专利名称：一种角位移精密测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于位移精密测量领域。
背景技术：
直线位移和角位移测量是最基本、最普通的测量。为了兼顾测量分辨率和量程，许多位移传感器采用了在基体上精密刻线的栅式结构，如光栅、磁栅等，对其在运动过程中发出的脉冲信号进行累加计数，即实现位移测量。高精度高密度的刻线引起很多问题，一方面刻线越密，就越容易受到污染。无论怎么密封保护，在生产现场恶劣工况下，其微小的粉尘水气都可能污染栅线，使之计数失效。另一方面，刻线不可能无限地密，而现有的密度远不能满足分辨力的要求，因此被迫普遍采用电子细分箱，系统结构复杂。加上高精度的刻线工艺，使成本居高不下。综上所述，现有栅式位移传感器存在的缺点是结构复杂、价格高、抗干扰力差。不能满足大型、中空等极端和特殊环境下的精密测量要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于角位移测量的新装置，不用精密刻线，不用电子细分箱，而以时钟脉冲作为位移计量基准，因而结构简单、成本低、分辨力高、抗干扰力强。本发明的技术方案是
一种角位移精密测量装置，其特征在于该装置包括有转子、测头和后续信号处理电路; 所述测头设置至少一个，均勻分布在转子外围或内圈，并位置固定且与转子有间隙；每个测头至少由一个绕线骨架构成，在每个绕线骨架上至少绕有一组线圈；而转子的外周或内圈具有导磁体等分间隔排列结构。所述每一组线圈的结构、尺寸、线圈参数均相同，组与组之间空间位置正交错位。每组线圈由一个激励线圈和一个感应线圈构成，激励线圈连接激励电源，在感应线圈上产生感应信号，输入的激励电源为交流电源，交流电源的相数与测头上的线圈组数相等，多组线圈上输入的各相激励电源时间正交(即输入的激励电源为与测头上的线圈组数相同的多路时间正交的交流电源)；当测头和转子发生相对运动时，因磁通发生变化而使感应信号幅值发生变化；激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到后续信号处理电路的调理电路处理后，再送到信号处理电路作鉴相或鉴幅处理，信号的相位差或幅值差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成角位移值，直接或经微处理器及存储器进行误差修正等处理后用作角位移数据显示或输出。进一步，所述每个测头由一个绕线骨架构成，在每个绕线骨架上绕有两组或三组线圈。或者，所述每个测头由两个或三个绕线骨架构成，在每个绕线骨架上绕有一组线圈。所述转子上的导磁体等分间隔排列结构是由导磁材料和非导磁材料相间排列并组装在转子内表面或外表面一周而形成；或是以导磁金属圆柱为基体作为转子，再沿圆周等分开槽，在槽中以空气做间隔，或镶嵌、电镀非导磁体做间隔而构成；或是以非导磁体圆柱为基体作为转子，再沿圆周等分开槽，在槽中镶嵌或电镀导磁体而构成。所述转子与旋转机械通过机械加工镶嵌、电镀或组装而成为一体，且两者同轴，从而实现角位移的精密测量。所述旋转机械是齿轮、轴承或蜗轮。或者，直接采用导磁的被检测齿轮或蜗轮作为转子，以齿轮、蜗轮本身的齿结构则作为转子的导磁体等分间隔排列结构，实现对被检测齿轮、蜗轮的角位移在线精密测量。所述测头的分布采用多测头对径读数的组合方式布置，即测头沿转子外围或内圈对称安放，选用2n个测头，其中n=0、l、2……，其极限取决于转子的空间几何尺寸，极限状况下，所有的测头围成一个封闭的圆环。所述存储器中固化有对本传感器进行标定后得到的全程系统误差数据，用于误差修正。
图1是两相型角位移传感器示意图，其中图1 (a)是两组线圈并行排列，图1 (b) 是两组线圈串行排列；
图2是1组线圈及其与局部转子构成的磁链示意图； 图3是角位移测量方法及装置原理框图4是3相型角位移传感器检测装置示意图，图中(a)是3组线圈并行排列，图中(b) 是3组线圈串行排列；
图5是用多个测头均布工作的示例，图中(a)是4个测头均勻分布，图中(b)是测头排列极限即构成圆形测头环；
图6是只包含一个绕线骨架的测头示意图； 图7是将被测轴承通过机械加工作为转子的传感器示意图； 图8是将被测铜蜗轮通过与导磁材料组合作为转子的传感器示意图； 图9是将被测齿轮直接作为转子的传感器示意图。
具体实施例方式以下结合附图详细说明本发明
