一種齒電式時柵傳感器的製作方法
2023-05-26 21:03:16
專利名稱：一種齒電式時柵傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於位移傳感器技術。
背景技術：
在現有的靜態、動態位移傳感器中，以磁柵、光柵、感應同步器為代表，已被廣泛採用多年。它們的優點在於精度高，缺點在於價格太貴，而且不適合在惡劣的環境中使用。其原因在於上述傳感器的測量精度取決它本身基準件的製造精度，精密的製造工藝導致產品成本高，精密的結構形式導致其特別嬌氣，容易變形損壞。
發明內容
本實用新型的目的在於針對上述問題，提出一種新的可同時兼顧動、靜態測量的齒電式時柵位移傳感器(簡稱齒電柵)，即利用達到普通均分精度的固體骨架形成按一定規律排列的線圈組，以此得到能夠將機械位移與電信號的相位移一一對應的電行波信號，通過對此信號相位變化的測量而得到位移變化量，實現高精度測量。
為了實現上述目的而設計的技術方案分為角位移和直線位移測量兩種情況測量角位移的齒電式時柵傳感器具有定子和轉子，它在定子和轉子上沿圓周均開有上下平行的兩組槽齒，且定子與轉子上的槽齒數相同，其中選擇定子或轉子上的兩組槽齒沿圓周錯開半齒形成正交，而另兩組槽齒則不錯開，形成雙聯齒輪狀，在定子和轉子上以槽齒均勻間隔(如間隔一齒、兩齒等)分別正方向、反方向各繞有線圈，共形成四個沿圓周分布的以相鄰齒為周期的線圈組。將兩組線圈組作為激勵線圈，通以時間正交的兩路簡諧波激勵，而在另兩組線圈組中得到駐波響應，作為駐波響應線圈，將兩路駐波相加即得到電行波，電行波的相位移動與被檢測的空間位移一一對應，於是可以通過相位所反應的時間差測出位移量。
測量直線位移的齒電式時柵傳感器與上述角位移的傳感器具有相同的基本結構，它是在定尺和動尺上沿直線均開有上下平行的兩組槽齒，且定尺與動尺上的槽齒數相同，其中選擇定尺或動尺上的兩組槽齒沿直線錯開半齒形成正交，另兩組槽齒則不錯開；在定尺和動尺上以槽齒均勻間隔(如間隔一齒、兩齒等)分別沿正方向、反方向各繞有線圈，共形成四個沿直線分布的以相鄰齒為周期的線圈組。將兩組線圈組作為激勵線圈，通以時間正交的兩路簡諧波激勵，而另兩組線圈組為駐波響應線圈，兩路駐波相加即得到電行波，電行波的相位移動與被檢測的空間位移一一對應，於是可以通過相位所反應的時間差測出位移量。
上述兩種傳感器中所提到的每組槽齒的數量一般都成偶數，開槽精度不需要很高，有普通齒輪(齒條)國家標準7級精度即可。
上述傳感器的電信號合成關係如下一組線圈輸入激勵u1=Acos2tT,]]>相對的一組線圈的輸出響應U1=Bsin2xWcos2tT,]]>另一組線圈的輸入激勵u2=Asin2tT,]]>相對的另一組線圈的輸出響應U2=Bcos2xWsin2tT,]]>輸入輸出信號的合成為電行波E=U1+U2=Ksin2(tT+xW).]]>由於本實用新型設計的傳感器是用普通分度精度的骨架為基準，所以還需要利用諧波誤差校正以實現高精度測量，以下以角位移傳感器為例說明其基本原理若外圈通電激勱，內圈實質為一個均布的z個測頭串聯而成的拾信器，因所有的圓周誤差均為周期函數，按富裡葉級數可展開成i(0-∝)次諧波的合成。眾所周知，這z個測頭消除了除iz次以外的全部誤差，可使精度提高十倍以上。剩下的iz次諧波誤差均勻分布在每相鄰齒內，採用計算機進行諧波校正，精度可再提高1～2個數量級以上。
因此，採用本實用新型所設計的上述結構形式，傳感器的骨架可以採用任何普通精度機械加工設備，來保證線圈分布的均勻，價廉且結實，繞線也很簡單，故而成本低，結實耐用，經得起惡劣工作環境的摔打碰撞，可以取代當今任何一種靜、動態測量手段來實現高精度測量。
圖1A是角位移傳感器的定子與轉子的齒狀固體骨架結構示意圖；圖1B是圖1A的的沿直徑剖面的展成示意圖；圖2是線圈沿齒狀固體骨架的一種繞線方式。
圖3是雙聯齒輪形式的角位移傳感器的線圈分布圖；圖4是上下端面齒輪形式的角位移傳感器的線圈分布圖；圖5A是直線位移傳感器的定尺與動尺的骨架結構示意圖；圖5B是圖5A的A-A剖面圖。
具體實施方式
為了方便，先以角位移為例描述本實用新型的結構先機械加工出齒狀線圈骨架如圖1A和圖1B示，內為轉子1，外為定子2，轉子和定子的外圓周上都開有上下平行的兩組槽齒3、4和5、6，齒數不限，一般為偶數，為雙聯齒輪狀。其中將定子上的兩組槽齒5與6設計為沿圓周錯開半齒形成正交，轉子上的兩組槽齒則不錯開，圖1A中的W是齒距。。
