專利名稱：鏡像柱面螺線形線圈電磁角度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電磁角度傳感器技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用于機(jī)械轉(zhuǎn)角的測(cè)量。
背景技術(shù)：
目前，利用電磁原理制造的角度傳感器在各種儀器和設(shè)備上有著廣泛的應(yīng)用，感 應(yīng)同步器(INDUCT0SYN)就是這類部件的典型代表，它出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，由美國(guó)一家 公司(FARRAND)發(fā)明和生產(chǎn)，如今仍然是有著重大應(yīng)用意義的一類測(cè)量部件。感應(yīng)同步器 有角度傳感器和長(zhǎng)度傳感器。電磁角度傳感器是采用電磁感應(yīng)原理為設(shè)計(jì)基本根據(jù)，通過(guò)激磁電路對(duì)激磁線圈 (原線圈)輸入變化電流，使得感應(yīng)線圈(副線圈)輸出感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓的形狀取決于 激磁電流的變化、線圈形狀和激磁線圈與感應(yīng)線圈的相互位置。主要有兩種電磁感應(yīng)方式， 一種是兩路正交的激磁信號(hào)輸入，一路感應(yīng)電壓信號(hào)輸出，利用相位移動(dòng)量換算出角位移； 另一種是一路激磁信號(hào)輸入，兩路不同位置感應(yīng)線圈感應(yīng)的電壓信號(hào)輸出，利用它們幅值 量之比換算出角位移。隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的發(fā)展，后一種已成為了主流設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)角度測(cè) 量應(yīng)包括如下部分電磁角度傳感器、激磁電路、感應(yīng)電壓放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字處 理器和數(shù)據(jù)處理軟件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種電磁角度傳感器，采用柱面正反螺線形的激磁線圈和感應(yīng)線圈的同 軸鏡像對(duì)稱結(jié)構(gòu)，一路激磁信號(hào)輸入，兩路感應(yīng)電壓信號(hào)輸出，其目的是為了消除激磁線圈 和感應(yīng)線圈軸向相對(duì)微小竄動(dòng)對(duì)旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量精度的影響，激磁信號(hào)為激磁電流強(qiáng)度曲線 為間斷正弦形或間斷的鋸齒形，在保證感應(yīng)電壓采樣前提下，空閑時(shí)間激磁電流為零，以減 少熱量產(chǎn)生。要解決的技術(shù)問(wèn)題當(dāng)激磁線圈和感應(yīng)線圈的導(dǎo)線與旋轉(zhuǎn)軸垂直或平行情況下，在原理上兩組線圈的 軸向相對(duì)竄動(dòng)不會(huì)對(duì)兩路輸出的感應(yīng)電壓幅值量之比產(chǎn)生影響，從而不會(huì)影響角度測(cè)量精 度。當(dāng)前，有采用垂直于旋轉(zhuǎn)軸平面上阿基米德螺線形線圈的電磁角度傳感器(美國(guó)CARCO 公司生產(chǎn))。如果兩組線圈的導(dǎo)線與回轉(zhuǎn)軸不垂直且不平行，都有一個(gè)相同的固定角度時(shí)， 兩組線圈的軸向相對(duì)竄動(dòng)會(huì)對(duì)兩路輸出的感應(yīng)電壓幅值量之比產(chǎn)生較大的影響，其程度相 當(dāng)于轉(zhuǎn)角對(duì)此比值的影響，于是，軸向相對(duì)竄動(dòng)影響了相對(duì)角度的測(cè)量。為了解決這個(gè)問(wèn) 題，本發(fā)明采用一柱面正螺線形線圈傳感頭和一柱面反螺線形線圈傳感頭組成一個(gè)傳感 器，可以消除一定范圍內(nèi)的軸向竄動(dòng)對(duì)兩路輸出的感應(yīng)電壓幅值量之比的影響，從而消除 對(duì)角度測(cè)量精度產(chǎn)生的影響。技術(shù)方案激磁線圈產(chǎn)生有用磁場(chǎng)的導(dǎo)線形狀和感應(yīng)線圈感應(yīng)有用電壓的導(dǎo)線形狀均為柱 面螺線，每根導(dǎo)線的螺距和軸向尺寸是相等的，激磁線圈有2N條螺線形導(dǎo)線，感應(yīng)線圈有4N條螺線形導(dǎo)線，這兩組導(dǎo)線分別均勻分布在兩個(gè)直徑不同的圓柱形機(jī)體上，所謂均勻分 布指的是起始端和末端，分別都在垂直于軸線的兩個(gè)截面上，且在360°內(nèi)均勻分布。將 兩個(gè)線圈同軸地、端點(diǎn)對(duì)齊地套在一起，即組成了一個(gè)電磁傳感頭。采用正螺紋形和反螺紋 形線圈各做一個(gè)電磁傳感頭，兩個(gè)電磁傳感頭再鏡像對(duì)稱地相接，即形成了本發(fā)明所指的 電磁角度傳感器核心部分，螺線形導(dǎo)線連接成激磁回路和感應(yīng)回路的具體方法之一是按如 下面所講的規(guī)則連接。激磁線圈連接方法是1、將兩個(gè)電磁傳感頭的激磁線圈鏡像相鄰的 導(dǎo)線端相接，形成每根導(dǎo)線都具有正反螺線兩個(gè)部分，2、激磁線圈上的導(dǎo)線的一端第2根 與第3根相接，第4根與第5根相接，直到第(N-2)根與第(N-I)根相接，留有第1根與第N 根的兩端為激磁信號(hào)的輸入端，3、激磁線圈上的導(dǎo)線的另一端第1根與第2根相接，第3根 與第4根相接，直到第QN-1)根與第2N根相接。