如图1所示，该装置包括转子1、测头2和后续信号处理电路。测头设置一个，采用两个绕线骨架构成，布置在转子外围，位置固定，与转子有间隙。在两个绕线骨架上各绕有一组线圈(包括激励线圈和感应线圈各一个)，而在转子的外周具有导磁体等分间隔排列结构。 图1 (a)是两组线圈并行安放并空间正交错位的情况，A表示错位，图1(b)是两组线圈串行安放并空间正交错位的情况。参见图3，激励线圈连接激励电源，在感应线圈上产生感应信号，输入的激励电源为交流电源，交流电源的相数与测头上的线圈组数相等，多组线圈上输入的各相激励电源时间正交。当测头和转子发生相对运动时，因磁通发生变化而使感应信号幅值发生变化，激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到后续信号处理电路的调理电路处理后再送到信号处理电路做鉴相或鉴幅处理，信号的相位差或幅值差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成角位移值，直接或经微处理器及存储器进行误差修正等处理后用作角位移数据显示或输出。
根据交变电磁场原理，在2或3组(特殊情况下还可以是多组)空间正交排列的线圈之中，通以2或3相时间正交的交流电源，就可以获得一个勻速运动的行波磁场。而只要有一个勻速(直线或回转)运动的行波磁场，或者两个驻波磁场就可以为位移测量提供 fn息ο一个行波可以分解成两个驻波(拍频波)，反过来也可以由两个驻波合成一个行波。本发明就是要提出一种结构形式，利用空间正交线圈通以时间正交电流，同时获得驻波和行波。再采用通用的鉴相(针对行波而言)或鉴幅(针对驻波而言)技术达到精密位移测量的目的。为叙述简便，这里以图1所示的2相型即2组正交线圈配2相正交电源的单测头角位移测量方法的原理为例进行描述。如图2所示，每个绕线骨架上同时绕有激励线圈3和感应线圈4，按一定的方向绕制，每个测头由2组线圈并行或串行构成，贴近转子齿面安放但不接触，测头2位置固定，与转子1共同形成交变感应磁链，图中黑色的圆圈所示。此处的转子是将导磁金属圆柱沿圆周等分切割而成齿状，则齿槽中为空气，非导磁，而齿则构成导磁体等分间隔排列结构。当转子与测头发生相对运动时，因磁路发生周期性的变化(随运动速度而定)而使感应线圈信号的幅值发生周期性变而形成驻波。由于测头的2组线圈并行或串行放置如图1所示，且两组线圈之间相对于转子上开槽位置错开
$齿距形成空间正交，在分别通以相位互差90°的『._和『 _激励电源后，则在2
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个绕组上分别得到各自的驻波电信号，且相位互差90°。这时既可以直接对驻波进行鉴幅处理，也可以把两路驻波合成为行波再进行鉴相处理，都能得到最终所需要的角位移值。鉴幅与鉴相技术属于常规通用技术，这里不再赘述。转子可以是一个外周或内圈具有导磁体等分间隔排列结构的圆环或圆盘，它在与测头作相对运动时，提供一个周期性变化的磁路，从而间接地把位移变化转化为感应信号的幅值变化或相位变化，为鉴幅或鉴相提供依据。激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到整形电路和调理电路处理后再送到信号处理电路做鉴相或鉴幅处理，两路信号的相位差或幅值差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成角位移值，直接或经微处理器及存储器进行误差修正处理后用作角位移数据显示或输出。全套系统原理框图如图3所示。图1所示为基本原理，特点在于激励和感应都同时绕在测头上。在此原理下，还可以有各种变化的组合形式。可以采用线圈并行安放，每组线圈相对于转子齿错开90°形成空间正交，构成一个测头，则测头的个数可以多安，而转子的齿要宽一些。而采用线圈串行安放，则测头个数较少，转子齿可以窄一些。也可以采用三相线圈形式，则测头由三组线圈并行(如图4 (a)所示)或串行安放(图4(b)所示)，每组线圈相对于转子齿错开120°形成空间正交，再分别通以互差120° 的三相交流电流，同样可以得到感应出的驻波或行波。但这时几何尺寸更大或测头数更少。为了提高测量精度，通常选择多测头对径读数的组合方式，如图5 (a)为四个测头均布。对称安放的测头数越多，消除谐波误差及提高精度的效果越好。例如常选用1、2、4、 8……，即2n个测头(n=0、l、2……)，其极限取决于空间几何尺寸。极限状况下，所有的测头围成一个封闭的圆环，如图5(b)所示。
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测头的绕线骨架也可以只有一个，见示意图6。上述转子是以导磁金属为基体，再开槽以空气或嵌入非导磁体而构成等分导磁体排列。也可以反过来，以非导磁体为基体，再等分嵌入导磁体而构成等分导磁排列。作为信号发生装置的测头部分和具有等分间隔导磁体的转子部分可以按传统方式构成为一个独立的传感器，导磁体等分间隔排列结构5可以在金属整体上加工制作而成，如图7所示，转子由在一金属整体上加工制作导磁体等分间隔排列结构5再与轴承6连接而构成上。导磁体等分间隔排列结构也可以采用若干个相同尺寸的球体、圆柱体或矩形体等组合而成。也可以把导磁体7通过镶嵌、电镀等各种手段与不导磁的材料如铜蜗轮8 融为一体，如图8所示。还可以如图9所示，直接把被测旋转机械，如蜗轮、轴承、齿轮9、丝杠等当作转子(当其为导磁体时)，实现大型、中空旋转机械的在线角位移测量，它将具备不带滑环，不怕油污、粉尘、水汽和强冲击振动等一系列技术优势。另外，后续信号处理电路既可组成一个电气箱，也可以把处理电路连同微处理器一起集成为一个整体。计数器结果可以直接输出为数据或图形，也可以交由微处理器处理， 从而构成智能化的测量装置或传感器。它可与高精度的其它同类传感器例如高精度光栅传感器进行比对实验，在进行比对实验时，可将其全程系统误差记录下来，固化在本系统的存储器中，进行误差修正。在实际使用时，给出的位移数据将会是已将系统误差扣除后的更精确值，使其精度进一步提高。本方法及装置具有结构简单、成本低、分辨力高、抗干扰力强、易于产品化的优点。
权利要求
1.一种角位移精密测量装置，其特征在于该装置包括有转子、测头和后续信号处理电路；所述测头设置至少一个，均勻分布在转子外围或内圈，并位置固定且与转子有间隙；每个测头至少由一个绕线骨架构成，在每个绕线骨架上至少绕有一组线圈；而转子的外周或内圈具有导磁体等分间隔排列结构；所述每一组线圈的结构、尺寸、线圈参数均相同，组与组之间空间位置正交错位；每组线圈由一个激励线圈和一个感应线圈构成，激励线圈连接激励电源，在感应线圈上产生感应信号，输入的激励电源为交流电源，交流电源的相数与测头上的线圈组数相等， 多组线圈上输入的各相激励电源时间正交；当测头和转子发生相对运动时，因磁通发生变化而使感应信号幅值发生变化；激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到后续信号处理电路的调理电路处理后，再送到信号处理电路作鉴相或鉴幅处理，信号的相位差或幅值差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成角位移值，直接或经微处理器及存储器进行误差修正等处理后用作角位移数据显示或输出。
2.根据权利要求1所述的角位移精密测量装置，其特征在于所述每个测头由一个绕线骨架构成，在每个绕线骨架上绕有两组或三组线圈。
3.根据权利要求1所述的角位移精密测量装置，其特征在于所述每个测头由两个或三个绕线骨架构成，在每个绕线骨架上绕有一组线圈。
4.根据权利要求1、2或3所述的角位移精密测量装置，其特征在于所述转子上的导磁体等分间隔排列结构是由导磁材料和非导磁材料相间排列并组装在转子内表面或外表面一周而形成；或是以导磁金属圆柱为基体作为转子，再沿圆周等分开槽，在槽中以空气做间隔，或镶嵌、电镀非导磁体做间隔而构成；或是以非导磁体圆柱为基体作为转子，再沿圆周等分开槽，在槽中镶嵌或电镀导磁体而构成。
5.根据权利要求4所述的角位移精密测量装置，其特征在于所述转子与旋转机械通过机械加工镶嵌、电镀或组装而成为一体，且两者同轴，从而实现角位移的精密测量。
6.根据权利要求5所述的角位移精密测量装置，其特征在于所述旋转机械是齿轮、轴承或蜗轮。
7.根据权利要求1、2或3所述的角位移精密测量装置，其特征在于直接采用导磁的被检测齿轮或蜗轮作为转子，以齿轮、蜗轮本身的齿结构则作为转子的导磁体等分间隔排列结构，实现对被检测齿轮、蜗轮的角位移在线精密测量。
8.根据权利要求1、2或3所述的角位移测量装置，其特征在于所述测头的分布采用多测头对径读数的组合方式布置，即测头沿转子外围或内圈对称安放，选用2n个测头，其中 n=0、l、2……，其极限取决于转子的空间几何尺寸，极限状况下，所有的测头围成一个封闭的圆环。
9.根据权利要求1、2或3所述的角位移精密测量装置，其特征在于所述存储器中固化有对本传感器进行标定后得到的全程系统误差数据，用于误差修正。
全文摘要
本发明提出一种角位移精密测量装置，包括转子和测头，测头均匀分布在转子外围或内圈，并位置固定且与转子有间隙；每个测头至少由一个绕线骨架构成并至少绕有一组线圈；而转子的外周或内圈具有导磁体等分间隔排列结构；每一组线圈的结构、尺寸、线圈参数均相同，组与组之间空间位置正交错位；当测头和转子发生相对运动时，因磁通发生变化而使感应信号幅值发生变化；激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到调理电路处理后再送到信号处理电路作鉴相或鉴幅处理，信号的相位差或幅值差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成角位移值。本装置可以做成独立的传感器，也可以将等分导磁体依附于被检测的旋转机械部件如蜗轮、轴承等，尤其是可以直接将同时具有导磁和等分特征的被测齿轮、蜗轮等当作转子而实现其角位移在线精密测量。
文档编号G01B7/30GK102297654SQ20111021181
公开日2011年12月28日 申请日期2011年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者刘小康, 彭东林, 杨继森, 郑方燕, 陈锡侯, 高忠华 申请人:重庆市阿贝科技有限公司