一种绝对式时栅直线位移传感器的制作方法

本发明属于精密位移测量领域，具体涉及一种绝对式时栅直线位移传感器。

背景技术：

近年来，随着工业自动化和智能化程度的提高，各闭环控制系统和测量系统对位移测量器件的要求也越来越高，其不仅要求位移测量器件具有高的测量精度和可靠性，而且要求其上电后能快速进入工作状态，以提高系统的响应速度和工作效率。因此，当今的闭环控制系统和测量系统越来越倾向于采用绝对式位移传感器。

时栅直线位移传感器作为众多位移传感器中的一种，因其具有测量精度高、抗干扰能力强、稳定性好、成本低廉等优点，在精密位移测量领域获得了越来越广泛的应用。现有的时栅直线位移传感器主要采用极对数互为质数的两个测量单元组合的方式来实现高精度的绝对位移测量，其中一个测量单元输出与测量范围内的位移量一一对应的单周期信号，用于确定绝对位置，但精度不高，另一个测量单元则输出在测量范围内多周期变化的信号，在每个变化周期内具有确定的位移，且精度较高。然而，这种采用极对数互质的双测量单元组合方式进行绝对位移测量的时栅直线位移传感器，其两个测量单元的激励磁场会耦合到对方的输出绕组(即感应线圈)上，使其测量精度均达不到独立工作时的水平；为减小这种耦合的影响，其对传感器的结构和后期信号处理等均提出了更高的要求，从而使传感器的成本大大增加。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种绝对式时栅直线位移传感器，以避免出现激励磁场互相耦合问题，实现高精度的绝对位移测量，同时降低成本。

本发明所述的绝对式时栅直线位移传感器，包括动子、定子、信号调理电路、鉴相电路和微处理器，所述动子与定子正对平行安装，且留有间隙，所述动子为布有激励线圈和感应线圈的印制电路板，所述定子为与动子相对的一面沿测量方向开设有多个矩形通槽的导磁体。

所述激励线圈包括正弦激励线圈和余弦激励线圈，所述正弦激励线圈由起始位置相同、幅值为a、周期为w、相位互差180°的两条正弦导线构成，两条正弦导线分别布于印制电路板的两层，且这两条正弦导线的起始端通过过孔连接、另一端作为正弦激励信号输入端。所述余弦激励线圈由起始位置相同、幅值为a、周期为w、相位互差180°的两条正弦导线构成，两条正弦导线分别布于印制电路板的另外两层，且这两条正弦导线的起始端通过过孔连接、另一端作为余弦激励信号输入端。所述正弦激励线圈的起始位置与余弦激励线圈的起始位置在印制电路板上沿测量方向(也即正弦导线的周期延拓方向)错开w/4，且正弦激励线圈与余弦激励线圈同时覆盖区域的长度大于或者等于8w。

所述感应线圈由相同且独立工作的8个矩形感应线圈组成，矩形感应线圈为具有一个开口，且开口端作为信号输出端的非闭合线圈，矩形感应线圈沿测量方向的长度为w，在垂直于测量方向的宽度大于2a，以保证在垂直于测量方向上正弦激励线圈和余弦激励线圈的波峰和波谷全部位于矩形感应线圈内。8个矩形感应线圈分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八矩形感应线圈，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八矩形感应线圈沿测量方向依次排列，且相邻两个矩形感应线圈的中心距为w；所述感应线圈在印制电路板上能同时覆盖正弦激励线圈的连续8个周期和余弦激励线圈的连续8个周期(即沿测量方向，感应线圈在印制电路板上覆盖正弦激励线圈的长度为8w，同时覆盖余弦激励线圈的长度也为8w)。

所述导磁体沿测量方向依次划分有n/2个长度为2w的矩形等分区域，并依次称为第1个矩形等分区域、第2个矩形等分区域、第3个矩形等分区域、…、第n/2个矩形等分区域，其中，n＞8且取值为2的整数倍；每个矩形等分区域内都开设有矩形通槽，且每个矩形等分区域内所开矩形通槽的面积之和为该矩形等分区域面积的1/2；沿测量方向，每个矩形等分区域等分为4份，第2m1-1个矩形等分区域内的矩形通槽开设在第1份位置和第3份位置，第2m2个矩形等分区域内的矩形通槽开设在第1份和第3份同时沿测量方向移动后的位置，当矩形通槽的开设位置因移动而移出第2m2个矩形等分区域时，移出部分从该第2m2个矩形等分区域的另一侧移入，形成开槽的空间循环移位，满足该矩形等分区域内所开矩形通槽的面积之和为该矩形等分区域面积的1/2，其中，m1依次取值1至n/4+0.5中的所有整数，m2依次取值1至n/4中的所有整数，m3取小于n/4+0.5的最大整数。

