度大于定尺厚度与两块动尺厚度之和、深度大于定尺上的定尺传感单元高度，动尺安装基体关于直槽口对称，两块动尺对称安装在所述直槽口的两侧，两块动尺上的动尺传感单元串联，定尺***直槽口内，使所述动尺传感单元与所述定尺传感单元正对耦合。这种具有互补耦合结构的直线位移传感器可以适用于电磁感应式直线位移传感器，也可以适用于非电磁感应式直线位移传感器(比如电场式直线位移传感器、光场式直线位移传感器等)。这种具有互补耦合结构的直线位移传感器具有如下效果：(1)安装过程简单，只需要将定尺垂直放置在定尺槽内并通过限位块限位固定；(2)通过基座、定尺槽、限位块配合实现定尺垂直安装，安装过程少了粘接剂的参与，定尺传感单元的平面度和直线度不再受粘接剂的影响，保证了定尺传感单元的平面度和直线度；(3)定尺垂直安装，动尺安装基体关于直槽口对称，两块动尺对称安装在直槽口的两侧，定尺***动尺安装基体的直槽口内，动尺传感单元与定尺传感单元正对耦合，即使动尺安装不理想或运动轨迹不理想，两块动尺与定尺之间的间隙总和保持不变，实现了激励与感应之间的互补耦合，其减小了动尺与定尺的制造和安装对测量性能的影响，进一步提高了测量精度。
对于电磁感应式直线位移传感器而言，所述定尺包括定尺线圈基体和印制在定尺线圈基体上的所述定尺传感单元，定尺传感单元由分布周期为W、分布周期个数为
的第一线圈线阵和第二线圈线阵构成，第一线圈线阵沿测量方向的起始位置与第二线圈线阵沿测量方向的起始位置相差
所述动尺包括动尺线圈基体和印制在动尺线圈基体上的所述动尺传感单元，动尺传感单元由分布周期为W、分布周期个数为
的第一双正弦形线圈线阵构成；其中，m1、n为偶数，n≥4，2≤m1＜n。
所述第一线圈线阵和第二线圈线阵由长度为L的4n条直导线以及连接所述直导线的连接线组成，其中2n+2条直导线沿测量方向分布于定尺线圈基体的第一布线层上，另外的2n-2条直导线沿测量方向分布于定尺线圈基体的第二布线层上，且与分布于第一布线层的中间的2n-2条直导线对称；同一布线层上相邻两条直导线沿测量方向的间距为
第一布线层上的第2i+1条直导线与第二布线层上的第2i+1条直导线通过连接线、过孔连接，第二布线层上的第2i+1条直导线与第一布线层上的第2i+5条直导线通过连接线、过孔连接，第一布线层上的第2n-1条直导线与第一布线层上的第2n+1条直导线通过连接线、过孔连接，形成第一线圈线阵，在第一布线层上的第1条、第3条直导线的未连接端部引线作为第一线圈线阵的信号输入/输出接线端；第一布线层上的第2i+2条直导线与第二布线层上的第2i+2条直导线通过连接线、过孔连接，第二布线层上的第2i+2条直导线与第一布线层上的第2i+6条直导线通过连接线、过孔连接，第一布线层上的第2n条直导线与第一布线层上的第2n+2条直导线通过连接线、过孔连接，形成第二线圈线阵，在第一布线层上的第2条、第4条直导线的未连接端部引线作为第二线圈线阵的信号输入/输出接线端；其中，i依次取0至n-2的所有整数。定尺线圈基体的第一、第二布线层上的第奇数条直导线通过连接构成第一线圈线阵，定尺线圈基体的第一、第二布线层上的第偶数条直导线通过连接构成第二线圈线阵，这种交叉布线方式保证了线圈的对称性，保证了第一线圈线阵和第二线圈线阵相对于第一双正弦形线圈线阵的对称性，也使第一线圈线阵和第二线圈线阵都具有了“两个绕制方向”，从而更好地抵抗了外界共模干扰磁场，减小了测量误差。
所述第一双正弦形线圈线阵由起始位置相同、幅值为A、周期为W、周期个数为
相位互差180°的第一、第二正弦导线段围成，第一正弦导线段的
区间部分、
区间部分以及第二正弦导线段的
区间部分都分布于动尺线圈基体的第一布线层上，第二正弦导线段的
区间部分、
区间部分以及第一正弦导线段的
区间部分都分布于动尺线圈基体的第二布线层上，在分布于不同布线层上的某相邻两个区间部分的端部引线作为第一双正弦形线圈线阵的信号输入/输出接线端，其余分布于不同布线层上的各区间部分的端部通过过孔连接；其中，j依次取0至
的所有整数。第一正弦导线的一部分布置于动尺线圈基体的第一布线层上、另一部分布置于动尺线圈基体的第二布线层上，第二正弦导线的一部分布置于动尺线圈基体的第一布线层上、另一部分布置于动尺线圈基体的第二布线层上，这种布线方式保证了第一双正弦形线圈线阵相对于第一线圈线阵和第二线圈线阵的对称性，也使第一双正弦形线圈线阵具有了“两个绕制方向”，从而更好地抵抗了外界共模干扰磁场，进一步减小了测量误差。
优选的，所述动尺安装基体的顶部开设有L形缺口，所述第一双正弦形线圈线阵的信号输入/输出接线端通过该L形缺口裸露在动尺安装基体之外，方便了第一双正弦形线圈线阵的信号输入/输出接线端与后续的信号处理***的连接。
上针对电磁感应式直线位移传感器，在进行直线位移测量时有两种接线方式：第一种是将第一线圈线阵和第二线圈线阵作为励磁线圈，将第一双正弦形线圈线阵作为感应线圈，第一线圈线阵、第二线圈线阵中分别通入两相正交的交变激励信号，当动尺与定尺沿测量方向发生相对运动时，第一双正弦形线圈线阵输出幅值恒定相位周期性变化的感应信号，对该感应信号进行鉴相处理，并经换算后得到动尺相对定尺的直线位移。第二种是将第一双正弦形线圈线阵作为励磁线圈，将第一线圈线阵和第二线圈线阵作为感应线圈，第一双正弦形线圈线阵中通入交变激励信号，当动尺与定尺沿测量方向发生相对运动时，第一线圈线阵与第二线圈线阵分别输出一路相位恒定幅值周期性变化的感应信号，对该两路感应信号进行鉴幅处理，并经换算后得到动尺相对定尺的直线位移。
