專利名稱：高精度磁性位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種高精度磁性位移傳感器，特別是一種基于電磁感應(yīng)原理，采 用磁帶和磁感應(yīng)元件來產(chǎn)生電磁感應(yīng)的高精度磁性位移傳感器，屬于機(jī)電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
位移傳感器是一種用于測(cè)量實(shí)物尺寸和機(jī)械位移的機(jī)電裝置。目前，廣泛應(yīng)用于 各種精密觸控機(jī)床、數(shù)字機(jī)械制造、電子測(cè)量與制造、船舶、紡織、印刷、航空、軍工、汽車制 造、試驗(yàn)機(jī)、電梯、化工等，是一種應(yīng)用范圍很廣的機(jī)電裝置。目前，應(yīng)用于位移測(cè)量的傳感器技術(shù)主要有兩大類接觸類與非接觸類。接觸類的主要有電阻式直線位移傳感器等，目前主要包括金屬導(dǎo)體類與電塑料式 位移傳感器兩種。這類傳感器原理簡(jiǎn)單，制造與應(yīng)用很成熟，應(yīng)用廣泛，價(jià)格低廉，但是不適 合大量程測(cè)量，使用壽命短，不適合工業(yè)應(yīng)用，非數(shù)字化。非接觸類位移傳感器有電容式位移傳感器、電感式位移傳感器、超聲波式位移傳 感器、激光式位移傳感器、電渦流式位移傳感器、差動(dòng)變壓器式位移傳感器(LVDT)、光柵式 位移傳感器、磁尺等。其中電容、電感、超聲波、激光、電渦流式位移傳感器均僅適用于體積 和量程比較小的應(yīng)用場(chǎng)所。差動(dòng)變壓器式位移傳感器(LVDT)是一種基于電磁感應(yīng)原理的開磁路弱耦合測(cè)量 元件。它采用環(huán)氧玻璃布、不銹鋼等材料作為線圈骨架，用不同線徑的漆包線，在骨架上繞 制一組初級(jí)線圈，兩組次級(jí)線圈。其工作方式依賴于在線圈骨架內(nèi)鐵芯的移動(dòng)。當(dāng)初級(jí)線圈 供給一定頻率的交變電壓(激勵(lì)電壓)時(shí)，鐵芯在線圈內(nèi)移動(dòng)就改變了空間的磁場(chǎng)分布，從 而改變了初、次級(jí)線圈之間的互感量，次級(jí)線圈就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，隨著鐵芯的位置不同， 互感量也不同，次級(jí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也不同，這樣就將鐵芯的位移量(實(shí)際的鐵芯是通 過測(cè)桿與被測(cè)物保持相接觸，也就是被測(cè)物體的位移量)變成了電壓信號(hào)輸出，繼而通過 信號(hào)放大與處理電路處理該電壓信號(hào)，并通過輸出接口輸出相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。但由于制造 與使用條件的限制，差動(dòng)變壓器式(LVDT)位移傳感器不適合超長(zhǎng)制造與應(yīng)用。光柵尺位移傳感器是一種利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置。光柵尺位移 傳感器經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，可用作直線位移或角位移的檢測(cè)。其測(cè)量輸出 的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測(cè)范圍大，檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。光柵尺位移傳感器是由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。標(biāo)尺光柵一半固定在 機(jī)床活動(dòng)部件上，光柵讀數(shù)頭由光源、會(huì)聚透鏡、指示光柵、光電元件及調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成，安 裝在機(jī)床固定部件上。常見光柵都是基于物理上莫爾條紋的形成原理來進(jìn)行工作的，其實(shí)質(zhì)就是以光柵 柵距為一把標(biāo)準(zhǔn)尺子對(duì)位移量進(jìn)行測(cè)量。高分辨率的光柵尺一般造價(jià)較貴，且制造、維護(hù)困 難，不適合超長(zhǎng)應(yīng)用。另外，由于原理性的問題，光柵尺位移傳感器對(duì)防塵、防油污、防腐蝕 有很高的要求，而且對(duì)有振動(dòng)和震動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合有一定的局限性。磁尺位置檢測(cè)裝置是由磁性標(biāo)尺(簡(jiǎn)稱磁尺)、磁頭和檢測(cè)電路組成，其測(cè)量原理類似于磁帶的錄音原理。在非導(dǎo)磁的材料如銅、不銹鋼、玻璃或其他合金材料的基體上鍍一 層磁性薄膜(常用Ni-Co-P或Fe-Co合金)。測(cè)量線位移時(shí)，不導(dǎo)磁的物體可以做成尺形 (帶形)；測(cè)量角位移時(shí)，可做成圓柱形。在測(cè)量前，先按標(biāo)準(zhǔn)尺度以一定間隔在磁性薄膜上 錄制一系列的磁信號(hào)，這時(shí)的磁性薄膜稱為磁柵，測(cè)量時(shí)，磁柵隨位移而移動(dòng)(或轉(zhuǎn)動(dòng))并 用磁頭讀取(感應(yīng))這些移動(dòng)的磁柵信號(hào)，使磁頭內(nèi)的線圈產(chǎn)生感應(yīng)正弦電動(dòng)勢(shì)，對(duì)這些電 動(dòng)勢(shì)的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以測(cè)量位移了。