專利名稱：具有誤差平均效應的渦流柵絕對位置傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量儀器技術(shù)領(lǐng)域的傳感器，具體是一種具有誤差平均效應 的渦流柵絕對位置傳感器。
技術(shù)背景在現(xiàn)有制造業(yè)現(xiàn)場使用的各種量具普遍向數(shù)字化、大量程、絕對碼等方向發(fā) 展，而且對防水、防塵、抗震、防磁的要求越來越高。目前，世界范圍內(nèi)推出的 具備防水功能的大量程位移傳感器歸納起來可分為以下四種第一種是基于差動變壓器原理的位移傳感器，這類傳感器利用電渦流效應組 成差動變壓器式位移傳感器，它由一對發(fā)射線圈和接收線圈組成，通過互感變化 實現(xiàn)大量程位移測量，并具有防水功能，可以輸出絕對位置信號。缺點是傳感器 線圈部分體積較大，不利于進一步小型化。第二種是基于變磁阻原理的位移傳感器，這類傳感器利用磁阻效應組成磁阻 式位移傳感器，體積小，可以實現(xiàn)大量程位移測量，并具有防水功能，但不能排 除磁性顆粒物質(zhì)的影響，而且這種原理的位移傳感器輸出信號是增量式的。第三種是基于感應同步器原理的位移傳感器，這類傳感器同差動變壓器傳感 器相似，具有防水功能。缺點是傳感器線圈部分體積較大，不利于進一步小型化， 而且這種原理的位移傳感器輸出信號也是增量式的。第四種是基于橫向電渦流效應的位移傳感器，如中國專利"防水型電子數(shù)顯卡尺"(專利申請?zhí)?3115904. 4)和"具有防水功能的大量程位移傳感器"(專 利申請?zhí)?00310122731. 5)。這種傳感器利用橫向電渦流效應組成柵式位移傳感 器，具有出色的防水能力，并通過多碼道技術(shù)實現(xiàn)絕對位置信號輸出。同時，有 效解決了傳統(tǒng)電渦流傳感器體積大、功耗大的弊病，成功用于防水型電子數(shù)顯卡 尺。但是這種傳感器缺少誤差平均效應，因此對生產(chǎn)的工藝要求較高，需要較高 的制作和安裝精度才能滿足對測量精度的要求和降低出錯概率。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提出一種具有誤差平均效應的渦流柵絕對 位置傳感器，針對第四種位移傳感器"渦流柵"存在的不足和缺陷進行改進，可 適合用于各種防水型電子測量器具，可以降低現(xiàn)有渦流柵傳感器對工藝的要求并 進一步提高測量的精度。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明由定柵和動柵兩個部分構(gòu)成。在定柵上沿著測量軸方向布置至少兩個 碼道，每個碼道上布置一系列具有規(guī)則形狀、按測量軸均勻排列的金屬敏感導體， 敏感導體中每個規(guī)定的周期圖案的一個周期分別限定波長，兩個碼道的波長是不 相等的。在動柵上布置與定柵數(shù)量相同的碼道，每個碼道上布置數(shù)個具有特定間 距和形狀的傳感器線圈，線圈的排列方式與敏感導體有確定的對應關(guān)系，每個碼 道上兩組線圈和線圈沿測量軸方向的距離為該碼道1/4波長的奇數(shù)倍，例如3/4 波長、5/4波長或更遠，從而可以輸出的相位信號實現(xiàn)傳感器位移測量。與以往的"渦流柵"傳感器所不同的是在本發(fā)明的傳感器的動柵上，至少 有一個碼道上的每一組傳感器線圈是以串聯(lián)的方式連接在一起，相鄰線圈之間沿 測量軸方向的距離是均勻的，每個線圈相對于定柵上敏感導體的位置是一致的， 因此這些線圈感應信號的相位是一致的。這一組線圈同時參與工作，等效于一個 線圈。采用這種排列方式，可以大大增進誤差平均效應，明顯提高測量精度和穩(wěn) 定性，并可以大幅度降低對生產(chǎn)制作工藝的要求，從有有效地降低生產(chǎn)成本。為了進一步提高測量精度，本發(fā)明提出一種窄線圈方案將動柵上傳感器線 圈寬度(垂直于測量軸的方向)減小為定柵上對應碼道的敏感導體寬度的一半，然后將原來相距3/4波長、5/4波長或更遠的兩組線圈拉近，靠近布置，在測量 軸方向上只相距l(xiāng)/4波長。這樣，差動效果更好，從而可以獲得更高的測量精度和穩(wěn)定性。這種布局很好地解決了原有方案中線圈距離過遠的弊病。另一種拉近線圈的措施是采用交錯線圈方案保持動柵上傳感器線圈原有寬 度不變，采用多層印制電路板(PCB)工藝將兩組動柵上傳感器線圈分別制作在相鄰的層上。例如一組線圈制作在第一、三、五、七層，另一組線圈制作在第二、四、六、八層，這樣同樣可以保證兩組線圈相距只有l(wèi)/4波長，而且兩組線圈的寬度可以和定柵上的反射導體寬度相同，有利于靈敏度的提高。