感應(yīng)線圈連接方法是1、將兩個(gè)電磁傳感 頭的感應(yīng)線圈鏡像相鄰的導(dǎo)線端相接，形成每根導(dǎo)線都具有正反螺線兩個(gè)部分，2、感應(yīng)圈 上的導(dǎo)線的一端第3根與第5根相接，第4根與第6根相接，第7根與第9根相接，第8根 與第10根相接，直到第GN-5)根與第GN-3)根相接和第GN-4)根與第0N-2)根相接， 留有第1根與第GN-1)根的兩端為一路感應(yīng)電壓的輸出端，留有第2根與第4N根的兩端 為另一路感應(yīng)電壓的輸出端，3、感應(yīng)圈上的導(dǎo)線的另一端第1根與第3根相接，第2根與第 4根相接，直到第(ND根與第(N-I)根相接和第(N-幻根與第N根相接，至此，連接完成。將平面360°等分為N個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)，可以測(cè)量出相對(duì)角度值。因?yàn)楦袘?yīng) 電壓的采樣值曲線在360°范圍內(nèi)為具有N個(gè)周期的周期函數(shù)曲線，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)角角度超出 區(qū)域范圍時(shí)，將無(wú)法測(cè)量實(shí)際角度值(需加另一個(gè)傳感器與之配和，才能測(cè)量，不在本文討 論)。根據(jù)測(cè)量角度區(qū)域的大小、測(cè)量精度和制造的難易程度來(lái)決定N的取值。以平面360°對(duì)應(yīng)感應(yīng)電壓定時(shí)采樣的數(shù)據(jù)曲線為一個(gè)周期的傳感器為例(選N =1)。

圖1為激磁線圈和感應(yīng)線圈形狀的示意圖，它們的左右工作部分線圈相對(duì)于垂直軸 線的中面是鏡像對(duì)稱的。此兩種線圈分別安裝在兩個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的同軸部件上，哪個(gè)線圈在 外層可根據(jù)實(shí)際情況而定。以外部是激磁線圈為例，圖1中直徑大的激磁線圈是套在直徑 小的感應(yīng)線圈外部。當(dāng)變化的電流接入e+和e-兩端后，激磁線圈里變化的電流將產(chǎn)生變 化的磁場(chǎng)。感應(yīng)線圈為兩個(gè)獨(dú)立的線圈，這兩個(gè)線圈的繞法相同，位置有區(qū)別，其中一個(gè)輸 出感應(yīng)電壓的信號(hào)由S+和S-兩端輸出，記為S，另一個(gè)輸出感應(yīng)電壓的信號(hào)由C+和C-兩 端輸出，記為C。有多種電流變化曲線的激磁方式，本發(fā)明采用激磁電流強(qiáng)度曲線為間斷正弦形或 間斷的鋸齒形，現(xiàn)以間斷的鋸齒形為例，感應(yīng)輸出的電壓為間斷方波，如圖2所示。間斷比 連續(xù)要減小功耗，減少熱的產(chǎn)生。采樣頻率與激磁頻率相同。參看示意圖3，下一排導(dǎo)線代表激磁線圈，線段12和線段34代表感應(yīng)線圈。在時(shí) 刻ti;線段12上感應(yīng)出的電壓Uli與激磁線圈的相對(duì)位置有關(guān)，定Ll為激磁線圈和感應(yīng) 線圈相對(duì)位移量在平行于軸線且含有軸線的選定平面上的投影分量(選定一個(gè)合適的零 點(diǎn)，)，可得到感應(yīng)電壓Uli相對(duì)于Ll的變化曲線，如圖3的左下腳所示，其周期為激磁線圈 導(dǎo)線的2倍螺距，同理，線段34上感應(yīng)電壓叫隨L2的變化曲線如圖3的右下腳所示。將2端和3端連通，1端和4端之間的電壓輸出為Uli+U2i，可表示為Ul^Uli = UmxSIN 2π— +UmaxSIN 2π —ν L )V L )
在感應(yīng)頭實(shí)際工作中，激磁線圈與感應(yīng)線圈除了繞軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ可以引起 Ll和L2-變化外，軸向的相對(duì)竄動(dòng)也引起它們的變化，設(shè)軸向相對(duì)移動(dòng)量為ΔΧ，則感應(yīng)線 圈的輸出為
權(quán)利要求
1.電磁角度傳感器的鏡面對(duì)稱螺旋線圈的結(jié)構(gòu)。
2.激磁電流的強(qiáng)度曲線為間斷曲線。
全文摘要
本發(fā)明為一種新型電磁角度傳感器，它采用具有正反柱面螺線形線圈鏡面對(duì)稱的結(jié)構(gòu)制做激磁線圈和感應(yīng)線圈，參看附圖(線圈結(jié)構(gòu)示意圖)，由此來(lái)消除激磁線圈相對(duì)感應(yīng)線圈軸向微小竄動(dòng)對(duì)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度計(jì)算精度的影響，本發(fā)明采用一路幾次信號(hào)，兩路感應(yīng)電壓輸出的設(shè)計(jì)，由同步于激磁信號(hào)的采樣獲得兩路感應(yīng)電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，利用此組數(shù)值計(jì)算出相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度。激磁電流的強(qiáng)度曲線為間斷曲線，在保證采樣正常的前提下，空閑時(shí)間段激磁電流為零，從而減少熱量產(chǎn)生，提高穩(wěn)定性。本發(fā)明給出了設(shè)計(jì)制造方案和理論依據(jù)。
文檔編號(hào)G01B7/30GK102042801SQ201010253660
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月16日
發(fā)明者不公告發(fā)明人 申請(qǐng)人:葛幸華