一種雙列式二維時柵直線位移傳感器的製作方法

2023-10-06 17:34:44

本發明屬於精密測量傳感器技術領域，具體涉及一種雙列式二維時柵直線位移傳感器。

背景技術：

直線位移測量是最基本的幾何量測量，大量存在於以製造業為代表的工業實踐和科學實踐中。現有關於平面二維位移測量的傳感器分為兩種，一種是在平面上相對互差90°垂直安裝兩個直線位移傳感器分別獲取平面二維直線位移量，另一種是採用單一的二維直線位移傳感器分別獲取兩個維度的位移量。垂直安裝兩個直線位移傳感器會給測量帶來阿貝誤差與安裝定位誤差，而且某些應用環境，不具備同時安裝兩個傳感器的條件。現有的二維直線位移傳感器主要有二維光柵、二維磁柵和二維容柵等，目前，常用的平面二維傳感器都是通過對空間均分的柵線進行計數得到位移量，其共同特點是利用柵線的空間超精密刻線來滿足微小位移的分辨力要求與精密測量要求，通常需要依靠複雜的電子細分技術，對傳感器輸出的原始信號進行細分處理，使測量系統的結構更加複雜，成本增加，且抗幹擾能力差，易受到工作環境幹擾的影響。

近年來國內研製出了一種以時鐘脈衝作為位移測量基準的時柵直線位移傳感器，其不依賴空間精密刻線，能實現高分辨力與高精度的位移測量。目前，已研製的二維時柵直線位移傳感器，分層較多，激勵線圈繞線複雜，從而使傳感器結構較複雜，製造難度大且成本高，並且傳感器的測量精度也會受到激勵線圈匝數和各匝線圈分布情況的影響。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種雙列式二維時柵直線位移傳感器，以減少傳感器線圈分層數與繞線複雜程度，簡化傳感器結構，降低製造成本。

本發明所述的雙列式二維時柵直線位移傳感器，包括定尺和與定尺平行正對且留有間隙的動尺。所述定尺包括定尺基體，設在定尺基體正對動尺一面且沿X方向相互平行的第一、第二激勵線圈，設在第一、第二激勵線圈之上的第二布線層和設在第二布線層內且沿Y方向相互平行的第三、第四激勵線圈；定尺基體的投影能將第一、第二、第三、第四激勵線圈完全覆蓋；所述第一、第二激勵線圈都沿X方向呈矩形波繞制，該矩形波的幅值為L1、周期為W1、佔空比為0.5，第二激勵線圈的起始位置與第一激勵線圈的起始位置相差所述第三、第四激勵線圈都沿Y方向呈矩形波繞制，該矩形波的幅值為L2、周期為W2、佔空比為0.5，第四激勵線圈的起始位置與第三激勵線圈的起始位置相差

所述動尺包括動尺基體和設在動尺基體正對定尺一面的第一、第二、第三、第四感應線圈，動尺基體的投影能將第一、第二、第三、第四感應線圈完全覆蓋；所述第一感應線圈沿周期為W1的曲線繞制，形成第一感應線圈繞線軌跡，所述第二感應線圈沿周期為W1的曲線繞制，形成第二感應線圈繞線軌跡，其中，i1依次取值0至j1-1中的所有整數，j1為整數且0＜j1＜N1(即j1為0與N1之間的任一整數)，N1表示第一、第二激勵線圈的矩形波周期數，b1為常數，且b1不等於0，A1表示第一、第二感應線圈繞線軌跡的幅值，且A1＜L1；所述第三感應線圈沿周期為W2的曲線繞制，形成第三感應線圈繞線軌跡，所述第四感應線圈沿周期為W2的曲線繞制，形成第四感應線圈繞線軌跡，其中，i2依次取值0至j2-1中的所有整數，j2為整數且0＜j2＜N2(即j2為0與N2之間的任一整數)，N2表示第三、第四激勵線圈的矩形波周期數，b2為常數，且b2不等於0，A2表示第三、第四感應線圈繞線軌跡的幅值，且A2＜L2；第一感應線圈與第二感應線圈串聯，第三感應線圈與第四感應線圈串聯，第一感應線圈與第一激勵線圈正對平行，第二感應線圈與第二激勵線圈正對平行，第三感應線圈與第三激勵線圈正對平行，第四感應線圈與第四激勵線圈正對平行。

定尺的第一、第二激勵線圈中通入兩相對稱激勵電流，第三、第四激勵線圈中通入兩相對稱激勵電流，當動尺與定尺發生相對運動時，第一、第二感應線圈輸出兩路感應信號，經串聯疊加形成X向行波信號，第三、第四感應線圈輸出兩路感應信號，經串聯疊加形成Y向行波信號，將該X向、Y向行波信號分別與同頻率參考信號進行比相，相位差由插補的高頻時鐘脈衝個數表示，經換算後得到動尺相對定尺在X方向和Y方向的直線位移。

所述定尺還包括設在第二布線層之上的定尺絕緣層；所述動尺還包括設在第一、第二、第三、第四感應線圈之下的動尺絕緣層。定尺絕緣層和動尺絕緣層可以避免第三、第四激勵線圈與第一、第二、第三、第四感應線圈接觸，避免影響感應信號的產生。

優選的，所述W1＝W2、L1＝L2、N1＝N2、A1＝A2、b1＝b2，所述j1、j2取值為4。

所述X向行波信號與同頻率參考信號經整形電路整形成方波後，再進行比相；所述Y向行波信號與同頻率參考信號經整形電路整形成方波後，再進行比相。

本發明中第一、第二、第三、第四激勵線圈採用矩形波繞線方式，第一、第二、第三、第四感應線圈採用半正弦繞線方式，其消除了對電磁矩形波信號採用諧波分析方法所帶來的高次諧波影響，提高了直線位移測量的精確度；並且也減少了傳感器線圈分層數與繞線複雜程度，簡化了傳感器結構，降低了製造成本。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為本發明中第一、第二激勵線圈的繞線示意圖。

圖3為本發明中第三、第四激勵線圈的繞線示意圖。

圖4為本發明中第一、第二、第三、第四感應線圈的繞線示意圖。

圖5為本發明的信號處理原理框圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作詳細說明。

如圖1至圖5所示的雙列式二維時柵直線位移傳感器，包括定尺1和與定尺1平行正對且留有0.2mm間隙的動尺2。

定尺1包括定尺基體11，布置在定尺基體11正對動尺一面的第一布線層內且沿X方向相互平行的第一激勵線圈12、第二激勵線圈13，設在第一布線層之上的第二布線層16，布置在第二布線層16內且沿Y方向相互平行的第三激勵線圈14、第四激勵線圈15和設在第二布線層16之上的定尺絕緣層17；第一、第二激勵線圈與第三、第四激勵線圈之間相互絕緣且互不幹擾，定尺基體11的投影能將第一、第二、第三、第四激勵線圈完全覆蓋，定尺基體11為厚度等於2mm的非導磁基體，採用陶瓷材料製作而成；第一激勵線圈12、第二激勵線圈13都沿X方向呈矩形波繞制，該矩形波的幅值為L1、周期為W1、佔空比為0.5，第二激勵線圈13的起始位置與第一激勵線圈12的起始位置相差第三激勵線圈14、第四激勵線圈15都沿Y方向呈矩形波繞制，該矩形波的幅值為L2、周期為W2、佔空比為0.5，第四激勵線圈15的起始位置與第三激勵線圈14的起始位置相差本實施例中W1＝W2、L1＝L2，即第一、第二激勵線圈的矩形波周期、幅值與第三、第四激勵線圈的矩形波周期、幅值相等。另外，第一、第二激勵線圈的矩形波周期W1也可以不等於第三、第四激勵線圈的矩形波周期W2，第一、第二激勵線圈的矩形波幅值L1也可以不等於第三、第四激勵線圈的矩形波幅值L2，其不影響測量結果。

動尺2包括動尺基體21、布置在動尺基體21正對定尺一面的同一布線層內的第一感應線圈22、第二感應線圈23、第三感應線圈24、第四感應線圈25和設在該布線層之下的動尺絕緣層26，動尺基體21的投影能將第一、第二、第三、第四感應線圈完全覆蓋，動尺基體21為厚度等於2mm的非導磁基體，採用陶瓷材料製作而成。第一感應線圈22沿周期為W1的曲線繞制，形成第一感應線圈繞線軌跡，第二感應線圈23沿周期為W1的曲線繞制，形成第二感應線圈繞線軌跡，其中，i1依次取值0至j1-1中的所有整數，j1為整數且0＜j1＜N1，N1表示第一、第二激勵線圈的矩形波周期數，b1為常數，且b1不等於0，A1表示第一、第二感應線圈繞線軌跡的幅值，且A1＜L1，本實施例中j1＝4，則i1依次取值0、1、2、3，形成第一感應線圈22的起始位置(即圖4中的R點)與第二感應線圈23的起始位置(即圖4中的P點)對齊；第三感應線圈24沿周期為W2的曲線繞制，形成第三感應線圈繞線軌跡，第四感應線圈25沿周期為W2的曲線繞制，形成第四感應線圈繞線軌跡，其中，i2依次取值0至j2-1中的所有整數，j2為整數且0＜j2＜N2，N2表示第三、第四激勵線圈的矩形波周期數，b2為常數，且b2不等於0，A2表示第三、第四感應線圈繞線軌跡的幅值，且A2＜L2；本實施例中N1＝N2、A1＝A2、b1＝b2、j2＝4，則i2依次取值0、1、2、3，形成第三感應線圈24的起始位置(即圖4中的Q點)與第四感應線圈25的起始位置(即圖4中的S點)對齊；第一感應線圈22與第二感應線圈23串聯，第三感應線圈24與第四感應線圈25串聯，第一感應線圈22與第一激勵線圈12正對平行，第二感應線圈23與第二激勵線圈13正對平行，第三感應線圈24與第三激勵線圈14正對平行，第四感應線圈25與第四激勵線圈15正對平行。

定尺1的第一激勵線圈12、第三激勵線圈14中通入正弦激勵電流(即在第一激勵線圈12的兩端加上激勵信號u1＝Um1sinω1t、在第三激勵線圈14的兩端加上激勵信號u2＝Um2sinω2t)，第二激勵線圈13、第四激勵線圈15中通入餘弦激勵電流(即在第二激勵線圈13的兩端加上激勵信號u3＝Um1cosω1t，在第四激勵線圈15的兩端加上激勵信號u4＝Um2cosω2t)，當動尺2與定尺1發生相對運動時，第一感應線圈22相對於第一激勵線圈12運動，第二感應線圈23相對於第二激勵線圈13運動，第三感應線圈24相對於第三激勵線圈14運動，第四感應線圈25相對於第四激勵線圈15運動。

第一感應線圈22中產生式(1)的磁通量：

Φ 1 = - k 1 W 1 π U m 1 sinω 1 t s i n 2 π x W 1 - - - ( 1 ) ]]>

第二感應線圈23中產生式(2)的磁通量：

Φ 2 = k 1 W 1 π U m 1 cosω 1 t c o s 2 π x W 1 - - - ( 2 ) ]]>

第三感應線圈24中產生式(3)的磁通量：

Φ 3 = - k 2 W 2 π U m 2 sinω 2 t s i n 2 π x W 2 - - - ( 3 ) ]]>

第四感應線圈25中產生式(4)的磁通量：

Φ 4 = k 2 W 2 π U m 2 cosω 2 t c o s 2 π y W 2 - - - ( 4 ) ]]>

第一感應線圈22將輸出式(5)的感應信號：

e 1 = dΦ 1 d t = - k 1 W 1 π ω 1 U m 1 cosω 1 t s i n 2 π x W 1 = - k x U m 1 cosω 1 t s i n 2 π x W 1 - - - ( 5 ) ]]>

第二感應線圈23將輸出式(6)的感應信號：

e 2 = dΦ 2 d t = - k 1 W 1 π ω 1 U m 1 sinω 1 t c o s 2 π x W 1 = - k x U m 1 sinω 1 t c o s 2 π x W 1 - - - ( 6 ) ]]>

第三感應線圈24將輸出式(7)的感應信號：

e 3 = dΦ 3 d t = - k 2 W 2 π ω 2 U m 2 cosω 2 t s i n 2 π y W 2 = - k y U m 2 cosω 2 t s i n 2 π y W 2 - - - ( 7 ) ]]>

第四感應線圈25將輸出式(8)的感應信號：

e 4 = dΦ 4 d t = - k 2 W 2 π ω 2 U m 2 sinω 2 t c o s 2 π y W 2 = - k y U m 2 sinω 2 t c o s 2 π y W 2 - - - ( 8 ) ]]>

第一、第二感應線圈串聯疊加輸出X向行波信號ex為：

e x = - k x U m 1 s i n ( ω 1 t + 2 π x W 1 ) - - - ( 9 ) ]]>

第三、第四感應線圈串聯疊加輸出Y向行波信號ey為：

e y = - k y U m 2 s i n ( ω 2 t + 2 π y W 2 ) - - - ( 10 ) ]]>

其中：Um1為第一激勵線圈的激勵信號的幅值，Um2為第二激勵線圈的激勵信號的幅值，ω1為第一激勵線圈的激勵信號的頻率，ω2為第二激勵線圈的激勵信號的頻率，k1、k2為比例係數，kx、ky為電勢感應係數，x為動尺2相對定尺1在X方向的直線位移，y為動尺2相對定尺1在Y方向的直線位移。

如圖5所示，動尺2與定尺1發生相對運動，感應信號的相位角將發生周期性變化，動尺2相對於定尺1運動一個極距，感應信號的相位角(即式(9)、式(10)中的)變化一個周期。將X向行波信號ex、Y向行波信號ey分別與相位固定的同頻率參考信號ux、uy接入整形電路處理，轉換為方波信號後送入信號處理模塊進行比相，相位差由插補的高頻時鐘脈衝個數表示，經換算後即可得到動尺2相對定尺1在X方向和Y方向的直線位移。