将所述导磁体的每个矩形等分区域都等分为2份，沿测量方向形成n个长度为w的极对，并依次称为第1个极对、第2个极对、第3个极对、…、第n个极对，将第一矩形感应线圈完整覆盖第1个极对时的位置作为测量的绝对零位；正弦激励线圈和余弦激励线圈中分别通入两相对称激励电流(即幅值相同、相位相差90°的两相电流)，作为正弦激励信号和余弦激励信号，8个矩形感应线圈中将产生感应信号，当动子相对于定子移动时，8个矩形感应线圈中产生的感应信号将发生周期性变化，将该8个感应信号与激励信号输入至信号调理电路进行信号调理后，送入鉴相电路进行鉴相处理，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经微处理器运算、处理后，得到动子的绝对位移值。

微处理器已预先设定第一矩形感应线圈的位移测量值x1的取值范围为[0,w)(即0≤x1＜w)、第二矩形感应线圈的位移测量值x2的取值范围为[0,w)、第三矩形感应线圈的位移测量值x3的取值范围为[0,w)、第四矩形感应线圈的位移测量值x4的取值范围为[0,w)、第五矩形感应线圈的位移测量值x5的取值范围为[0,w)、第六矩形感应线圈的位移测量值x6的取值范围为[0,w)、第七矩形感应线圈的位移测量值x7的取值范围为[0,w)、第八矩形感应线圈的位移测量值x8的取值范围为[0,w)，设定动子位于绝对零位时，x1＝x2＝x5＝x6＝0(即第一矩形感应线圈的位移测量值x1与第二矩形感应线圈的位移测量值x2、第五矩形感应线圈的位移测量值x5、第六矩形感应线圈的位移测量值x6同时为零)。微处理器接收到鉴相电路输出的信号后，先对鉴相电路输出的信号进行处理，得到动子位于某个位置时第一至第八矩形感应线圈的位移测量值x1至x8；然后再计算动子位于该位置时的绝对位移值。

所述动子的绝对位移值的计算公式为：s＝x+w*(k-1)

式中，x表示矩形感应线圈的位移测量值，k表示动子位于的极对。

微处理器将第一矩形感应线圈的位移测量值x1与第二矩形感应线圈的位移测量值x2进行比较，将第一矩形感应线圈的位移测量值x1与第四矩形感应线圈的位移测量值x4进行比较，将第二矩形感应线圈的位移测量值x2与第三矩形感应线圈的位移测量值x3进行比较，将第三矩形感应线圈的位移测量值x3与第四矩形感应线圈的位移测量值x4进行比较，将第一矩形感应线圈的位移测量值x1与第五矩形感应线圈的位移测量值x5进行比较，将第二矩形感应线圈的位移测量值x2与第六矩形感应线圈的位移测量值x6进行比较，将第三矩形感应线圈的位移测量值x3与第七矩形感应线圈的位移测量值x7进行比较，将第四矩形感应线圈的位移测量值x4与第八矩形感应线圈的位移测量值x8进行比较。