本发明所述的另一种具有互补耦合结构的电磁感应式直线位移传感器，包括定尺和动尺，定尺包括定尺线圈基体和印制在定尺线圈基体上的传感单元，动尺为金属导磁体或者导电的金属非导磁体，所述传感器还包括定尺安装基体，定尺安装基体包括基座和限位块，基座上开设有与定尺的长度相匹配的定尺槽，定尺垂直安装在定尺槽内并通过限位块限位固定，动尺的中间开设有动尺直槽口，动尺直槽口的宽度大于定尺厚度、深度大于传感单元高度，动尺关于动尺直槽口对称，动尺沿测量方向的长度为
定尺***动尺直槽口内，使动尺的前后两部分与传感单元正对耦合；所述传感单元由第一线圈线阵、第二线圈线阵和第二双正弦形线圈线阵构成，第一、第二线圈线阵的分布周期为W、分布周期个数为
第一线圈线阵沿测量方向的起始位置与第二线圈线阵沿测量方向的起始位置错开
第二双正弦形线圈线阵的分布周期为
分布周期个数为
第二双正弦形线圈线阵位于第一线圈线阵与第二线圈线阵形成的区域内，第二双正弦形线圈线阵沿测量方向的起始位置与第一线圈线阵沿测量方向的起始位置相差
其中，m2、n为偶数，n≥4，m2≥4，k为整数且k≥0。这种具有互补耦合结构的电磁感应式直线位移传感器具有如下效果：(1)安装过程简单，只需要将定尺垂直放置在定尺槽内并通过限位块限位固定；(2)通过基座、定尺槽、限位块配合实现定尺垂直安装，安装过程少了粘接剂的参与，定尺上的传感单元的平面度和直线度不再受粘接剂的影响，保证了传感单元的平面度和直线度；(3)定尺垂直安装，动尺关于动尺直槽口对称，定尺***动尺直槽口内，动尺的前后两部分与传感单元正对耦合，即使动尺安装不理想或运动轨迹不理想，动尺与定尺之间的间隙总和保持不变，实现了励磁与感应之间的互补耦合，其减小了动尺与定尺的制造和安装对测量性能的影响，进一步提高了测量精度。
所述第一线圈线阵和第二线圈线阵由长度为L的4n条直导线以及连接所述直导线的连接线组成，其中2n+2条直导线沿测量方向分布于定尺线圈基体的第一布线层上，另外的2n-2条直导线沿测量方向分布于定尺线圈基体的第四布线层上，且与分布于第一布线层的中间的2n-2条直导线对称；同一布线层上相邻两条直导线沿测量方向的间距为
第一布线层上的第2i+1条直导线与第四布线层上的第2i+1条直导线通过连接线、过孔连接，第四布线层上的第2i+1条直导线与第一布线层上的第2i+5条直导线通过连接线、过孔连接，第一布线层上的第2n-1条直导线与第一布线层上的第2n+1条直导线通过连接线、过孔连接，形成第一线圈线阵，在第一布线层上的第1条、第3条直导线的未连接端部引线作为第一线圈线阵的信号输入/输出接线端；第一布线层上的第2i+2条直导线与第四布线层上的第2i+2条直导线通过连接线、过孔连接，第四布线层上的第2i+2条直导线与第一布线层上的第2i+6条直导线通过连接线、过孔连接，第一布线层上的第2n条直导线与第一布线层上的第2n+2条直导线通过连接线、过孔连接，形成第二线圈线阵，在第一布线层上的第2条、第4条直导线的未连接端部引线作为第二线圈线阵的信号输入/输出接线端；其中，i依次取0至n-2的所有整数。
所述第二双正弦形线圈线阵由起始位置相同、幅值为A、周期为
周期个数为
相位互差180°的第三、第四正弦导线段围成，第三正弦导线段的
区间部分、
区间部分以及第四正弦导线段的
区间部分都分布于定尺线圈基体的第二布线层上，第四正弦导线段的
区间部分、
区间部分以及第三正弦导线段的
区间部分都分布于定尺线圈基体的第三布线层上，在分布于不同布线层上的某相邻两个区间部分的端部引线作为第二双正弦形线圈线阵的信号输入/输出接线端，其余分布于不同布线层上的各区间部分的端部通过过孔连接；其中，j依次取0至
的所有整数。
定尺线圈基体的第一、第四布线层上的第奇数条直导线通过连接构成第一线圈线阵，定尺线圈基体的第一、第四布线层上的第偶数条直导线通过连接构成第二线圈线阵，第三正弦导线的一部分布置于定尺线圈基体的第二布线层上、另一部分布置于定尺线圈基体的第三布线层上，第四正弦导线的一部分布置于定尺线圈基体的第二布线层上、另一部分布置于定尺线圈基体的第三布线层上，这种交叉布线方式保证了线圈的对称性，保证了第一线圈线阵和第二线圈线阵相对于第二双正弦形线圈线阵的对称性，也使第一线圈线阵、第二线圈线阵、第二双正弦形线圈线阵都具有了“两个绕制方向”，从而更好地抵抗了外界共模干扰磁场，进一步减小了测量误差。
上针对电磁感应式直线位移传感器，在进行直线位移测量时有两种接线方式：第一种是将第一线圈线阵和第二线圈线阵作为励磁线圈，将第二双正弦形线圈线阵作为感应线圈，第一线圈线阵、第二线圈线阵中分别通入两相正交的交变激励信号，当动尺与定尺沿测量方向发生相对运动时，第二双正弦形线圈线阵输出幅值恒定相位周期性变化的感应信号，对该感应信号进行鉴相处理，并经换算后得到动尺相对定尺的直线位移。第二种是将第二双正弦形线圈线阵作为励磁线圈，将第一线圈线阵和第二线圈线阵作为感应线圈，第二双正弦形线圈线阵中通入交变激励信号，当动尺与定尺沿测量方向发生相对运动时，第一线圈线阵与第二线圈线阵分别输出一路相位恒定幅值周期性变化的感应信号，对该两路感应信号进行鉴幅处理，并经换算后得到动尺相对定尺的直线位移。
附图说明
图1为实施例1、实施例2的总体结构示意图。
图2为图1的截面示意图。
图3为实施例1、实施例2中的定尺的结构示意图。
图4为实施例1、实施例2中的传感单元的布线示意图。
