[发明专利]一种双层正弦式时栅直线位移传感器

说明书

本发明公开了一种双层正弦式时栅直线位移传感器，包括动尺和与动尺正对平行且留有气隙的定尺，动尺包括动尺基体、设在动尺基体上的感应单元和覆盖在感应单元上的动尺绝缘层，定尺包括定尺基体、设在定尺基体上的激励单元和覆盖在激励单元上的定尺绝缘层。激励单元采用双列式、双层互补型结构，第一、第二激励线圈的单个极距内形成空间类矩形线圈，能有效地抑制端部效应，提高磁场均匀度，提高传感器的测量精度；感应单元采用双列式、双层结构，第一、第二感应线圈的单个极距内形成封闭的双正弦形线圈，能增强感应信号的强度，提高感应信号幅值。

技术领域

本发明属于精密测量传感器技术领域，具体涉及一种双层正弦式时栅直线位移传感器。

背景技术

近年来，国内研制出一种利用时钟脉冲Δt构成测量基准的位移传感器，其分辨率不依赖于超高精度刻线，分辨率取决于高频时钟脉冲所对应的空间当量。磁场式时栅位移传感器利用闭合导线切割矩形式通电导线所产生的均匀磁场形成行波，再从行波中抽离出位移量。

目前，已研制出的磁场式时栅直线位移传感器包括机加工线槽式传感器和MEMS工艺式传感器，机加工线槽式传感器工艺复杂、成本高，MEMS工艺传感器成本低且加工精度高。但现有的MEMS工艺传感器(比如CN106338234A公开的一种双列式时栅直线位移传感器)，仍然存在如下问题：(1)激励线圈为单层结构的矩形波形式，单极内矩形通电线圈缺少一条边，会产生端部效应，端部效应会破坏均匀磁场，降级均匀磁场有效面积，导致激励线圈产生的磁场均匀度较低，从而影响传感器的测量精度；(2)感应线圈为单层结构的半周期半正弦波形式，感应信号较弱。

发明内容

本发明的目的是提供一种双层正弦式时栅直线位移传感器，以抑制端部效应，提高磁场均匀度，提高传感器的测量精度。

本发明所述的双层正弦式时栅直线位移传感器，包括动尺和与动尺正对平行且留有气隙的定尺，所述动尺包括动尺基体、设在动尺基体上的感应单元和覆盖在感应单元上的动尺绝缘层，所述定尺包括定尺基体、设在定尺基体上的激励单元和覆盖在激励单元上的定尺绝缘层。设定X方向为测量方向，平行于定尺基体且垂直于X方向为Y方向，垂直于定尺基体的方向为Z方向。

所述激励单元包括第一激励线圈和第二激励线圈。第一激励线圈由两条方波形导线段串联形成，两条方波形导线段分别布于两层，且其起始端作为余弦激励信号输入端、终止端通过引线连接，两条方波形导线段的绕制曲线分别为：第二激励线圈由两条方波形导线段串联形成，两条方波形导线段分别布于两层，且其起始端作为正弦激励信号输入端、终止端通过引线连接，两条方波形导线段的绕制曲线分别为：第一激励线圈的起始位置与第二激励线圈的起始位置在X方向上错开在Y方向上间隔2h+L。其中，h表示方波的幅值，L表示第一激励线圈与第二激励线圈在Y方向上的间距，i依次取0至M-1的所有整数，M表示激励单元的对极数。

所述感应单元包括第一感应线圈和第二感应线圈，第一感应线圈与第一激励线圈在Z方向上正对平行，第二感应线圈与第二激励线圈在Z方向上正对平行。第一激励线圈、第二激励线圈中通入两相对称激励电流，当动尺与定尺发生相对运动时，第一感应线圈输出一路感应信号、第二感应线圈输出一路感应信号，两路感应信号经处理得到动尺相对于定尺的直线位移值。

优选的，所述第一感应线圈由沿X方向绕制的起始位置相同、幅值为A、周期为W、周期个数为N、相位互差180°的两条正弦导线段串联形成，两条正弦导线段分别布于两层，且其起始端通过过孔连接、终止端作为第一感应信号输出端。所述第二感应线圈由沿X方向绕制的起始位置相同、幅值为A、周期为W、周期个数为N、相位互差180°的两条正弦导线段串联形成，两条正弦导线段分别布于两层，且其起始端通过过孔连接、终止端作为第二感应信号输出端。第一感应线圈的起始位置与第二感应线圈的起始位置在X方向上对齐、在Y方向上间隔m；其中，m＝2h+L。

优选的，所述第一感应线圈、第二感应线圈输出的两路感应信号经叠加后形成一路行波信号，该路行波信号与激励信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到动尺相对于定尺的直线位移值。