如果x1＝x2＝0(即第一矩形感应线圈的位移测量值x1与第二矩形感应线圈的位移测量值x2同时为零)，则x＝0，k＝4n-3，其中且n≤n/4-1；

如果x1＝x5≠0(即第一矩形感应线圈的位移测量值x1与第五矩形感应线圈的位移测量值x5相等，但不等于零)，则x＝x1，k＝4n-3，其中且n≤n/4-1；

如果x1＝x4＝0(即第一矩形感应线圈的位移测量值x1与第四矩形感应线圈的位移测量值x4同时为零)，则x＝0，k＝4n-2，其中且n≤n/4-1.5；

如果x4＝x8≠0(即第四矩形感应线圈的位移测量值x4与第八矩形感应线圈的位移测量值x8相等，但不等于零)，则x＝x4，k＝4n-2，其中且n≤n/4-1.5；

如果x3＝x4＝0(即第三矩形感应线圈的位移测量值x3与第四矩形感应线圈的位移测量值x4同时为零)，则x＝0，k＝4n-1，其中且n≤n/4-1.5；

如果x3＝x7≠0(即第三矩形感应线圈的位移测量值x3与第七矩形感应线圈的位移测量值x7相等，但不等于零)，则x＝x3，k＝4n-1，其中且n≤n/4-1.5；

如果x2＝x3＝0(即第二矩形感应线圈的位移测量值x2与第三矩形感应线圈的位移测量值x3同时为零)，则x＝0，k＝4n-4，其中且n≤n/4-1；

如果x2＝x6≠0(即第二矩形感应线圈的位移测量值x2与第六矩形感应线圈的位移测量值x6相等，但不等于零)，则x＝x2，k＝4n-4，其中且n≤n/4-1。

所述第一、第三、第五、第七矩形感应线圈沿测量方向布于印制电路板的一层，所述第二、第四、第六、第八矩形感应线圈沿测量方向布于印制电路板的另一层。

所述导磁体上开设的矩形通槽的深度大于或者等于1mm。

本发明由于采用了上述结构形式的动子和定子，感应线圈共用一个激励磁场，并且通过在导磁体上按照一定规则进行开槽，形成特殊的编码实现位移的绝对测量；其与现有的绝对式时栅直线位移传感器相比，不存在磁场互相耦合的问题，故测量精度高，且传感器结构简单、成本低、抗干扰能力强。

附图说明

图1为本发明中动子与定子正对的结构示意图。

图2为本发明中动子的结构示意图。

图3为本发明中激励线圈的布线示意图。

图4为本发明中感应线圈的布线示意图。

图5为本发明中定子的结构示意图。

图6为本发明的信号处理原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1至图6所示的绝对式时栅直线位移传感器，包括动子1、定子2、信号调理电路3、鉴相电路4和微处理器5，动子1为布有激励线圈11和感应线圈12的印制电路板，定子2为表面沿测量方向开设有多个矩形通槽的导磁体，该导磁体为矩形导磁体(即导磁体未开矩形通槽之前整体呈长方体形)，动子1与定子2正对(即动子1正对定子2开槽的表面)平行安装，并留有0.3mm的间隙。

如图1、图2、图3所示，激励线圈11包括正弦激励线圈111和余弦激励线圈112，正弦激励线圈111由起始位置相同、幅值为a、周期为w、周期个数为9个、相位互差180°的两条正弦铜线构成，两条正弦铜线分别布于印制电路板的两层，且这两条正弦铜线的起始端通过过孔连接(即连接于o点)、另一端通过两条导线引出作为正弦激励信号输入端；余弦激励线圈112由起始位置相同、幅值为a、周期为w、周期个数为8.5个、相位互差180°的两条正弦铜线构成，两条正弦铜线分别布于印制电路板的另外两层，且这两条正弦铜线的起始端通过过孔连接(即连接于p点)、另一端通过两条导线引出作为余弦激励信号输入端；在印制电路板上，余弦激励线圈112的起始位置沿测量方向(也即正弦铜线的周期延拓方向，在图1、图2、图3中表示为由左至右)与正弦激励线圈111的起始位置相差w/4，且正弦激励线圈111与余弦激励线圈112同时覆盖区域的长度为8.5w。

如图1、图2、图4所示，感应线圈12由相同且独立工作的8个矩形感应线圈组成，矩形感应线圈为具有1个尽可能小开口的非闭合铜线圈，且其开口两端通过两条导线引出作为信号输出端，矩形感应线圈沿测量方向的长度为w，在垂直于测量方向的宽度大于2a；8个矩形感应线圈分别为第一矩形感应线圈121、第二矩形感应线圈122、第三矩形感应线圈123、第四矩形感应线圈124、第五矩形感应线圈125、第六矩形感应线圈126、第七矩形感应线圈127、第八矩形感应线圈128，第一矩形感应线圈121、第二矩形感应线圈122、第三矩形感应线圈123、第四矩形感应线圈124、第五矩形感应线圈125、第六矩形感应线圈126、第七矩形感应线圈127、第八矩形感应线圈128沿测量方向依次排列，且相邻两个矩形感应线圈的中心距为w(比如在测量方向上，第一矩形感应线圈121的中心与第二矩形感应线圈122的中心之间的距离为w、第二矩形感应线圈122的中心c与第三矩形感应线圈123的中心d之间的距离为w)；其中，第一矩形感应线圈121、第三矩形感应线圈123、第五矩形感应线圈125、第七矩形感应线圈127沿测量方向布于印制电路板的一层，第二矩形感应线圈122、第四矩形感应线圈124、第六矩形感应线圈126、第八矩形感应线圈128沿测量方向布于印制电路板的另一层。感应线圈12的起始位置(即第一矩形感应线圈121的左边线)沿测量方向与余弦激励线圈112的起始位置相差w/4，感应线圈12在印制电路板上同时覆盖正弦激励线圈111的连续8个周期和余弦激励线圈112的连续8个周期(即沿测量方向，感应线圈12在印制电路板上覆盖正弦激励线圈111的长度为8w，同时覆盖余弦激励线圈112的长度也为8w)。