图5为实施例1、实施例2中的定尺线圈基体上的第一布线层上的布线示意图。
图6为实施例1、实施例2中的定尺线圈基体上的第四布线层上的布线示意图。
图7为实施例1、实施例2中的定尺线圈基体上的第二布线层上的布线示意图。
图8为实施例1、实施例2中的定尺线圈基体上的第三布线层上的布线示意图。
图9为实施例1、实施例2中的定尺安装基体的分解示意图。
图10为实施例1、实施例2中的动尺的结构示意图。
图11为实施例3、实施例4的总体结构示意图。
图12为图11的侧面示意图。
图13为实施例3、实施例4中的定尺的结构示意图。
图14为实施例3、实施例4中的定尺传感单元的布线示意图。
图15为实施例3、实施例4中的动尺的结构示意图。
图16为实施例3、实施例4中的动尺传感单元的布线示意图。
图17为实施例3、实施例4中的动尺安装基体的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
定义测量方向为定尺长度方向(即X轴方向)，垂直于定尺尺面方向为前后方向(即Y轴方向)，垂直于定尺安装基体表面方向为上下方向(即Z轴方向)。
实施例1：如图1至图10所示的具有互补耦合结构的电磁感应式直线位移传感器，包括定尺1、定尺安装基体2和动尺3。定尺1包括定尺线圈基体11和印制在定尺线圈基体11上的传感单元，定尺线圈基体11的下侧具有两个通孔，用于定尺1在定尺安装基体2上的安装。
如图4至图8所示，传感单元由第一线圈线阵121、第二线圈线阵122和第二双正弦形线圈线阵13构成，第一线圈线阵121、第二线圈线阵122、第二双正弦形线圈线阵13都为平面线圈，分布在定尺线圈基体11的4个布线层(即第一、第二、第三、第四布线层)上。
如图4、图5、图6所示，第一线圈线阵121的分布周期为W、分布周期个数为4个，第二线圈线阵122的分布周期为W、分布周期个数为4个，第一线圈线阵121沿测量方向的起始位置与第二线圈线阵122沿测量方向的起始位置错开
第一线圈线阵121和第二线圈线阵122由长度为L的32条直导线以及连接这些直导线的连接线组成，其中18条直导线沿测量方向分布于定尺线圈基体11的第一布线层上，另外的14条直导线沿测量方向分布于定尺线圈基体11的第四布线层上，这14条直导线与分布于第一布线层的中间的14条直导线对称(即在Y轴方向的投影重合)，同一布线层上相邻两条直导线沿测量方向的间距为
第一布线层上的第2i+1条直导线与第四布线层上的第2i+1条直导线通过连接线、过孔连接，第四布线层上的第2i+1条直导线与第一布线层上的第2i+5条直导线通过连接线、过孔连接，第一布线层上的第15条直导线与第一布线层上的第17条直导线通过连接线、过孔连接，形成第一线圈线阵121，第一布线层上的第1条直导线的未连接端部通过过孔在第四布线层上引线作为第一线圈线阵121的信号输入/输出接线端一，第一布线层上的第3条直导线的未连接端部直接在第一布线层上引线作为第一线圈线阵121的信号输入/输出接线端二；第一布线层上的第2i+2条直导线与第四布线层上的第2i+2条直导线通过连接线、过孔连接，第四布线层上的第2i+2条直导线与第一布线层上的第2i+6条直导线通过连接线、过孔连接，第一布线层上的第16条直导线与第一布线层上的第18条直导线通过连接线、过孔连接，形成第二线圈线阵122，第一布线层上的第2条直导线的未连接端部通过过孔在第四布线层上引线作为第二线圈线阵122的信号输入/输出接线端一，第一布线层上的第4条直导线的未连接端部直接在第一布线层上引线作为第二线圈线阵122的信号输入/输出接线端二；其中，i依次取0至6的所有整数。
如图4、图7、图8所示，第二双正弦形线圈线阵13位于第一线圈线阵121与第二线圈线阵122形成的区域内，第二双正弦形线圈线阵13沿测量方向的起始位置与第一线圈线阵121沿测量方向的起始位置相差
第二双正弦形线圈线阵13由起始位置相同、幅值为A、周期为
周期个数为7个、相位互差180°的第三、第四正弦导线段围成，第三正弦导线段的
区间部分、
区间部分以及第四正弦导线段的
区间部分都分布于定尺线圈基体11的第二布线层上，第四正弦导线段的
区间部分、
区间部分以及第三正弦导线段的
区间部分都分布于定尺线圈基体11的第三布线层上；在第四正弦导线段的
位置处，通过分别在定尺线圈基体11的第二布线层和第三布线层上引线作为第二双正弦形线圈线阵13的信号输入/输出接线端，其余分布于不同布线层上的各区间部分的端部通过过孔连接；其中，j依次取0至6的所有整数，2A＜L。
如图9所示，定尺安装基体2包括基座21和限位块22，基座21上开设有与定尺1的长度相匹配的定尺槽，基座21上的定尺槽侧面有两个螺丝孔，螺丝孔位置与定尺线圈基体11上的通孔一一对应，对应螺丝孔的位置，限位块22上也开设有两个通孔，螺丝23穿过限位块22和定尺线圈基体11上的通孔，进入螺丝孔并旋紧，使定尺1被基座21和限位块22压紧，定尺1的传感单元区域须避开定尺槽部分。
如图10所示，动尺3为矩形导磁体，动尺3的中间开设有动尺直槽口33，动尺直槽口33在Y轴方向上的尺寸大于定尺厚度、在Z轴方向上的尺寸大于传感单元在Z轴方向上的尺寸，动尺3关于动尺直槽口33对称，动尺3沿测量方向的长度(即在X轴方向上的尺寸)为
定尺1***动尺直槽口33内，使动尺3的前、后两部分与传感单元正对耦合(参见图1)。