再在各個齒狀骨架上以相鄰兩齒為一組分別沿正方向、反方向各繞線圈n匝，形成如圖2所示的沿圓周分布並以相鄰齒為周期的串聯線圈組。線圈組有四個，分別是定圈組7、8，動圈組9、10，上下內外兩兩成對，按一定規律排列，使一組逐齒滿足正交即錯開半齒空間位置，另一組則不錯開。
在兩組錯開的定圈組7和8中通以時間正交的兩路簡諧波激勵，而在不錯開的兩組動圈組9和10中得到兩路駐波響應。將兩路駐波相加而得到電行波，其移相大小直接反映角位移大小，輸入輸出信號的合成如圖3所示。定圈組7輸入激勵u1=Acos2tT,]]>相對的動圈組9的輸出響應U1=Bsin2xWcos2tT;]]>另一定圈組8的輸入激勵u1=Asin2tT,]]>相對的另一動圈組10的輸出響應U2=Bcos2xWsin2tT,]]>輸入輸出信號的合成E=U1+U2=Ksin2(tT+xW).]]>上述結構製作完成後，還需對諧波誤差進行校正，使整個傳感器精度提高。
對於角位移傳感器，上述結構只是一種線圈組組合方式，還可以有多種組合演變形式，其相對運動和作用的原理是一樣的，如①內線圈作為定圈，外線圈作為動圈；②內線圈錯開半齒，外線圈不錯開；⑨內線圈通入激勵，外線圈得到響應；④定子和轉子不是內外齒輪形式，而是上下端面齒輪形式如圖4所示。
⑤定子和轉子可以是雙聯齒輪，也可以是多聯齒輪的組合。
以上敘述是以角位移測量為例，如果不是以齒輪的形式，而是以齒條的形式對線圈進行布局如圖5所示，則可實現直線位移測量。此時動尺11相當於轉子，定尺12相當於定子，在定尺12和動尺11上沿直線均開有上下平行的兩組槽齒，且定尺與動尺上的槽齒數相同，其中定尺12上的兩組槽齒沿直線錯開半齒形成正交，動尺11上兩組槽齒則不錯開，在定尺和動尺上以相鄰兩齒為一組，分別沿正方向、反方向各繞有線圈，共形成四個沿直線分布的以相鄰齒為周期的線圈組13、14、15、16。將兩組定圈組13和14作為激勵線圈，通以時間正交的兩路簡諧波激勵，而另兩組動圈組15和16為駐波響應線圈，兩路駐波相加即得到電行波。本結構中，動、定尺齒數(線圈數)不相等不影響原理。
實驗表明本齒電柵傳感器精度與光柵感應同步器相當，可以滿足工程要求。而成本僅為其1/10左右。更有不可比擬的優點耐摔打，不嬌氣，適用於航空，航天，武器等惡劣環境中。
權利要求1.齒電式時柵傳感器，它具有定子和轉子，其特徵在於在定子和轉子上沿圓周均開有上下平行的兩組槽齒，且定子與轉子上的槽齒數相同，其中選擇定子或轉子上的兩組槽齒沿圓周錯開半齒形成正交，另兩組槽齒則不錯開；在定子和轉子上以槽齒均勻間隔分別沿正方向、反方向各繞有線圈，共形成四個沿圓周分布的以相鄰齒為周期的線圈組，將兩組線圈組作為激勵線圈，通以時間正交的兩路簡諧波激勵，而另兩組線圈組為駐波響應線圈，兩路駐波相加即得到電行波，電行波的相位移動與被檢測的空間位移一一對應。
2.齒電式時柵傳感器，它具有定尺和動尺，其特徵在於在定尺和動尺上沿直線均開有上下平行的兩組槽齒，且定尺與動尺上的槽齒數相同，其中選擇定尺或動尺上的兩組槽齒沿直線錯開半齒形成正交，另兩組槽齒則不錯開；在定尺和動尺上以槽齒均勻間隔，分別沿正方向、反方向各繞有線圈，共形成四個沿直線分布的以相鄰齒為周期的線圈組，將兩組線圈組作為激勵線圈，通以時間正交的兩路簡諧波激勵，而另兩組線圈組為駐波響應線圈，兩路駐波相加即得到電行波，電行波的相位移動與被檢測的空間位移一一對應。
專利摘要本實用新型提出一種新的可同時兼顧動、靜態測量的齒電式時柵位移傳感器，它是在定子/定尺和轉子/動尺上均開有兩組槽齒，選擇定子/定尺或轉子/動尺上的兩組槽齒錯開半齒形成正交，而另兩組槽齒則不錯開，在定子/定尺和轉子/動尺上以槽齒均勻間隔分別正方向、反方向各繞有線圈，將兩組線圈組作為激勵線圈，通以時間正交的兩路簡諧波激勵，而在另兩組線圈組中得到駐波響應，作為駐波響應線圈，將兩路駐波相加即得到電行波，其移相大小就直接反映角位移或直線位移大小。本傳感器的定子/定尺和轉子/動尺骨架可以採用任何普通精度的機械加工設備，來保證線圈分布的均勻，價廉且結實，繞線也很簡單，故而成本低，結實耐用，經得起惡劣工作環境的摔打碰撞，可以取代當今任何一種靜、動態測量手段來實現高精度測量。
文檔編號G01D5/244GK2893653SQ200620110198
公開日2007年4月25日 申請日期2006年3月24日 優先權日2006年3月24日
發明者彭東林, 和子康, 陳錫侯, 朱革, 楊偉, 王先全, 劉小康, 張興紅 申請人:重慶工學院