利用电磁感应原理进行长度测量的绝对式传感器的制造方法
【专利说明】
所属技术领域
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[0001]本发明属于传感器技术领域，是基于电磁感应原理进行设计的空间相对位置测量传感器。
【背景技术】
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[0002]目前，利用电磁原理制造的传感器在各种仪器和设备上有着几十年的广泛的应用，电磁原理的长度测量传感器的主要类型有:磁栅、球栅、感应同步器，它们的机械结构和制作工艺不同，激磁和感应方式不同，能够达到的最高分辨力也不同。
[0003]以电磁感应原理设计的长度测量传感器包括激磁部件和感应部件，通过激磁电路对激磁线圈输入变化电流，产生变化的磁场，使得处于此磁场内的感应线圈产生感应电压，感应电压大小取决于激磁电流的变化、部件形状和材料性质、线圈形状和激磁线圈与感应线圈的相对位置。对感应电压进行采样和计算，即可得到空间相对位置的测量数据。
[0004]早期由于电子器件技术水平的限制，测量传感器的准确度主要是通过机械加工精度保证。随着电子器件突飞猛进的发展，采用实时在线的系统误差补偿技术来提高测量准确度的方法得到了广泛的应用。于是，放宽机械加工的精度要求，也可以达到较高的测量准确度，使得传感器的结构和加工工艺可以采取更多的方式方法。
[0005]若想得到较大的系统误差补偿的效果，采用绝对式编码的测量方式是非常必要的。所谓绝对式编码的含义是:测量数值与测量系统开机时的初始状态无关，只与滑尺相对于定尺的位置有关，并且在整个测量范围内不同的相对位置得到的测量数值也不同。由于测量数据与空间位置的固定关系，所以，根据初始测量值即可准确地从补偿数据库中取得此点的系统误差补偿值，经过补偿，可以得到准确度更高的最终测量值。完成传感器制造后，利用高精度的测量设备进行标定，得出传感器的系统误差，将补偿数据存于电子器件中，即可实现实时在线的系统误差补偿，保证测量的准确度。
[0006]基于上述思想，本发明是一种新型长度测量传感器，包括两个部件，一个部件是较长的长方体，一般称为定尺。另一个部件较短，一般称为滑尺。使用时，将它们分别安装在两个沿直线相对平动的机械部件上，用以得到两个机械部件相对位置的信息，通过电子部分处理得到长度编码数值。所谓编码是通过一种系统对移动部件所处的每个空间位置给出一个相应的数值，两个位置的编码值之差就是两个位置间距离的测量值。
[0007]为了实现较大范围内的高分辨力的绝对式长度编码数值，一般采用粗精组合的编码技术。即具有两套长度测量部件，一套得到小区间内的高分辨力的编码，称为精编码，称激磁电流为精激磁电流，感应线圈为精感应线圈，其它类推。另一套得到整个长度测量范围内的较低分辨力的编码，称为粗编码，称激磁电流为粗激磁电流，感应线圈为粗感应线圈，其它类推。由于精编码的周期性，一个精编码数值可能出现在N个子区间内，得到空间相对位置的精编码和粗编码后，利用粗编码进行判断，可以确定精编码是从N个子区间内的哪一个子区间内出现的，加上不同区间的不同基数，即得到整个长度测量范围内的高分辨力的绝对编码形式的初始编码数据，再经过系统误差补偿，最终获得高分辨力、高准确度的绝对编码数值(测量数值)。
【发明内容】
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[0008]本发明是一种利用电磁感应原理进行长度测量的传感器，
【发明内容】
是:此种长度测量的传感器包括定尺和滑尺，参看图1，其特征为:在滑尺上包括精编码线圈部件和粗编码线圈部件；所述精编码线圈部件包括4个由精激磁线圈和精感应线圈组成的精线圈组，沿滑尺与定尺相对移动方向排成两列，每列两个；每组内精激磁线圈和精感应线圈沿相对移动方向相间排列，线圈磁芯的一端面处于滑尺上与定尺相对的平面上，此平面称为滑尺工作面，另一端固定在软磁材料的基体上，软磁材料的基体固定在抗磁材料的垫片上，垫片固定在滑尺壳体上；每组内奇数序号的精激磁线圈的缠绕方向与偶数序号的精激磁线圈的相反，每组内奇数序号的精感应线圈的缠绕方向与偶数序号的精感应线圈的相反；