将第一线圈线阵121和第二线圈线阵122作为励磁线圈，将第二双正弦形线圈线阵13作为感应线圈，在第一线圈线阵121和第二线圈线阵122中分别通入幅值为Im的电流i121＝Imsin(ωt)和i122＝Imcos(ωt)，则第一线圈线阵121和第二线圈线阵122与第二双正弦形线圈线阵13通过磁场产生耦合。由于动尺3为导磁体，所以动尺3所处位置的第一线圈线阵121和第二线圈线阵122与第二双正弦形线圈线阵13的磁场耦合较强(相较于其他位置)。当动尺3相对于定尺1在X轴方向上发生相对运动时，第一线圈线阵121和第二线圈线阵122与第二双正弦形线圈线阵13之间的磁场耦合发生周期性变化。
设计第二双正弦形线圈线阵13为正弦形状，目的在于让第二双正弦形线圈线阵13中磁通量的变化呈正弦规律变化，如式(1)和(2)所示：
其中，ω表示电流频率，
表示在第一线圈线阵121作用下，第二双正弦形线圈线阵13产生的磁通变化，
表示在第二线圈线阵122作用下，第二双正弦形线圈线阵13产生的磁通变化，
表示磁通量的幅值，x表示被测直线位移(即动尺3相对于定尺1在X轴方向上的位移)。
由于第一线圈线阵121和第二线圈线阵122产生的磁场在第二双正弦形线圈线阵13中叠加，所以根据法拉第电磁感应定律，第二双正弦形线圈线阵13输出幅值恒定、相位发生周期性变化的感应信号，如式(3)所示：
将式(3)进行鉴相处理，得到其相位
然后经过换算得到动尺3相对于定尺1在X轴方向上的位移x。
实施例2：如图1至图10所示，本实施例中的具有互补耦合结构的电磁感应式直线位移传感器的结构与实施例1相同，不同之处在于：将第二双正弦形线圈线阵13作为励磁线圈，将第一线圈线阵121和第二线圈线阵122作为感应线圈，第二双正弦形线圈线阵13中通入幅值为Im的电流i13＝Imsin(ωt)，第一线圈线阵121和第二线圈线阵122输出感应信号。当动尺3相对于定尺1在X轴方向上发生相对运动时，第一线圈线阵121和第二线圈线阵122与第二双正弦形线圈线阵13之间的磁场耦合发生周期性变化。
第一线圈线阵121和第二线圈线阵122中磁通量的变化如式(4)和(5)所示：
其中，
表示磁通量的幅值。
根据法拉第电磁感应定律，第一线圈线阵121和第二线圈线阵122输出信号的幅值发生周期性变化，如式(6)和(7)所示：
将式(6)和(7)表示的感应信号进行鉴幅处理，得到两路信号的幅值
和
将这两个幅值相除，并对结果求反正切或反余切，得到
的值，然后经过换算得到动尺3相对于定尺1在X轴方向上的位移x。
实施例3：如图11至图17所示的具有互补耦合结构的电磁感应式直线位移传感器，包括定尺1、定尺安装基体2、动尺安装基体4和相同的两块动尺3。
如图13、图14所示，定尺1包括定尺线圈基体11和印制在定尺线圈基体11上的定尺传感单元，定尺线圈基体11的下侧具有两个通孔，用于定尺1在定尺安装基体2上的安装。定尺传感单元由第一线圈线阵121和第二线圈线阵122构成，第一线圈线阵121、第二线圈线阵122都为平面线圈，分布在定尺线圈基体11的2个布线层(即第一、第二布线层)上。
第一线圈线阵121的分布周期为W、分布周期个数为4个，第二线圈线阵122的分布周期为W、分布周期个数为4个，第一线圈线阵121沿测量方向的起始位置与第二线圈线阵122沿测量方向的起始位置错开
第一线圈线阵121和第二线圈线阵122由长度为L的32条直导线以及连接所述直导线的连接线组成，其中18条直导线沿测量方向分布于定尺线圈基体11的第一布线层上，另外的14条直导线沿测量方向分布于定尺线圈基体11的第二布线层上，这14条直导线与与分布于第一布线层的中间的14条直导线对称(即在Y轴方向的投影重合)；同一布线层上相邻两条直导线沿测量方向的间距为
第一布线层上的第2i+1条直导线与第二布线层上的第2i+1条直导线通过连接线、过孔连接，第二布线层上的第2i+1条直导线与第一布线层上的第2i+5条直导线通过连接线、过孔连接，第一布线层上的第15条直导线与第一布线层上的第17条直导线通过连接线、过孔连接，形成第一线圈线阵121，第一布线层上的第1条直导线的未连接端部通过过孔在第二布线层上引线作为第一线圈线阵121的信号输入/输出接线端一，第一布线层上的第3条直导线的未连接端部直接在第一布线层上引线作为第一线圈线阵121的信号输入/输出接线端二；第一布线层上的第2i+2条直导线与第二布线层上的第2i+2条直导线通过连接线、过孔连接，第二布线层上的第2i+2条直导线与第一布线层上的第2i+6条直导线通过连接线、过孔连接，第一布线层上的第16条直导线与第一布线层上的第18条直导线通过连接线、过孔连接，形成第二线圈线阵122，第一布线层上的第2条直导线的未连接端部通过过孔在第二布线层上引线作为第二线圈线阵122的信号输入/输出接线端一，在第一布线层上的第4条直导线的未连接端部直接在第一布线层上引线作为第二线圈线阵122的信号输入/输出接线端二；其中，i依次取0至6的所有整数。
定尺安装基体2包括基座21和限位块22，基座21上开设有与定尺1的长度相匹配的定尺槽，基座21上的定尺槽侧面有两个螺丝孔，螺丝孔位置与定尺线圈基体11上的通孔一一对应，对应螺丝孔的位置，限位块22上也开设有两个通孔，螺丝23穿过限位块22和定尺线圈基体11上的通孔，进入螺丝孔并旋紧，使定尺1被基座21和限位块22压紧，定尺1的定尺传感单元区域须避开定尺槽部分。
