专利名称：一种时栅直线位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于位移精密测量传感器。
技术背景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。发明内容本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于直线位移测量的时栅 直线位移传感器，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时栅直线位移传感器，如图l(a)、图2和图5所示，传感器有两部份等分开 槽的直线形基体构成绕制线圈的骨架，作为长尺和短尺； 一基体上绕有激励线圈，另 一基体上绕有感应线圈；感应线圈与激励线圈相对运动；激励线圈连接激励电源，激 励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到放大电路，再经整形电路整形后，由数字 比相器进行相位比较，两路信号的相位差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成直 线位移值，直接或经微处理器及存储器处理后作直线位移数据显示。所述传感器，还有另两种形式。传感器有2或3部份等分开槽的直线形基体构成绕制线圈的骨架，作为长尺或短尺。 一种形式为如图l(b)所示， 一基体上共同绕有 激励线圈和第一感应线圈；另一种形式为如图1(C)所示，激励线圈和第一感应线圈 分别绕在两个相对位置不动的基体上。然后在另一基体上绕有第二感应线圈。对这两 种形式而言，第一感应线圈与激励线圈均保持空间位置不变，第二感应线圈与激励线 圈相对运动。激励线圈连接激励电源，在两组感应线圈上分别获得频率相同而相位固 定的和变化的两路电信号，两路输出的电信号分别连接放大电路，再经整形电路整形 后，由数字比相器进行相位比较；两路信号的相位差由插补的时钟脉冲个数表示，再 换算成直线位移值，直接或经微处理器及存储器处理后作直线位移数据显示。上述三种结构，第二、三种结构因为与激励线圈的空间位置保持一致的感应线圈 产生感应信号的频率和相位与激励电源的频率和相位是一致的，所以此感应线圈可以 省略，而成为第一种结构，由激励电源直接提供或通过某种电器件(如变压器)提供一 路信号参与比相，这样一来，结构更简化，但精度可能会受到一些干扰影响，适用于 一些精度要求不高的场合。作为传感器的信号发生装置的基体和线圈等可以按传统方式独立成为一个单元 部件，而将后续信号处理电路组成一个电器箱。也可以把处理电路连同微处理器一起 集成为一个传感器整体。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，从而构成智能化的传感器。本传感器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 化在本传感器系统的存储器中，进行误差修正。在实际使用时，给出的位移数据将会 是已将传感器系统误差扣除后的更精确值，使传感器精度进一步提高。本传感器具有结构简单、成本低、分辨力高、抗干扰力强、易于产品化的优点。
图1是时栅直线位移传感器绕线骨架基体的三种结构组合形式示意图;图2是时栅直线位移传感器的信号发生与数据处理系统的原理图；图3是时栅直线位移传感器的长尺绕线骨架三视图；图4是时栅直线位移传感器的长、短尺组合结构示意图；图5是时栅直线位移传感器的绕线示意图。
具体实施方式
参见图1 (a),此为本传感器的第一种结构原理，它具有相对运动的第一基体1 和第二基体2构成绕制线圈的骨架，第一基体1上绕有激励线圈3，第二基体2上绕 有第二感应线圈4，感应线圈与激励线圈也相对运动，由激励源直接生成一路比相信 号，与第二感应线圈4信号比相。参见图1 (b)，此为本传感器的第二种结构原理，它具有相对运动的第一基体1 和第二基体2构成绕制线圈的骨架，第一基体1上绕有激励线圈3和第一感应线圈5， 第二基体2上绕有第二感应线圈4，激励线圈3与第一感应线圈5相对不动，但第二 感应线圈4与激励线圈3及第一感应线圈5相对运动，由与激励线圈3共基体的第一 感应线圈5生成一路信号，与第二感应线圈4信号比相。参见图1 (c)，此为本传感器的第三种结构原理，它具有相对运动的第一基体1 和第二基体2构成绕制线圈的骨架，另还有与第一基体1相对不动的第三基体6，第 一基体1上绕有激励线圈3，第三基体6上绕有第一感应线圈5，第二基体2上绕有 第二感应线圈4，激励线圈3与第一感应线圈5相对不动，但第二感应线圈4与激励 线圈3及第一感应线圈5相对运动，由绕在第三基体6上并与第一基体1保持位置一 致的第一感应线圈5生成一路信号，与第二感应线圈4信号比相。本传感器的原理如图2所示，当激励线圈通过多相交流电流时，将在两个感应线 圈上分别得到与激励电源同频率的交变信号，测量时与激励线圈保持同样位置而无相 对运动的感应线圈信号相位保持固定不变；而另一感应线圈信号则随反应被测运动的 基体的位移而产生相位移动。激励线圈连接激励电源，在两组感应线圈上分别获得频 率相同而相位固定的和变化的两路电信号，两路输出的电信号分别连接放大电路，再 经整形电路整形后，由数字比相器进行相位比较；两路信号的相位差由插补的时钟脉 冲个数表示，再换算成直线位移值，经微处理器及存储器处理后作直线位移数据显示。 若没有设置与激励线圈相对固定的感应线圈，则可直接采用激励信号和感应线圈输出 的电信号分别连接到放大电路，后续信号处理是一样的。