如图1、图5所示，导磁体在垂直于测量方向的宽度大于矩形感应线圈在垂直于测量方向的宽度，导磁体沿测量方向(即由左至右)依次划分有n/2个长度为2w的矩形等分区域，其中，n＞8且取值为2的整数倍，此处n的取值为16(n也可以取18、20、24等2的整数倍)，则这些矩形等分区域由左至右依次称为第1个矩形等分区域、第2个矩形等分区域、第3个矩形等分区域、…、第8个矩形等分区域，每个矩形等分区域内都开设有深度等于1mm的矩形通槽，且每个矩形等分区域内所开矩形通槽的面积之和为该矩形等分区域面积的1/2；由左至右，每个矩形等分区域都等分为4份，第1个矩形等分区域内的矩形通槽开设在第1份位置和第3份位置；第2个矩形等分区域内的矩形通槽开设在第1份沿测量方向移动(即右移)w/5后的位置和第3份右移w/5后的位置；第3个矩形等分区域内的矩形通槽开设在第1份位置和第3份位置；第4个矩形等分区域内的矩形通槽开设在第1份右移2w/5后的位置和第3份右移2w/5后的位置；第5个矩形等分区域内的矩形通槽开设在第1份位置和第3份位置；第6个矩形等分区域内的矩形通槽开设在第1份右移3w/5后的位置和第3份右移3w/5后的位置，由于与第3份对应的矩形通槽的开设位置因右移而超出了第6个矩形等分区域，超出的长度为w/10的矩形通槽则开设在第6个矩形等分区域的左侧(即在第6个矩形等分区域内，由第6个矩形等分区域的最左边向右开设长度为w/10的矩形通槽)，形成开槽的空间循环移位，满足第6个矩形等分区域内所开矩形通槽的面积之和为第6个矩形等分区域面积的1/2；第7个矩形等分区域内的矩形通槽开设在第1份位置和第3份位置，第8个矩形等分区域内的矩形通槽开设在第1份右移4w/5后的位置和第3份右移4w/5后的位置，由于与第3份对应的矩形通槽的开设位置因右移而超出了第8个矩形等分区域，超出的长度为3w/10的矩形通槽则开设在第8个矩形等分区域的左侧(即在第8个矩形等分区域内，由第8个矩形等分区域的最左边向右开设长度为3w/10的矩形通槽)，形成开槽的空间循环移位，满足第8个矩形等分区域内所开矩形通槽的面积之和为第8个矩形等分区域面积的1/2。

将导磁体的每个矩形等分区域都再等分为2份，沿测量方向(即由左至右)形成16个长度为w的极对，并依次称为第1个极对、第2个极对、第3个极对、…、第16个极对，将第一矩形感应线圈121完整覆盖第1个极对时的位置作为测量的绝对零位；正弦激励线圈111和余弦激励线圈112中分别通入两相对称激励电流(即幅值相同、相位相差90°的两相电流)，作为正弦激励信号和余弦激励信号，第一矩形感应线圈121、第二矩形感应线圈122、第三矩形感应线圈123、第四矩形感应线圈124、第五矩形感应线圈125、第六矩形感应线圈126、第七矩形感应线圈127、第八矩形感应线圈128中将产生感应信号并分别从其信号输出端输出，当动子1相对于定子2移动时，第一矩形感应线圈121、第二矩形感应线圈122、第三矩形感应线圈123、第四矩形感应线圈124、第五矩形感应线圈125、第六矩形感应线圈126、第七矩形感应线圈127、第八矩形感应线圈128中产生的感应信号将发生周期性变化，将这8个感应信号与激励信号同时输入至信号调理电路3进行信号调理后，送入鉴相电路4进行鉴相处理，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经微处理器5运算、处理后，得到动子1的绝对位移值(参见图6)。