如图15、图16所示，动尺3包括动尺线圈基体31和印制在动尺线圈基体31上的动尺传感单元，动尺传感单元由第一双正弦形线圈线阵32构成，第一双正弦形线圈线阵32为平面线圈，分布在动尺线圈基体31的2个布线层(即第一、第二布线层)上；第一双正弦形线圈线阵32由起始位置相同、幅值为A(2A＜L)、周期为W、周期个数为1个、相位互差180°的第一、第二正弦导线段围成，第一正弦导线段的
区间部分、
区间部分以及第二正弦导线段的
区间部分都分布于动尺线圈基体31的第一布线层上，第二正弦导线段的
区间部分、
区间部分以及第一正弦导线段的
区间部分都分布于动尺线圈基体31的第二布线层上，在第一正弦导线段的
位置处，通过分别在第一布线层和第二布线层上引线作为第一双正弦形线圈线阵32的信号输入/输出接线端，其余分布于不同布线层上的各区间部分的端部通过过孔连接。
如图11、图12、图17所示，动尺安装基体4为矩形导磁体，主要用于固定动尺3，动尺安装基体4在X轴方向上的尺寸大于W且小于定尺长度，动尺安装基体4的中间开设有直槽口41，该直槽口41在Y轴方向上的尺寸大于定尺厚度与两块动尺厚度之和、在Z轴方向上的尺寸大于定尺传感单元在Z轴方向上的尺寸，动尺安装基体4关于直槽口41对称，动尺安装基体4的顶部开设有L形缺口42，两块动尺3对称安装在直槽口41的两侧，两块动尺3上的第一双正弦形线圈线阵32的信号输入/输出接线端裸露在动尺安装基体4之外，两个第一双正弦形线圈线阵32通过信号输入/输出接线端接线串联，定尺1***直槽口41内，使第一双正弦形线圈线阵32与第一线圈线阵121和第二线圈线阵122正对耦合。
将第一线圈线阵121和第二线圈线阵122作为励磁线圈，将第一双正弦形线圈线阵32作为感应线圈，在第一线圈线阵121和第二线圈线阵122中分别通入幅值为Im的电流i121＝Imsin(ωt)和i122＝Imcos(ωt)，则第一线圈线阵121和第二线圈线阵122与第一双正弦形线圈线阵32通过磁场产生耦合。由于第一线圈线阵121和第二线圈线阵122产生的磁场在定尺1上周期分布，所以当动尺3相对于定尺1在X轴方向上发生相对运动时，第一线圈线阵121和第二线圈线阵122与第一双正弦形线圈线阵32之间的磁场耦合发生周期性变化。
设计第一双正弦形线圈线阵32为正弦形状，目的在于让第一双正弦形线圈线阵32中磁通量的变化呈正弦规律变化，如式(8)和(9)所示：
其中，ω表示电流频率，
表示在第一线圈线阵121作用下，第一双正弦形线圈线阵32产生的磁通变化，
表示在第二线圈线阵122作用下，第一双正弦形线圈线阵32产生的磁通变化，
表示磁通量的幅值，x表示被测直线位移(即动尺3相对于定尺1在X轴方向上的位移)。
由于第一线圈线阵121和第二线圈线阵122产生的磁场在第一双正弦形线圈线阵32中叠加，所以根据法拉第电磁感应定律，第一双正弦形线圈线阵32输出幅值恒定、相位发生周期性变化的正弦感应信号，如式(10)所示：
将式(10)进行鉴相处理，得到其相位
然后经过换算得到动尺3相对于定尺1的在X轴方向上的位移x。
实施例4：如图11至图17所示，本实施例中的具有互补耦合结构的电磁感应式直线位移传感器的结构与实施例3相同，不同之处在于：将第一双正弦形线圈线阵32作为励磁线圈，将第一线圈线阵121和第二线圈线阵122作为感应线圈，即第一双正弦形线圈线阵32中通入幅值为Im的电流i32＝Imsin(ωt)，第一线圈线阵121和第二线圈线阵122输出感应信号。当动尺3相对于定尺1在X轴方向上发生相对运动时，第一线圈线阵121和第二线圈线阵122与第一双正弦形线圈线阵32之间的磁场耦合发生周期性变化。
第一线圈线阵121和第二线圈线阵122中磁通量的变化如式(11)和(12)所示：
其中，
表示磁通量的幅值。
根据法拉第电磁感应定律，第一线圈线阵121和第二线圈线阵122输出信号的幅值发生周期性变化，如式(13)和(14)所示：
将式(13)和(14)表示的感应信号进行鉴幅处理，得到两路信号的幅值
和
将两个幅值相除，并对结果求反正切或反余切，得到
的值，然后经过换算得到动尺3相对于定尺1在X轴方向上的位移x。
另外，针对具有互补耦合结构的非电磁感应式直线位移传感器，其包括定尺、两块动尺、定尺安装基体和动尺安装基体，定尺安装基体包括基座和限位块，基座上开设有与定尺的长度相匹配的定尺槽，定尺垂直安装在定尺槽内并通过限位块、螺丝钉限位固定，动尺安装基体的中间开设有直槽口，该直槽口的宽度大于定尺厚度与两块动尺厚度之和、深度大于定尺上的定尺传感单元高度，动尺安装基体关于直槽口对称，两块动尺对称安装在直槽口的两侧，两块动尺上的动尺传感单元串联，定尺***直槽口内，使动尺传感单元与定尺传感单元正对耦合。
Claims (7)
1.一种具有互补耦合结构的直线位移传感器，包括定尺(1)、动尺(3)，其特征在于：还包括定尺安装基体(2)和动尺安装基体(4)，定尺安装基体(2)包括基座(21)和限位块(22)，基座(21)上开设有与定尺的长度相匹配的定尺槽，定尺(1)垂直安装在定尺槽内并通过限位块限位固定，动尺安装基体(4)的中间开设有直槽口(41)，该直槽口的宽度大于定尺厚度与两块动尺厚度之和、深度大于定尺上的定尺传感单元高度，动尺安装基体(4)关于直槽口对称，动尺(3)有两块，两块动尺(3)对称安装在所述直槽口的两侧，两块动尺(3)上的动尺传感单元串联，定尺(1)***直槽口(41)内，使所述动尺传感单元与所述定尺传感单元正对耦合；
