[发明专利]时栅直线位移传感器

说明书

技术领域

本发明属于精密测量传感器技术领域，具体涉及一种时栅直线位移传感器。

背景技术

精密直线位移测量通常采用各类直线位移传感器，如光栅、齿栅、容栅等等。它们主要通过两个途径来提高测量分辨力：一是提高空间刻划密度，减小空间栅距；二是提高电子细分倍数。近年来出现了一种基于电磁感应原理的时栅直线位移传感器，与上述直线位移传感器不同，时栅直线位移传感器采用时钟脉冲作为测量基准，因此其分辨力一方面取决于传感器的空间极距，另一方面也取决于插补时钟脉冲的空间当量；由于插补时钟脉冲的空间当量可以取极小，故时栅直线位移传感器在较大的空间极距下也能实现高分辨力位移测量。但若需进一步提高其分辨力，只能通过减小空间极距或者增加传感器的极对数实现，其成本高。

CN103644834A公开了一种时栅直线位移传感器，其能在不增加刻线精密度或者传感器极对数的情况下，将时栅直线位移传感器的测量分辨力提高一倍，但是其传感单元的激励线圈由多个正绕平面矩形螺旋激励线圈和多个反绕平面矩形螺旋激励线圈沿测量方向依次交错排列构成，传感单元的感应线圈与激励线圈绕线方式不同，激励线圈绕线复杂，从而使传感器结构较复杂，不容易实现；并且传感器的测量精度也会受到激励线圈匝数和各匝线圈分布情况的影响，精度不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种时栅直线位移传感器，以在保证测量分辨力提高一倍的前提下，使传感器结构更简单，以避免激励线圈匝数和各匝线圈分布情况对测量精度造成影响。

本发明所述的时栅直线位移传感器，包括定尺和动尺；所述定尺由导磁的定尺基体(即定尺基体采用导磁材料制作)和设在定尺基体上、下部的两个互不干扰的相同且相互平行的传感单元组成，传感单元包括激励线圈和感应线圈；两个传感单元相距足够远，以保证两个传感单元间互不影响(即其中一个传感单元的激励线圈产生的磁场不会在另一个传感单元的感应线圈中感应出电信号，或者感应出的电信号极小，可以被忽略)，两个传感单元之间的间距一般不低于10mm。

所述动尺由非导磁的动尺基体(即动尺基体采用非导磁材料制作，动尺基体的形状应保证在测量过程中与定尺相对运动时不发生干涉)和嵌于该动尺基体上、下部的两个相同且相互平行的导磁单元组成，所述导磁单元由一个长方体状的导磁体构成或者由多个相同的长方体状的导磁体沿测量方向等间距排列构成。

所述激励线圈沿测量方向采用“∞”字形绕线方式绕线，即激励线圈由零点(坐标为(0，0))开始，两端沿两条交错为N个“∞”字形的周期为W的曲线分别绕线，形成激励线圈绕线轨迹(即N个“∞”字形连续的绕线轨迹)，前述零点(即绕线起始点)是两条周期为W的曲线的第一个交点，两条周期为W的曲线都是分段函数，其中一条周期为W的曲线表示为：

另一条周期为W的曲线表示为：

式中，x方向为测量方向，i依次取值0至N-1中的所有整数(即i＝0,1,2,3,…,N-1)，N表示传感器的极对数，A表示激励线圈绕线轨迹正弦部分的幅值，W等于传感器的极距。在给激励线圈通激励电流时，激励线圈能产生按正弦规律变化的磁场。

所述感应线圈的绕线方式与激励线圈的绕线方式相同，感应线圈绕线轨迹为激励线圈绕线轨迹沿测量方向右移后的曲线，且感应线圈绕线轨迹的“∞”字形个数小于激励线圈绕线轨迹的“∞”字形个数；设在定尺基体上部的传感单元的感应线圈与设在定尺基体下部的传感单元的感应线圈串联。

在由多个所述导磁体构成的导磁单元中，相邻两个导磁体的中心距等于在测量方向上，每个导磁体的宽度b应满足：每个导磁体的长度L应大于2A，以保证产生准确可靠的感应信号。

嵌于动尺基体上、下部的两个导磁单元与设在定尺基体上、下部的两个传感单元在垂直于定尺基体的方向上分别正对平行放置，且留有尽可能小的间隙；两个导磁单元内的导磁体与两个传感单元的激励线圈的位置应满足：如果设在定尺基体上部的传感单元的激励线圈的起始位置沿测量方向与设在定尺基体下部的传感单元的激励线圈的起始位置相距S，则嵌于动尺基体上部的导磁单元内的导磁体的起始位置沿测量方向与嵌于动尺基体下部的导磁单元内的导磁体的起始位置相距或者