但目前數(shù)控機(jī)床的快速移動(dòng)的速度已達(dá)到24m/ min，磁尺作為測(cè)量元件難以跟上這樣高的反應(yīng)速度，使其應(yīng)用受到限制。有鑒于此，為了提高位移傳感器的性能與可靠性，本實(shí)用新型提供了一種高精度 磁性位移傳感器。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種基于電磁感應(yīng)原 理，采用磁帶和磁感應(yīng)元件來產(chǎn)生電磁感應(yīng)的高精度磁性位移傳感器。本實(shí)用新型的目的是通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的高精度磁性位移傳感器，其特征在于包括磁帶、磁感應(yīng)元件、信號(hào)放大與處理 電路、數(shù)字信號(hào)處理器、程序存儲(chǔ)器、輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換與接口 ；所述磁帶為由N極與S極交替相間構(gòu)成的磁柵帶；該磁帶固定于待檢測(cè)設(shè)備上，可 隨待檢測(cè)設(shè)備沿著直線運(yùn)動(dòng)；所述磁感應(yīng)元件與磁帶相對(duì)設(shè)置；在該磁感應(yīng)元件與磁帶之間留有一定間隙；該 磁感應(yīng)元件在與所述磁帶的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生電磁感應(yīng)信號(hào)；所述信號(hào)放大與處理電路與所 述磁感應(yīng)元件相連接，將該電磁感應(yīng)信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；所述信號(hào)放大與處理電 路與所述數(shù)字信號(hào)處理器相連接，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送至所述數(shù)字信號(hào)處理器；所述 數(shù)字信號(hào)處理器與所述程序存儲(chǔ)器相連，調(diào)用在程序存儲(chǔ)器中所存儲(chǔ)的計(jì)算程序來處理所 述數(shù)字信號(hào)；所述數(shù)字信號(hào)處理器的輸出端與所述輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換與接口電路相連。所述磁帶由稀土元素材料制成。所述輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換與接口為同步串行接口、增量電路接口、脈寬調(diào)制接口、雙向同 步串行接口、串行外設(shè)接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換接口中的一種或是幾種的并聯(lián)組合。本實(shí)用新型的有益效果是采用磁帶作為標(biāo)尺的高精度磁性位移傳感器，提高了 測(cè)量精度和距離，增強(qiáng)了工作可靠性和環(huán)境適應(yīng)能力，多種輸出方式選擇也拓展了設(shè)備的 適用范圍。

圖1為高精度磁性位移傳感器原理圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。如前所述，現(xiàn)有各類位移傳感器在測(cè)量性能、可靠性與環(huán)境適應(yīng)能力等各方面均 不可兼顧。鑒于此，本實(shí)用新型基于電磁感應(yīng)原理，采用磁帶和磁感應(yīng)元件產(chǎn)生電磁感應(yīng)， 設(shè)計(jì)出了一種高精度磁性位移傳感器在各方面均有良好表現(xiàn)。[0023]圖1為高精度磁性位移傳感器的原理圖。如圖所示，該高精度磁性位移傳感器包 括磁帶11、磁感應(yīng)元件12、信號(hào)放大與處理電路2、數(shù)字信號(hào)處理器3、程序存儲(chǔ)器4、輸出 信號(hào)轉(zhuǎn)換與接口電路5。磁帶11是由N極與S極交替相間構(gòu)成的磁柵帶，由稀土元素材料制造而成。磁帶 11被固定于機(jī)器的某直線平面上，該平面可以沿著直線方向做雙向運(yùn)動(dòng)。磁感應(yīng)元件12與 信號(hào)放大與處理電路2相固定，并與磁帶11的磁柵平面帶有一定間隙。由于二者的相互運(yùn) 動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電磁感應(yīng)信號(hào)，該電信號(hào)在經(jīng)過信號(hào)放大與處理電路2進(jìn)行放大插補(bǔ)運(yùn)算后， 經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理器3調(diào)用程序存儲(chǔ)器4中的程序，將運(yùn)動(dòng)位移轉(zhuǎn)化為相關(guān)的電信號(hào)。根 據(jù)系統(tǒng)配置的不同，再經(jīng)過輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換與接口 5處理，轉(zhuǎn)換為所需的位移電信號(hào)。其中輸 出信號(hào)轉(zhuǎn)換與接口 5可以使同步串行接口、增量電路接口、脈寬調(diào)制接口、雙向同步串行接 口、串行外設(shè)接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換接口中的一種或是幾種的并聯(lián)組合?