所述定尺(1)包括定尺线圈基体(11)和印制在定尺线圈基体上的所述定尺传感单元，定尺传感单元由分布周期为W、分布周期个数为
的第一线圈线阵(121)和第二线圈线阵(122)构成，第一线圈线阵(121)沿测量方向的起始位置与第二线圈线阵(122)沿测量方向的起始位置错开
所述动尺(3)包括动尺线圈基体(31)和印制在动尺线圈基体上的所述动尺传感单元，动尺传感单元由分布周期为W、分布周期个数为
的第一双正弦形线圈线阵(32)构成；其中，m1、n为偶数，n≥4，2≤m1＜n；
所述第一线圈线阵(121)和第二线圈线阵(122)由长度为L的4n条直导线以及连接所述直导线的连接线组成，其中2n+2条直导线沿测量方向分布于定尺线圈基体(11)的第一布线层上，另外的2n-2条直导线沿测量方向分布于定尺线圈基体(11)的第二布线层上，且与分布于第一布线层的中间的2n-2条直导线对称；同一布线层上相邻两条直导线沿测量方向的间距为
第一布线层上的第2i+1条直导线与第二布线层上的第2i+1条直导线通过连接线、过孔连接，第二布线层上的第2i+1条直导线与第一布线层上的第2i+5条直导线通过连接线、过孔连接，第一布线层上的第2n-1条直导线与第一布线层上的第2n+1条直导线通过连接线、过孔连接，形成第一线圈线阵(121)，在第一布线层上的第1条、第3条直导线的未连接端部引线作为第一线圈线阵(121)的信号输入/输出接线端；第一布线层上的第2i+2条直导线与第二布线层上的第2i+2条直导线通过连接线、过孔连接，第二布线层上的第2i+2条直导线与第一布线层上的第2i+6条直导线通过连接线、过孔连接，第一布线层上的第2n条直导线与第一布线层上的第2n+2条直导线通过连接线、过孔连接，形成第二线圈线阵(122)，在第一布线层上的第2条、第4条直导线的未连接端部引线作为第二线圈线阵(122)的信号输入/输出接线端；其中，i依次取0至n-2的所有整数。
2.根据权利要求1所述的具有互补耦合结构的直线位移传感器，其特征在于：所述第一双正弦形线圈线阵(32)由起始位置相同、幅值为A、周期为W、周期个数为
相位互差180°的第一、第二正弦导线段围成，第一正弦导线段的
区间部分、
区间部分以及第二正弦导线段的
区间部分都分布于动尺线圈基体的第一布线层上，第二正弦导线段的
区间部分、
区间部分以及第一正弦导线段的
区间部分都分布于动尺线圈基体的第二布线层上，在分布于不同布线层上的某相邻两个区间部分的端部引线作为第一双正弦形线圈线阵(32)的信号输入/输出接线端，其余分布于不同布线层上的各区间部分的端部通过过孔连接；其中，j依次取0至
的所有整数。
3.根据权利要求2所述的具有互补耦合结构的直线位移传感器，其特征在于：所述动尺安装基体(4)的顶部开设有L形缺口(42)，所述第一双正弦形线圈线阵(32)的信号输入/输出接线端通过该L形缺口裸露在动尺安装基体(4)之外。
4.根据权利要求1至3任一项所述的具有互补耦合结构的直线位移传感器，其特征在于：
所述第一线圈线阵(121)和第二线圈线阵(122)为励磁线圈，所述第一双正弦形线圈线阵(32)为感应线圈，第一线圈线阵(121)、第二线圈线阵(122)中分别通入两相正交的交变激励信号，当动尺(3)与定尺(1)沿测量方向发生相对运动时，第一双正弦形线圈线阵(32)输出幅值恒定相位周期性变化的感应信号，对该感应信号进行鉴相处理，并经换算后得到动尺相对定尺的直线位移；
或者所述第一双正弦形线圈线阵(32)为励磁线圈，所述第一线圈线阵(121)和第二线圈线阵(122)为感应线圈，第一双正弦形线圈线阵(32)中通入交变激励信号，当动尺(3)与定尺(1)沿测量方向发生相对运动时，第一线圈线阵(121)与第二线圈线阵(122)分别输出一路相位恒定幅值周期性变化的感应信号，对该两路感应信号进行鉴幅处理，并经换算后得到动尺相对定尺的直线位移。
5.一种具有互补耦合结构的电磁感应式直线位移传感器，包括定尺(1)和动尺(3)，定尺(1)包括定尺线圈基体(11)和印制在定尺线圈基体上的传感单元，动尺(3)为金属导磁体或者导电的金属非导磁体，其特征在于：所述传感器还包括定尺安装基体(2)，定尺安装基体(2)包括基座(21)和限位块(22)，基座(21)上开设有与定尺的长度相匹配的定尺槽，定尺(1)垂直安装在定尺槽内并通过限位块限位固定，动尺(3)的中间开设有动尺直槽口(33)，动尺直槽口的宽度大于定尺厚度、深度大于传感单元高度，动尺(3)关于动尺直槽口对称且沿测量方向的长度为
定尺(1)***动尺直槽口(33)内，使动尺(3)的前后两部分与传感单元正对耦合；所述传感单元由第一线圈线阵(121)、第二线圈线阵(122)和第二双正弦形线圈线阵(13)构成，第一、第二线圈线阵(121、122)的分布周期为W、分布周期个数为
第一线圈线阵(121)沿测量方向的起始位置与第二线圈线阵(122)沿测量方向的起始位置错开
第二双正弦形线圈线阵(13)的分布周期为
分布周期个数为
第二双正弦形线圈线阵(13)位于第一线圈线阵(121)与第二线圈线阵(122)形成的区域内，第二双正弦形线圈线阵(13)沿测量方向的起始位置与第一线圈线阵(121)沿测量方向的起始位置相差
其中，m2、n为偶数，n≥4，m2≥4，k为整数且k≥0；
所述第一线圈线阵(121)和第二线圈线阵(122)由长度为L的4n条直导线以及连接所述直导线的连接线组成，其中2n+2条直导线沿测量方向分布于定尺线圈基体(11)的第一布线层上，另外的2n-2条直导线沿测量方向分布于定尺线圈基体(11)的第四布线层上，且与分布于第一布线层的中间的2n-2条直导线对称；同一布线层上相邻两条直导线沿测量方向的间距为