微处理器5已预先设定第一矩形感应线圈121的位移测量值x1的取值范围为[0,w)(即0≤x1＜w)、第二矩形感应线圈122的位移测量值x2的取值范围为[0,w)、第三矩形感应线圈123的位移测量值x3的取值范围为[0,w)、第四矩形感应线圈124的位移测量值x4的取值范围为[0,w)、第五矩形感应线圈125的位移测量值x5的取值范围为[0,w)、第六矩形感应线圈126的位移测量值x6的取值范围为[0,w)、第七矩形感应线圈127的位移测量值x7的取值范围为[0,w)、第八矩形感应线圈128的位移测量值x8的取值范围为[0,w)，设定动子1位于绝对零位时，x1＝x2＝x5＝x6＝0(即第一矩形感应线圈121的位移测量值x1与第二矩形感应线圈122的位移测量值x2、第五矩形感应线圈125的位移测量值x5、第六矩形感应线圈126的位移测量值x6同时为零)。微处理器5接收到鉴相电路4输出的信号后，先对鉴相电路4输出的信号进行处理，得到动子1位于某个位置时第一至第八矩形感应线圈的位移测量值x1至x8，并将第一矩形感应线圈121的位移测量值x1与第二矩形感应线圈122的位移测量值x2进行比较，将第一矩形感应线圈121的位移测量值x1与第四矩形感应线圈124的位移测量值x4进行比较，将第二矩形感应线圈122的位移测量值x2与第三矩形感应线圈123的位移测量值x3进行比较，将第三矩形感应线圈123的位移测量值x3与第四矩形感应线圈124的位移测量值x4进行比较，将第一矩形感应线圈121的位移测量值x1与第五矩形感应线圈125的位移测量值x5进行比较，将第二矩形感应线圈122的位移测量值x2与第六矩形感应线圈126的位移测量值x6进行比较，将第三矩形感应线圈123的位移测量值x3与第七矩形感应线圈127的位移测量值x7进行比较，将第四矩形感应线圈124的位移测量值x4与第八矩形感应线圈128的位移测量值x8进行比较；然后，利用公式：

s＝x+w*(k-1)(1)，

计算动子1的绝对位移值s；

式(1)中，x表示矩形感应线圈的位移测量值，k表示动子位于的极对；其中，x、k的取值方式如下：

如果x1＝x2＝0(即第一矩形感应线圈121的位移测量值x1与第二矩形感应线圈122的位移测量值x2同时为零)，则x＝0，k＝4n-3，其中且n≤3；

如果x1＝x5≠0(即第一矩形感应线圈121的位移测量值x1与第五矩形感应线圈125的位移测量值x5相等，但不等于零)，则x＝x1，k＝4n-3，其中且n≤3；|x1-x3|表示第一矩形感应线圈121的位移测量值x1与第三矩形感应线圈123的位移测量值x3相减后差值的绝对值；

如果x1＝x4＝0(即第一矩形感应线圈121的位移测量值x1与第四矩形感应线圈124的位移测量值x4同时为零)，则x＝0，k＝4n-2，其中且n≤2.5；

如果x4＝x8≠0(即第四矩形感应线圈124的位移测量值x4与第八矩形感应线圈128的位移测量值x8相等，但不等于零)，则x＝x4，k＝4n-2，其中且n≤2.5；|x4-x2|表示第四矩形感应线圈124的位移测量值x4与第二矩形感应线圈122的位移测量值x2相减后差值的绝对值；

如果x3＝x4＝0(即第三矩形感应线圈123的位移测量值x3与第四矩形感应线圈124的位移测量值x4同时为零)，则x＝0，k＝4n-1，其中且n≤2.5；

如果x3＝x7≠0(即第三矩形感应线圈123的位移测量值x3与第七矩形感应线圈127的位移测量值x7相等，但不等于零)，则x＝x3，k＝4n-1，其中且n≤2.5；|x3-x1|表示第三矩形感应线圈123的位移测量值x3与第一矩形感应线圈121的位移测量值x1相减后差值的绝对值；

如果x2＝x3＝0(即第二矩形感应线圈122的位移测量值x2与第三矩形感应线圈123的位移测量值x3同时为零)，则x＝0，k＝4n-4，其中且n≤3；

如果x2＝x6≠0(即第二矩形感应线圈122的位移测量值x2与第六矩形感应线圈126的位移测量值x6相等，但不等于零)，则x＝x2，k＝4n-4，其中且n≤3；|x2-x4|表示第二矩形感应线圈122的位移测量值x2与第四矩形感应线圈124的位移测量值x4相减后差值的绝对值。