背景技術(shù)：
中的渦流柵傳感器絕對位置的小數(shù)精度由某一碼道的相位值來決定，而絕對定位(也叫大數(shù)定位)是由兩個碼道的相位差來決定。要實現(xiàn)大范圍 的絕對定位，兩個碼道的波長差就越小，然而大數(shù)定位的精度就越差，對工藝的 要求也就越高。為了解決上述問題和缺陷，本發(fā)明采用將大數(shù)定位和小數(shù)測量分 開的三碼道實施方案。傳感器采用三個碼道，其中一個碼道波長較短，稱之為精 碼道，其輸出的相位信號可以用來實現(xiàn)位移的小數(shù)部分(小于一個精碼道波長的 范圍)，可以滿足測量分辨力和小數(shù)測量精度。另一個碼道的波長遠大于精碼道 的波長， 一般為精碼道波長的整數(shù)倍，稱之為中碼道，其輸出的相位信號也測量 位移，其測量誤差不超過精碼道的波長，可以稱之為中定位。第三個碼道的波長 與中碼道的波長接近但不同，稱之為粗碼道，利用粗碼道和中碼道的相位差可以 實現(xiàn)絕對位置測量和定位，其定位誤差不超過中碼道的波長，可以稱之為粗定位。 測量過程如下首先粗定位，利用粗碼道和中碼道的相位差將傳感器位置定位在 中碼道的一個測量波長之內(nèi)；然后中定位，利用中碼道的相位信號將傳感器位置 定位在一個精碼道測量波長之內(nèi)；最后計算小數(shù)，利用精碼道的相位信號測量傳 感器的準確位置和位移量。這樣就將絕對定位分為粗定位和中定位兩步來進行， 降低了大數(shù)出錯的概率和對工藝的要求，同時提高了絕對定位的精度。為了減小碼道之間測量波長差異較大，電路板變形大，制作精度不易保證的 缺陷，本發(fā)明還提出一種對稱布局方式將波長較小的精碼道布置在三個碼道的 中間位置，將另外兩個波長較大又比較接近的中碼道和粗碼道分別布置在精碼道 的兩側(cè)。這樣的布置另一個好處，是有利于避免由于安裝的原因?qū)е碌男?shù)精度 的下降。按照背景技術(shù)中提及的專利的"渦流柵"傳感器方案，每個碼道上要布置至 少4個線圈，并呈差動布局，提高測量精度。如果這樣布置，三個碼道所需線圈 數(shù)量便增加到了 12個以上，這樣對測量電路提出了更高的要求，成本也會更高。 為了達到大數(shù)定位的目的又不過多增加傳感器線圈的數(shù)目，本發(fā)明提出另外一種 雙線圈實施方案去掉中碼道和粗碼道中起差動作用的線圈，只保留兩個相距 1/4波長的線圈，同樣可以實現(xiàn)粗定位和中定位。這時傳感器粗定位和中定位的 精度將會有所降低。為了彌補這一缺陷，可以將粗碼道和中碼道傳感器線圈沿測 量軸的長度進行適當優(yōu)化，例如做得比對應碼道的金屬敏感導體的長度稍大，可 以適當提高測量精度。


圖1是具有誤差平均效應的渦流柵傳感器窄線圈實施方案示意圖。圖2是具有誤差平均效應的渦流柵傳感器交錯線圈實施方案示意圖。圖3是三碼道絕對定位方案示意圖。圖4是對稱布局的三碼道絕對定位方案示意圖。圖5是雙線圈三碼道絕對定位方案示意圖。圖6是對稱布局的雙線圈三碼道絕對定位方案示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護 范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，傳感器由定柵100和動柵102兩部分構(gòu)成。在定柵100上布置 兩個碼道，每個碼道上布置一系列具有規(guī)則形狀、按測量軸均勻排列的金屬敏感 導體IOI，第一、第二碼道敏感導體101中每個規(guī)定周期圖案的一個周期分別限定第一波長104 ( & )和第二波長108 (A)。波長的大小跟傳感器的靈敏度和 測量精度有關(guān)。另外，第一波長104和第二波長108是不相等的，從而將傳感器的絕對定位范圍從原先的A或;^擴展到了r，實現(xiàn)了范圍r內(nèi)的絕對測量，在這里因此，第一和第二波長的選擇還與絕對定位范圍r有關(guān)。