，F(xiàn)有碼盤的物理分辨率低，1 μ m分辨率算是高精度，如果要制造物理高分辨率的 光柵，不僅體積大，技術(shù)難度高，成本高，而且對(duì)制造裝置的技術(shù)要求與成本也很高。而磁帶 制作簡(jiǎn)單，錄磁、消磁和安裝調(diào)整都較方便，精度可達(dá)0. Ιμπι，免維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)。磁帶本 身可以做的很長(zhǎng)，從而大大增加了測(cè)量距離，本實(shí)用新型的測(cè)量距離通?？蛇_(dá)100米。由于 磁性位移傳感器原理上的優(yōu)勢(shì)，其在抗震防震性能、環(huán)境適應(yīng)能力上要優(yōu)于光柵尺位移傳 感器?，F(xiàn)有磁性位移傳感器通常采用磁頭來讀取(感應(yīng))磁柵信號(hào)，由于在工作時(shí)磁頭與 磁尺相互接觸，因而會(huì)有磨損，且很難提高其反應(yīng)速度，而本實(shí)用新型采用磁感應(yīng)元件來產(chǎn) 生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，有效的避免了這一弊端，并大大提高了測(cè)量速度，目前可達(dá)20m/s。綜上所述，本實(shí)用新型基于電磁感應(yīng)原理，采用磁帶和磁感應(yīng)元件來產(chǎn)生電磁感 應(yīng)所設(shè)計(jì)的高精度磁性位移傳感器，具有精度高、可靠性強(qiáng)、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本領(lǐng)一般 技術(shù)人員在此設(shè)計(jì)思想之下所做任何不具有創(chuàng)造性的改造均應(yīng)視為在本實(shí)用新型的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.高精度磁性位移傳感器，其特征在于包括磁帶、磁感應(yīng)元件、信號(hào)放大與處理電 路、數(shù)字信號(hào)處理器、程序存儲(chǔ)器、輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換與接口 ；所述磁帶為由N極與S極交替相間構(gòu)成的磁柵帶；該磁帶固定于待檢測(cè)設(shè)備上，可隨待 檢測(cè)設(shè)備沿著直線運(yùn)動(dòng)；所述磁感應(yīng)元件與磁帶相對(duì)設(shè)置；在該磁感應(yīng)元件與磁帶之間留有一定間隙；該磁感 應(yīng)元件在與所述磁帶的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生電磁感應(yīng)信號(hào)；所述信號(hào)放大與處理電路與所述磁 感應(yīng)元件相連接，將該電磁感應(yīng)信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；所述信號(hào)放大與處理電路與 所述數(shù)字信號(hào)處理器相連接，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送至所述數(shù)字信號(hào)處理器；所述數(shù)字 信號(hào)處理器與所述程序存儲(chǔ)器相連；所述數(shù)字信號(hào)處理器的輸出端與所述輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換與 接口電路相連。
2.如權(quán)利要求1所述的高精度磁性位移傳感器，其特征在于所述磁帶由稀土元素材 料制成。
3.如權(quán)利要求1所述的高精度磁性位移傳感器，其特征在于所述輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換與接 口為同步串行接口、增量電路接口、脈寬調(diào)制接口、雙向同步串行接口、串行外設(shè)接口、數(shù)模 轉(zhuǎn)換接口中的一種或是幾種的并聯(lián)組合。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種高精度磁性位移傳感器，包括磁帶、磁感應(yīng)元件、信號(hào)放大與處理電路、數(shù)字信號(hào)處理器、程序存儲(chǔ)器、輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換與接口；所述磁帶為由N極與S極交替相間構(gòu)成的磁柵帶；該磁帶固定于待檢測(cè)設(shè)備上；所述磁感應(yīng)元件與磁帶相對(duì)設(shè)置；該磁感應(yīng)元件在與所述磁帶的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生電磁感應(yīng)信號(hào)；所述信號(hào)放大與處理電路與所述磁感應(yīng)元件相連接；所述信號(hào)放大與處理電路與所述數(shù)字信號(hào)處理器相連接；所述數(shù)字信號(hào)處理器的輸出端與所述輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換與接口電路相連。該高精度磁性位移傳感器采用了磁帶和磁感應(yīng)元件來產(chǎn)生電磁感應(yīng)，有效提高了位移傳感器的測(cè)量性能、可靠性與環(huán)境適應(yīng)能力。
文檔編號(hào)G01B7/02GK201787917SQ20102022698
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者李新華 申請(qǐng)人:李新華