参见图3、图4和图5，时栅直线位移传感器由长尺(或定尺)和短尺(或动尺)构 成，绕线的基体采用等分开槽的金属或非金属基体7。在加工等分开槽时，为了提高 等分精度和简化工艺，也可采用两种不同直径的圆柱体8或球体，排列铺设如图3(a)、 图3 (b)和图3 (c)所示。直径大的圆柱或圆球紧密排列固定成为紧靠基体的一层，直径小的排列固定在两大直径的圆柱体或球体之间的各个槽中，形成另一层，从而自 然形成等分开槽的绕线骨架。定尺和动尺采用同样的结构形成，只是长短不一样。进一步如图4所示，长、短尺两部份基体以滑动导轨的方式相结合。如图4(a) 所示，长尺基体9由一根金属体同时提供a、 b、 c三个基准面，其中a、 c面平行， 而b面与a、 c面垂直(根据实际情况，也可采用燕尾槽或圆弧槽等方式，则b面为斜 面或圆弧面等)。a面为长尺绕线骨架基准面，用于铺设长尺的两层圆柱体，构成长尺 绕线骨架；b、 c面则用于为短尺滑块提供滑动导程基准面。如图4(b)所示，短尺基 体10—部分为与长尺的b、 c相配合的滑槽， 一部分则再布置两层圆柱体，构成短尺 绕线骨架。将两部份组装在一起如图4(c)和图4 (d)所示，短尺通过长尺上的导程 基准面安装在长尺上，与长尺融为一体，并可以相对运动。其结构简单、容易加工、 整体性好。根据使用情况也可以将长尺作为动尺，短尺作为定尺，二者保持相对运动 即可。如图5所示，长尺基体上绕有激励线圈3和相对不动的第一感应线圈5，短尺基 体上绕有相对运动的第二感应线圈4。绕线釆用普通多极交流电机的绕线方法，或"8" 字形、"几"字绕线法而形成沿直线分布的多极绕组。图5为采用单匝线和"几"字 形绕线法在等分开槽的基体上绕线的示意图，为清楚起见，只画出三相激励中的一相， 采用的是上述第二种形式即图l(b)结构。当动、定尺发生相对运动时，两个感应绕组 上的感应信号发生相位差，将其用时间差Ar来表示，则其位移的计算公式为jc二5;Ar二B,Ar-s/r2;p, (2) 其中x—直线位移，万一常数，『一线圈节距(单位为长度值)，r一信号周 期，/—激励电源频率，Ar—测得的时间差，S^—时钟脉冲累积数。
权利要求
1、一种时栅直线位移传感器，传感器有两部份等分开槽的直线形基体构成绕制线圈的骨架，作为长尺或短尺；其特征在于一基体上绕有激励线圈，另一基体上绕有感应线圈；感应线圈与激励线圈相对运动；激励线圈连接激励电源，激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到放大电路，再经整形电路整形后，由数字比相器进行相位比较；两路信号的相位差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成直线位移值，直接或经微处理器及存储器处理后作直线位移数据显示。
2、 一种时栅直线位移传感器，传感器有2-3部份等分开槽的直线形基体构成绕 制线圈的骨架，作为长尺或短尺；其特征在于对于采用两部分基体的情况， 一基体上 共同绕有激励线圈和第一感应线圈，另一基体上绕有第二感应线圈；对于采用三部分 基体的情况，激励线圈和第一感应线圈分别绕在两个相对位置不动的基体上，第三基 体上绕有第一感应线圈，第一感应线圈与激励线圈保持空间位置不变，第二感应线圈 与激励线圈相对运动；在这两种情况下，激励线圈连接激励电源，在两组感应线圈上 分别获得频率相同而相位固定的和变化的两路电信号，两路输出的电信号分别连接放 大电路，再经整形电路整形后，由数字比相器进行相位比较；两路信号的相位差由插 补的时钟脉冲个数表示，再换算成直线位移值，直接或经微处理器及存储器处理后作 直线位移数据显示。
3、 如权利要求1或2所述的时栅直线位移传感器，其特征在于感应线圈由l个 或多个感应线圈串联或并联组成，线圈位置按空间均布。
4、 如权利要求3所述的时栅直线位移传感器，其特征在于基体上的等分开槽是 用两种不同直径的圆柱体或球体分两层排列而形成，直径大的紧密排列固定成为紧靠 基体的一层；直径小的排列固定在两大直径的圆柱体或球体之间的各个槽中，形成另 一层，从而自然形成等分的开槽。
5、 如权利要求3所述的时栅直线位移传感器，其特征在于，在作为长尺的基体 上，既具有长尺绕线骨架基准面，又具有供短尺滑动的导程基准面，短尺通过长尺上 的导程基准面安装在长尺上，与长尺融为一体，并沿长尺相对滑动。
6、 如权利要求3所述的时栅直线位移传感器，其特征在于所述存储器中固化有 本时栅位移传感器与其它高精度传感器进行比对实验后得到的全程系统误差数据，用 于误差修正。
全文摘要
本发明提出一种时栅直线位移传感器，属于位移精密测量装置。传感器有两部份等分开槽的直线形基体构成绕制线圈的骨架，作为长尺或短尺；其特征在于一基体上绕有激励线圈，另一基体上绕有感应线圈；感应线圈与激励线圈相对运动；激励线圈连接激励电源，激励信号和感应线圈输出的电信号分别连接到放大电路，再经整形电路整形后，由数字比相器进行相位比较；两路信号的相位差由插补的时钟脉冲个数表示，再换算成直线位移值，直接或经微处理器及存储器处理后作直线位移数据显示。本传感器具有结构简单、成本低、分辨力高、抗干扰力强、易于产品化的优点。
文档编号G01D5/12GK101556138SQ200810070399
公开日2009年10月14日 申请日期2008年9月27日 优先权日2008年9月27日
发明者刘小康, 张兴红, 彭东林, 伟 杨, 王先全, 淳 董 申请人:重庆工学院