絕對定位范圍一定 時，波長大，大數(shù)定位精度更容易保證，但小數(shù)精度有所降低，反之亦然。例如，若傳感器量程是300mm，絕對定位范圍7—般應比量程稍大。因此可以去波長為 ;i^7mm， 4=6.86,，此時絕對定位范圍A343mm，能滿足300mm量程的要求。金屬敏感導體沿測量軸的長度105和109較好的等于對應碼道的半波長，也 可稍大或稍小。而長度107則可根據(jù)定柵的尺寸盡量做得大點，這樣可以提高傳 感器的靈敏度。在動柵102上布置有8個具有特定間距和形狀的傳感器線圈103， 用1 8表示這8個線圈。這8個線圈沿測量軸的長度106和110較好的等于對應碼道的半波長。另外，線圈103的排列方式與敏感導體101還有確定的對應關(guān) 系。這種確定的對應關(guān)系有線圈1和2、 3和4、 5和6、 7和8在相位上分別 錯開;r，以構(gòu)成差動輸出，降低傳感器的非線性并提高抗干擾的能力；線圈l和 3、 5和7在相位上分別錯開;r/2，這樣當動柵沿測量軸移動時，在每個碼道上 都可得到兩路相位差為冗/2的交替變化的信號。在上述傳感器中，兩個碼道的傳感器線圈103是以串聯(lián)的方式沿測量軸等間 距排列，也就是說編號相同的線圈指的是同一個線圈，它們以串聯(lián)的方式連接。 串聯(lián)線圈的數(shù)目較佳的應大于5。采用這種排列方式，可以降低渦流柵傳感器對 工藝的要求并提高測量的精度。例如，如果串聯(lián)線圈的數(shù)目為7，小數(shù)定位精度 能達到約士0.015mm。與單線圈方案相比，小數(shù)定位精度有所提高并大大降低了 大數(shù)出錯的可能性。如圖2所示，在這一方案中，僅是線圈的寬度lll比上一窄線圈方案增加了 一倍，同一碼道的4個線圈采用多層印制板的工藝被布置在了不同的層上，例如 線圈1、 2、 5、 6布置在1、 3、 5、 7層，線圈3、 4、 7、 8布置在2、 4、 6、 8 層。這一方案因為線圈變大了，傳感器靈敏度相應有所增大，但缺點是同一線圈 可布置的層數(shù)不能太多。如圖3所示，傳感器一共有三個碼道。最上面一個碼道波長較短，稱之為精 碼道，其輸出的相位信號可以用來實現(xiàn)位移的小數(shù)部分(小于一個精碼道波長的 范圍)，可以滿足測量分辨力和小數(shù)測量精度。中間一個碼道的波長112遠大于 精碼道的波長， 一般為精碼道波長的整數(shù)倍，稱之為中碼道，其輸出的相位信號 也測量位移，其測量誤差不超過精碼道的波長，可以稱之為中定位。最下面一個 碼道的波長115與中碼道的波長112接近但不同，稱之為粗碼道，利用粗碼道和 中碼道的相位差可以實現(xiàn)絕對位置測量和定位，其定位誤差不超過中碼道的波長 112，可以稱之為粗定位。測量過程如下首先粗定位，利用粗碼道和中碼道的 相位差將傳感器位置定位在中碼道的一個測量波長112之內(nèi)；然后中定位，利用 中碼道的相位信號將傳感器位置定位在一個精碼道測量波長之內(nèi)；最后計算小 數(shù)，利用精碼道的相位信號測量傳感器的準確位置和位移量。這樣就將絕對定位 分為粗定位和中定位兩步來進行，降低了大數(shù)出錯的概率和對工藝的要求，同時 提高了絕對定位的精度。這兩個碼道金屬敏感導體沿測量軸的長度113和116為對應碼道波長的一半，傳感器線圈的長度114和117較佳地也為對應碼道波長 的一半。例如，同樣為達到300mm量程的要求，波長可以分別取為；i^4. 5mm， ；i^36mm，A=32.6mra。此時絕對定位范圍為345腿，小數(shù)的精度可達到士O. Olmm，由于精碼道的波長減小而提高了；中碼道的相位誤差可達到士0.2mm遠小于允許誤差 士2.25國；粗定位的精度為土9mm左右，也明顯小于允許誤差土 18mm的要求。如圖4所示，這一方案與圖3所示方案的差別是，將精碼道布置在了中間， 將另外兩個波長和較大有比較接近的中碼道和粗碼道分別布置在精碼道的兩側(cè)。 這樣電路板變形較小，制作精度容易保證，同時更有利于避免由于安裝的原因?qū)?致的小數(shù)精度的下降。如圖5所示，同圖3所示方案相比，去掉了大數(shù)定位碼道中起差動作用的線 圈，只保留兩個相距l(xiāng)/4波長的線圈，同樣可以實現(xiàn)粗定位和中定位。這時傳感 器粗定位和中定位的精度將會有所降低。為了彌補這一缺陷，可以將粗碼道和中 碼道傳感器線圈沿測量軸的長度118和119進行適當優(yōu)化，例如做得比對應碼道 的金屬敏感導體的長度稍大，可以適當提高測量精度。本實施例中，小數(shù)的精度 跟保留有差動線圈的實施例相同，粗定位和中定位的精度下降了一倍左右，但通 過誤差修正，仍然能滿足測量的要求。如圖6所示，同圖5所示方案相比，將精碼道布置在了中間，將另外兩個波 長和較大有比較接近的中碼道和粗碼道分別布置在精碼道的兩側(cè)。這樣電路板變 形較小，制作精度容易保證，同時有利于避免由于安裝的原因?qū)е碌男?shù)精度的 下降。
權(quán)利要求
1、一種具有誤差平均效應的渦流柵絕對位置傳感器，由定柵和動柵兩個部分構(gòu)成，在定柵上沿著測量軸方向布置至少兩個碼道，每個碼道上布置一系列具有一定規(guī)則形狀、按測量軸均勻排列的金屬敏感導體，在動柵上布置與定柵數(shù)量相同的碼道，每個碼道上布置數(shù)個傳感器線圈，其特征在于在傳感器動柵上至少有一個碼道上的每一組傳感器線圈是以串聯(lián)的方式連接在一起，相鄰線圈之間沿測量軸方向的距離是均勻的，每個線圈相對于定柵上敏感導體的位置是一致的，這些線圈同時參與工作，等效于一個線圈。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有誤差平均效應的渦流柵絕對位置傳感器，其 特征是，所述動柵上的傳感器線圈，其垂直于測量軸方向的寬度為定柵上對應 碼道的敏感導體寬度的一半，兩組線圈在測量軸方向上只相距1/4波長。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有誤差平均效應的渦流柵絕對位置傳感器，其特征是，所述動柵上的傳感器線圈中，每兩組線圈交錯布置在相鄰的層上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有誤差平均效應的渦流柵絕對位置傳感器，其 特征是，所述傳感器采用三個碼道，其中一個碼道波長最短，稱之為精碼道， 其輸出的相位信號用來實現(xiàn)位移的小數(shù)部分，小于一個精碼道波長的范圍，另 一個碼道的波長遠大于精碼道的波長，為精碼道波長的整數(shù)倍，稱之為中碼道， 第三個碼道的波長與中碼道的波長接近但不相同，稱之為粗碼道，測量時，粗 碼道和中碼道的相位差將傳感器位置定位在中碼道的一個測量波長之內(nèi)，中碼 道的相位信號將傳感器位置定位在一個精碼道測量波長之內(nèi)，再計算小數(shù)，利 用精碼道的相位信號測量傳感器的準確位置和位移量。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有誤差平均效應的渦流柵絕對位置傳感器，其 特征是，所述精碼道布置在三個碼道的中間位置，中碼道和粗碼道分別布置在 精碼道的兩側(cè)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的具有誤差平均效應的渦流柵絕對位置傳感 器，其特征是，所述中碼道和粗碼道中省略起差動作用的線圈，只保留兩個相 距l(xiāng)/4波長的線圈。
全文摘要
本發(fā)明提出一種測量儀器技術(shù)領(lǐng)域的具有誤差平均效應的渦流柵絕對位置傳感器，由定柵和動柵兩個部分構(gòu)成，在傳感器動柵上至少有一個碼道上的每一組傳感器線圈是以串聯(lián)的方式連接在一起，相鄰線圈之間沿測量軸方向的距離是均勻的，每個線圈相對于定柵上敏感導體的位置是一致的，這些線圈同時參與工作，等效于一個線圈。同時，分別采用窄線圈方式或者交錯線圈方式，將兩組線圈的距離拉近到1/4波長，可以進一步提高測量精度。此外，采用一種三碼道絕對定位方案，精碼道實現(xiàn)位移小數(shù)精確測量，中碼道實現(xiàn)中等精度定位，粗碼道實現(xiàn)粗定位，并分別通過對稱布局型式和雙線圈方案，提高絕對定位精度，并降低工藝要求和制造成本。
文檔編號G01D5/243GK101324420SQ200810040920
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月24日
發(fā)明者劉偉文, 輝 趙, 衛(wèi) 陶, 齊紅麗 申請人:上海交通大學