第一布线层上的第2i+1条直导线与第四布线层上的第2i+1条直导线通过连接线、过孔连接，第四布线层上的第2i+1条直导线与第一布线层上的第2i+5条直导线通过连接线、过孔连接，第一布线层上的第2n-1条直导线与第一布线层上的第2n+1条直导线通过连接线、过孔连接，形成第一线圈线阵(121)，在第一布线层上的第1条、第3条直导线的未连接端部引线作为第一线圈线阵(121)的信号输入/输出接线端；第一布线层上的第2i+2条直导线与第四布线层上的第2i+2条直导线通过连接线、过孔连接，第四布线层上的第2i+2条直导线与第一布线层上的第2i+6条直导线通过连接线、过孔连接，第一布线层上的第2n条直导线与第一布线层上的第2n+2条直导线通过连接线、过孔连接，形成第二线圈线阵(122)，在第一布线层上的第2条、第4条直导线的未连接端部引线作为第二线圈线阵(122)的信号输入/输出接线端；其中，i依次取0至n-2的所有整数。
6.根据权利要求5所述的具有互补耦合结构的电磁感应式直线位移传感器，其特征在于：所述第二双正弦形线圈线阵(13)由起始位置相同、幅值为A、周期为
周期个数为
相位互差180°的第三、第四正弦导线段围成，第三正弦导线段的
区间部分、
区间部分以及第四正弦导线段的
区间部分都分布于定尺线圈基体的第二布线层上，第四正弦导线段的
区间部分、
区间部分以及第三正弦导线段的
区间部分都分布于定尺线圈基体的第三布线层上，在分布于不同布线层上的某相邻两个区间部分的端部引线作为第二双正弦形线圈线阵(13)的信号输入/输出接线端，其余分布于不同布线层上的各区间部分的端部通过过孔连接；其中，j依次取0至
的所有整数。
7.根据权利要求5或6所述的具有互补耦合结构的电磁感应式直线位移传感器，其特征在于：
所述第一线圈线阵(121)和第二线圈线阵(122)为励磁线圈，所述第二双正弦形线圈线阵(13)为感应线圈，第一线圈线阵(121)、第二线圈线阵(122)中分别通入两相正交的交变激励信号，当动尺(3)与定尺(1)沿测量方向发生相对运动时，第二双正弦形线圈线阵(13)输出幅值恒定相位周期性变化的感应信号，对该感应信号进行鉴相处理，并经换算后得到动尺相对定尺的直线位移；
或者所述第二双正弦形线圈线阵(13)为励磁线圈，所述第一线圈线阵(121)和第二线圈线阵(122)为感应线圈，第二双正弦形线圈线阵(13)中通入交变激励信号，当动尺(3)与定尺(1)沿测量方向发生相对运动时，第一线圈线阵(121)与第二线圈线阵(122)分别输出一路相位恒定幅值周期性变化的感应信号，对该两路感应信号进行鉴幅处理，并经换算后得到动尺相对定尺的直线位移。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910286342.7A CN109931859B (zh) | 2019-04-10 | 2019-04-10 | 具有互补耦合结构的直线位移传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910286342.7A CN109931859B (zh) | 2019-04-10 | 2019-04-10 | 具有互补耦合结构的直线位移传感器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109931859A CN109931859A (zh) | 2019-06-25 |
| CN109931859B true CN109931859B (zh) | 2021-05-14 |
Family
ID=66989621
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910286342.7A Active CN109931859B (zh) | 2019-04-10 | 2019-04-10 | 具有互补耦合结构的直线位移传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109931859B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113008120B (zh) * | 2019-12-19 | 2023-09-22 | 通用技术集团国测时栅科技有限公司 | 一种电容式直线位移传感器及其动尺 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CH690933A5 (fr) * | 1996-01-24 | 2001-02-28 | Hans Ulrich Meyer | Capteur inductif de déplacement. |
| US6355198B1 (en) * | 1996-03-15 | 2002-03-12 | President And Fellows Of Harvard College | Method of forming articles including waveguides via capillary micromolding and microtransfer molding |
