專利名稱：一種時(shí)柵直線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(cè)量傳感器。
技術(shù)背景直線位移和角位移測(cè)量是最基本、最普通的測(cè)量。為了兼顧測(cè)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(duì)其在運(yùn)動(dòng) 過(guò)程中發(fā)出的脈沖信號(hào)進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，即實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。高精度高密度的刻線引起很 多問(wèn)題， 一方面刻線越密，就越容易受到污染。無(wú)論怎么密封保護(hù)，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)惡劣 工況下，其微小的粉塵水氣都可能污染柵線，使之計(jì)數(shù)失效。另一方面，刻線不可能 無(wú)限地密，而現(xiàn)有的密度遠(yuǎn)不能滿足分辨力的要求，因此被迫普遍采用電子細(xì)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高、抗干擾力差。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于直線位移測(cè)量的時(shí)柵 直線位移傳感器，不用精密刻線，不用電子細(xì)分箱，而以時(shí)鐘脈沖作為位移計(jì)量基準(zhǔn)， 因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、分辨力高、抗干擾力強(qiáng)。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種時(shí)柵直線位移傳感器，如圖l(a)、圖2和圖5所示，傳感器有兩部份等分開(kāi) 槽的直線形基體構(gòu)成繞制線圈的骨架，作為長(zhǎng)尺和短尺； 一基體上繞有激勵(lì)線圈，另 一基體上繞有感應(yīng)線圈；感應(yīng)線圈與激勵(lì)線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)；激勵(lì)線圈連接激勵(lì)電源，激 勵(lì)信號(hào)和感應(yīng)線圈輸出的電信號(hào)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(jìn)行相位比較，兩路信號(hào)的相位差由插補(bǔ)的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)表示，再換算成直 線位移值，直接或經(jīng)微處理器及存儲(chǔ)器處理后作直線位移數(shù)據(jù)顯示。所述傳感器，還有另兩種形式。傳感器有2或3部份等分開(kāi)槽的直線形基體構(gòu)成繞制線圈的骨架，作為長(zhǎng)尺或短尺。 一種形式為如圖l(b)所示， 一基體上共同繞有 激勵(lì)線圈和第一感應(yīng)線圈；另一種形式為如圖1(C)所示，激勵(lì)線圈和第一感應(yīng)線圈 分別繞在兩個(gè)相對(duì)位置不動(dòng)的基體上。然后在另一基體上繞有第二感應(yīng)線圈。對(duì)這兩 種形式而言，第一感應(yīng)線圈與激勵(lì)線圈均保持空間位置不變，第二感應(yīng)線圈與激勵(lì)線 圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)。激勵(lì)線圈連接激勵(lì)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(hào)，兩路輸出的電信號(hào)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(jìn)行相位比較；兩路信號(hào)的相位差由插補(bǔ)的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)表示，再 換算成直線位移值，直接或經(jīng)微處理器及存儲(chǔ)器處理后作直線位移數(shù)據(jù)顯示。上述三種結(jié)構(gòu)，第二、三種結(jié)構(gòu)因?yàn)榕c激勵(lì)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(hào)的頻率和相位與激勵(lì)電源的頻率和相位是一致的，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(lì)電源直接提供或通過(guò)某種電器件(如變壓器)提供一 路信號(hào)參與比相，這樣一來(lái)，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)化，但精度可能會(huì)受到一些干擾影響，適用于 一些精度要求不高的場(chǎng)合。作為傳感器的信號(hào)發(fā)生裝置的基體和線圈等可以按傳統(tǒng)方式獨(dú)立成為一個(gè)單元 部件，而將后續(xù)信號(hào)處理電路組成一個(gè)電器箱。也可以把處理電路連同微處理器一起 集成為一個(gè)傳感器整體。計(jì)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(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可將其全程系統(tǒng)誤差記錄下來(lái)，固 化在本傳感器系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中，進(jìn)行誤差修正。在實(shí)際使用時(shí)，給出的位移數(shù)據(jù)將會(huì) 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(jìn)一步提高。本傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、分辨力高、抗干擾力強(qiáng)、易于產(chǎn)品化的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是時(shí)柵直線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(shí)柵直線位移傳感器的信號(hào)發(fā)生與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的原理圖；圖3是時(shí)柵直線位移傳感器的長(zhǎng)尺繞線骨架三視圖；圖4是時(shí)柵直線位移傳感器的長(zhǎng)、短尺組合結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是時(shí)柵直線位移傳感器的繞線示意圖。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1 (a),此為本傳感器的第一種結(jié)構(gòu)原理，它具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一基體1 和第二基體2構(gòu)成繞制線圈的骨架，第一基體1上繞有激勵(lì)線圈3，第二基體2上繞 有第二感應(yīng)線圈4，感應(yīng)線圈與激勵(lì)線圈也相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由激勵(lì)源直接生成一路比相信 號(hào)，與第二感應(yīng)線圈4信號(hào)比相。參見(jiàn)圖1 (b)，此為本傳感器的第二種結(jié)構(gòu)原理，它具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一基體1 和第二基體2構(gòu)成繞制線圈的骨架，第一基體1上繞有激勵(lì)線圈3和第一感應(yīng)線圈5， 第二基體2上繞有第二感應(yīng)線圈4，激勵(lì)線圈3與第一感應(yīng)線圈5相對(duì)不動(dòng)，但第二 感應(yīng)線圈4與激勵(lì)線圈3及第一感應(yīng)線圈5相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由與激勵(lì)線圈3共基體的第一 感應(yīng)線圈5生成一路信號(hào)，與第二感應(yīng)線圈4信號(hào)比相。參見(jiàn)圖1 (c)，此為本傳感器的第三種結(jié)構(gòu)原理，它具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一基體1 和第二基體2構(gòu)成繞制線圈的骨架，另還有與第一基體1相對(duì)不動(dòng)的第三基體6，第 一基體1上繞有激勵(lì)線圈3，第三基體6上繞有第一感應(yīng)線圈5，第二基體2上繞有 第二感應(yīng)線圈4，激勵(lì)線圈3與第一感應(yīng)線圈5相對(duì)不動(dòng)，但第二感應(yīng)線圈4與激勵(lì) 線圈3及第一感應(yīng)線圈5相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由繞在第三基體6上并與第一基體1保持位置一 致的第一感應(yīng)線圈5生成一路信號(hào)，與第二感應(yīng)線圈4信號(hào)比相。本傳感器的原理如圖2所示，當(dāng)激勵(lì)線圈通過(guò)多相交流電流時(shí)，將在兩個(gè)感應(yīng)線 圈上分別得到與激勵(lì)電源同頻率的交變信號(hào)，測(cè)量時(shí)與激勵(lì)線圈保持同樣位置而無(wú)相 對(duì)運(yùn)動(dòng)的感應(yīng)線圈信號(hào)相位保持固定不變；而另一感應(yīng)線圈信號(hào)則隨反應(yīng)被測(cè)運(yùn)動(dòng)的 基體的位移而產(chǎn)生相位移動(dòng)。激勵(lì)線圈連接激勵(lì)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(hào)，兩路輸出的電信號(hào)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(jìn)行相位比較；兩路信號(hào)的相位差由插補(bǔ)的時(shí)鐘脈 沖個(gè)數(shù)表示，再換算成直線位移值，經(jīng)微處理器及存儲(chǔ)器處理后作直線位移數(shù)據(jù)顯示。 若沒(méi)有設(shè)置與激勵(lì)線圈相對(duì)固定的感應(yīng)線圈，則可直接采用激勵(lì)信號(hào)和感應(yīng)線圈輸出 的電信號(hào)分別連接到放大電路，后續(xù)信號(hào)處理是一樣的。參見(jiàn)圖3、圖4和圖5，時(shí)柵直線位移傳感器由長(zhǎng)尺(或定尺)和短尺(或動(dòng)尺)構(gòu) 成，繞線的基體采用等分開(kāi)槽的金屬或非金屬基體7。在加工等分開(kāi)槽時(shí)，為了提高 等分精度和簡(jiǎn)化工藝，也可采用兩種不同直徑的圓柱體8或球體，排列鋪設(shè)如圖3(a)、 圖3 (b)和圖3 (c)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(gè)槽中，形成另一層，從而自 然形成等分開(kāi)槽的繞線骨架。定尺和動(dòng)尺采用同樣的結(jié)構(gòu)形成，只是長(zhǎng)短不一樣。進(jìn)一步如圖4所示，長(zhǎng)、短尺兩部份基體以滑動(dòng)導(dǎo)軌的方式相結(jié)合。如圖4(a) 所示，長(zhǎng)尺基體9由一根金屬體同時(shí)提供a、 b、 c三個(gè)基準(zhǔn)面，其中a、 c面平行， 而b面與a、 c面垂直(根據(jù)實(shí)際情況，也可采用燕尾槽或圓弧槽等方式，則b面為斜 面或圓弧面等)。a面為長(zhǎng)尺繞線骨架基準(zhǔn)面，用于鋪設(shè)長(zhǎng)尺的兩層圓柱體，構(gòu)成長(zhǎng)尺 繞線骨架；b、 c面則用于為短尺滑塊提供滑動(dòng)導(dǎo)程基準(zhǔn)面。如圖4(b)所示，短尺基 體10—部分為與長(zhǎng)尺的b、 c相配合的滑槽， 一部分則再布置兩層圓柱體，構(gòu)成短尺 繞線骨架。將兩部份組裝在一起如圖4(c)和圖4 (d)所示，短尺通過(guò)長(zhǎng)尺上的導(dǎo)程 基準(zhǔn)面安裝在長(zhǎng)尺上，與長(zhǎng)尺融為一體，并可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易加工、 整體性好。根據(jù)使用情況也可以將長(zhǎng)尺作為動(dòng)尺，短尺作為定尺，二者保持相對(duì)運(yùn)動(dòng) 即可。如圖5所示，長(zhǎng)尺基體上繞有激勵(lì)線圈3和相對(duì)不動(dòng)的第一感應(yīng)線圈5，短尺基 體上繞有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第二感應(yīng)線圈4。繞線釆用普通多極交流電機(jī)的繞線方法，或"8" 字形、"幾"字繞線法而形成沿直線分布的多極繞組。圖5為采用單匝線和"幾"字 形繞線法在等分開(kāi)槽的基體上繞線的示意圖，為清楚起見(jiàn)，只畫(huà)出三相激勵(lì)中的一相， 采用的是上述第二種形式即圖l(b)結(jié)構(gòu)。當(dāng)動(dòng)、定尺發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)感應(yīng)繞組 上的感應(yīng)信號(hào)發(fā)生相位差，將其用時(shí)間差A(yù)r來(lái)表示，則其位移的計(jì)算公式為jc二5;Ar二B,Ar-s/r2;p, (2) 其中x—直線位移，萬(wàn)一常數(shù)，『一線圈節(jié)距(單位為長(zhǎng)度值)，r一信號(hào)周 期，/—激勵(lì)電源頻率，Ar—測(cè)得的時(shí)間差，S^—時(shí)鐘脈沖累積數(shù)。
權(quán)利要求
1、一種時(shí)柵直線位移傳感器，傳感器有兩部份等分開(kāi)槽的直線形基體構(gòu)成繞制線圈的骨架，作為長(zhǎng)尺或短尺；其特征在于一基體上繞有激勵(lì)線圈，另一基體上繞有感應(yīng)線圈；感應(yīng)線圈與激勵(lì)線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)；激勵(lì)線圈連接激勵(lì)電源，激勵(lì)信號(hào)和感應(yīng)線圈輸出的電信號(hào)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(jìn)行相位比較；兩路信號(hào)的相位差由插補(bǔ)的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)表示，再換算成直線位移值，直接或經(jīng)微處理器及存儲(chǔ)器處理后作直線位移數(shù)據(jù)顯示。
2、 一種時(shí)柵直線位移傳感器，傳感器有2-3部份等分開(kāi)槽的直線形基體構(gòu)成繞 制線圈的骨架，作為長(zhǎng)尺或短尺；其特征在于對(duì)于采用兩部分基體的情況， 一基體上 共同繞有激勵(lì)線圈和第一感應(yīng)線圈，另一基體上繞有第二感應(yīng)線圈；對(duì)于采用三部分 基體的情況，激勵(lì)線圈和第一感應(yīng)線圈分別繞在兩個(gè)相對(duì)位置不動(dòng)的基體上，第三基 體上繞有第一感應(yīng)線圈，第一感應(yīng)線圈與激勵(lì)線圈保持空間位置不變，第二感應(yīng)線圈 與激勵(lì)線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)；在這兩種情況下，激勵(lì)線圈連接激勵(lì)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(hào)，兩路輸出的電信號(hào)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(jìn)行相位比較；兩路信號(hào)的相位差由插 補(bǔ)的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)表示，再換算成直線位移值，直接或經(jīng)微處理器及存儲(chǔ)器處理后作 直線位移數(shù)據(jù)顯示。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的時(shí)柵直線位移傳感器，其特征在于感應(yīng)線圈由l個(gè) 或多個(gè)感應(yīng)線圈串聯(lián)或并聯(lián)組成，線圈位置按空間均布。
4、 如權(quán)利要求3所述的時(shí)柵直線位移傳感器，其特征在于基體上的等分開(kāi)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(gè)槽中，形成另 一層，從而自然形成等分的開(kāi)槽。
5、 如權(quán)利要求3所述的時(shí)柵直線位移傳感器，其特征在于，在作為長(zhǎng)尺的基體 上，既具有長(zhǎng)尺繞線骨架基準(zhǔn)面，又具有供短尺滑動(dòng)的導(dǎo)程基準(zhǔn)面，短尺通過(guò)長(zhǎng)尺上 的導(dǎo)程基準(zhǔn)面安裝在長(zhǎng)尺上，與長(zhǎng)尺融為一體，并沿長(zhǎng)尺相對(duì)滑動(dòng)。
6、 如權(quán)利要求3所述的時(shí)柵直線位移傳感器，其特征在于所述存儲(chǔ)器中固化有 本時(shí)柵位移傳感器與其它高精度傳感器進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)柵直線位移傳感器，屬于位移精密測(cè)量裝置。傳感器有兩部份等分開(kāi)槽的直線形基體構(gòu)成繞制線圈的骨架，作為長(zhǎng)尺或短尺；其特征在于一基體上繞有激勵(lì)線圈，另一基體上繞有感應(yīng)線圈；感應(yīng)線圈與激勵(lì)線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)；激勵(lì)線圈連接激勵(lì)電源，激勵(lì)信號(hào)和感應(yīng)線圈輸出的電信號(hào)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(jìn)行相位比較；兩路信號(hào)的相位差由插補(bǔ)的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)表示，再換算成直線位移值，直接或經(jīng)微處理器及存儲(chǔ)器處理后作直線位移數(shù)據(jù)顯示。本傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、分辨力高、抗干擾力強(qiáng)、易于產(chǎn)品化的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D5/12GK101556138SQ200810070399
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)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, 偉 楊, 王先全, 淳 董 申請(qǐng)人:重慶工學(xué)院