[0009]粗编码线圈部件包括由粗激磁线圈和粗感应线圈组成的2个粗线圈组，在滑尺与定尺相对运动方向上，分别安装在精线圈组的两边外侧，每组内有6个粗线圈，对称于与相对移动方向平行和与滑尺工作面垂直的滑尺中面，沿中面的法向排列；滑尺中面两侧各有3个线圈，排列顺序是:粗感应线圈、粗激磁线圈、粗感应线圈；线圈磁芯的一端面处于滑尺工作面上，另一端固定在软磁材料的基体上，软磁材料的基体固定在抗磁材料的垫片上，垫片固定在滑尺壳体上；两个粗激磁线圈的缠绕方向一致，靠近滑尺中面的4个粗感应线圈的缠绕方向一致，另外4个粗感应线圈的缠绕方向与前述4个相反；
[0010]在定尺基体上固定有抗磁材料制作的长方形平板，长方形平板上镶嵌有两列用软磁材料制作的长方体细长小块，简称导磁块，两列中导磁块形状一致，每列中相邻导磁块中线距离是精线圈组内相邻线圈中线距离的两倍，每列中导磁块的个数等于定尺长度除以相邻导磁块中线距离；导磁块的一个面处于定尺上与滑尺相对的平面上，此平面称为定尺工作面；两列导磁块的两个中线相对于平行相对移动方向的定尺工作面上的中线都有一个小夹角，其作用是:当滑尺相对于定尺移动时，产生两列导磁块相对于粗线圈分别沿滑尺中面法向移动的效果；
[0011]精激磁线圈、精感应线圈、软磁材料的基体和导磁块组成能够产生精感应信号的部件；粗激磁线圈、粗感应线圈、软磁材料的基体和导磁块组成能够产生粗感应信号的部件；
[0012]所有精激磁线圈串连后输入同一个精激磁信号；第一列中第一个精线圈组和第二列中第二个精线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路精感应信号，第一列第二个精线圈组和第二列中第一个精线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路精感应信号，如此设计是为了减小滑尺与定尺相对平动过程中两个工作平面的平行误差对精编码准确度的影响；
[0013]两个粗激磁线圈串连后输入同一个粗激磁信号；第一组内4个粗感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路粗感应信号，第二组内4个粗感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路粗感应信号；粗线圈的对称分布是为了减小滑尺与定尺相对平动的直线度误差对粗编码准确度的影响；
[0014]滑尺与定尺相对空间位置变化时，输出的两路精感应电压信号的幅值也不同，对这两路精感应电压信号的电压进行采样并转换，得到两个自变量是空间位置的周期性数值函数，周期长度是相邻导磁块中线距离，周期个数N等于测量范围除以周期长度，这两个周期函数相位差是四分之一个周期。将测量范围分成N子区间。利用得到的两个函数的一对函数值的比值，通过计算，可以得到一个数值，作为精编码；在整个测量范围内，精编码数值变化是周期性的，得到这个数值在N个子区间中都有可能出现；对粗信号进行采样后得到两个函数，利用这两个函数的一对函数值，经过计算，得到一个数值，作为粗编码；在整个测量范围内，粗编码数值与空间位置是一一对应的，通过粗精组和的计算，确定精编码数值实际对应的子区间，加上该子区间的基数，即可得到整个测量范围内的初始的绝对式位置编码值，进行系统误差补偿后，即可得到最终的较高准确度的绝对式编码值；
[0015]有益效果:研制出的长度测量传感器是绝对式编码，这是一个重要的优点。相对于光栅测量传感器，具有相同水平的分辨力和准确度，但对应用环境的要求较低，制造工艺较普通。由于本发明定尺结构简单，可以方便地接长，如果再加入一套分辨力更粗的长度测量部件，可以组成测量范围达十米以上的有较高分辨力的长度测量系统。在某些应用场合中相对其它类型的传感器具有一定的优势。
【附图说明】
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[0016]图1为滑尺和定尺工作面示意图，Al、A2、A3、A4为4组精线圈，B为粗线圈，C为滑尺壳体，D为镶嵌定尺上的两列软磁材料的长方体块(简称导磁块)，E为抗磁材料层，F为定尺基体。
[0017]图2为滑尺和定尺安装好后相对位置示意图。
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