| CN202814347U (zh) * | 2012-09-21 | 2013-03-20 | 芜湖通和汽车管路***有限公司 | 一种光栅尺长度测量仪 |
| CN108571986A (zh) * | 2017-03-07 | 2018-09-25 | 赛卓电子科技（上海）有限公司 | 位移传感器 |
| CN108267072B (zh) * | 2018-01-31 | 2019-09-13 | 重庆理工大学 | 一种时栅直线位移传感器 |
-
2019
- 2019-04-10 CN CN201910286342.7A patent/CN109931859B/zh active Active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 变耦型时栅位移传感器理论模型与误差研究;鲁进等;《仪器仪表学报》;20160331;第37卷(第3期);第561-569页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109931859A (zh) | 2019-06-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4612502A (en) | Magnetic length or angle measuring system having improved magnetic sensor arrangement | |
| JP4700845B2 (ja) | 誘導形測長システム | |
| JP6116061B2 (ja) | 電流センサ | |
| US20010020846A1 (en) | Induction-type position measuring apparatus | |
| WO2016194240A1 (ja) | 電流センサ | |
| CA2902738C (en) | Electricity meter having multiple hall devices | |
| JP2011226894A (ja) | 電磁誘導式エンコーダ | |
| CN110375775B (zh) | 电磁感应式编码器 | |
| CN107560642B (zh) | 组合两个很宽地分离的波长的信号的绝对位置编码器 | |
| JP3559225B2 (ja) | 誘電型位置検出装置 | |
| Tang et al. | An inductive linear displacement sensor based on planar coils | |
| CN109931859B (zh) | 具有互补耦合结构的直线位移传感器 | |
| US10378926B2 (en) | Scale and position-measuring device | |
| JP4953192B2 (ja) | 位置検出装置 | |
| CN106338234B (zh) | 一种双列式时栅直线位移传感器 | |
| CN112857194A (zh) | 一种基于电涡流效应的平面二维位移传感器 | |
| JPH0654242B2 (ja) | 位置検出装置 | |
| JP5877728B2 (ja) | 磁気検出装置 | |
| JP5783361B2 (ja) | 電流測定装置 | |
| CN106441058B (zh) | 一种单列式二维时栅直线位移传感器 | |
| KR20170096845A (ko) | 모터 로터의 위치 검출 방법 | |
| Zhao et al. | An inductive linear displacement sensor with complementary resonant coupling units | |
| JP2022106661A (ja) | 電磁誘導式エンコーダ用の検知巻線構成 | |
| Arpaia et al. | A flexible printed-circuit coil for scanning transversal magnetic-fields errors in accelerator magnets | |
| CN106338235B (zh) | 一种单列式时栅直线位移传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20190625 Assignee: Chongqing Han's Shizha Technology Co.,Ltd. Assignor: Chongqing University of Technology Contract record no.: X2022500000007 Denomination of invention: Linear displacement sensor with complementary coupling structure Granted publication date: 20210514 License type: Exclusive License Record date: 20220926 |
|
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |