[发明专利]一种用于磁栅尺的单场扫描装置及扫描方法

说明书

一种用于磁栅尺的单场扫描装置，由M组扫描探测单元组成，每组扫描探测单元由N个微尺度霍尔元件构成。N个微尺度霍尔元件(编号为Asubgt;1/subgt;，Asubgt;2/subgt;，...，Asubgt;N/subgt;)等间距地分布在一个磁栅尺栅距Λ内，编号相同的微尺度霍尔元件信号线连接在一起。扫描时把用于感知磁栅尺磁场变化的霍尔元件在空间彼此混合，最终输出的传感信号由多个具有不同空间位置、相同相位关系的微尺度霍尔元件共同产生，相比与现有磁栅尺四场扫描方式，其具有误差均化效应，当磁栅尺局部污染或个别感应元件失效时，本发明依旧可以输出高质量、高可靠性的传感信号，从而提高磁栅尺的服役精度和可靠性。

技术领域

本发明涉及精密位移测量技术领域，特别涉及一种用于磁栅尺的单场扫描霍尔传感微阵列。

背景技术

以光栅尺、磁栅尺等为代表的大量程精密栅类传感器，是决定制造装备精度的关键传感部件之一。光栅尺的测量精度可达亚微米级，广泛应用于数控机床、电子制造装备、半导体装备等领域。但光栅尺基于光电扫描原理进行测量，对栅尺的局部污染、灰尘、震动等敏感，因此不适用于恶劣工况。

磁栅尺基于磁电扫描原理，通过磁感应线圈测头或霍尔元件感知磁场变化来测量位移，相比于光栅尺，其具有相对更好的抗震、耐腐蚀、耐污染等特点，在精度要求不高、服役环境恶劣的场合广泛应用，如冶金、机械、石化等行业。

磁栅尺传感信号质量，是制约磁栅尺精度提升的关键问题之一。传统磁栅尺采用传统四场扫描的读数方式，如图1所示，通过空间上相互独立的四个感应元件(磁感应线圈测头或霍尔元件)来感知磁场变化，输出四路正余弦传感信号S₁～S₄。以感应元件1为基准，感应元件2、3、4与感应元件1的间距分别为(L+1/4)Λ、(L+2/4)Λ、(L+3/4)Λ，其中L为整数且L≥1。传统四场扫描方式存在以下技术缺陷：1)磁栅尺的耐污染性虽优于光栅尺，但存在栅尺局部污染时，传感信号质量、特别是四路信号一致性，会受到严重影响，降低磁栅尺服役精度。2)当个别磁感应线圈测头或霍尔元件出现故障时，传感信号会出现很大误差乃至缺失，造成磁栅尺传感系统失效。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于磁栅尺的单场扫描装置及扫描方法，相比于传统四场扫描的磁场探测方式(即通过四个独立的磁感应线圈测头或霍尔元件来感知磁场变化)，当存在磁栅尺局部污染或个别感应元件失效时，其依旧可以输出高质量、高可靠性的传感信号，因此可以显著提高磁栅尺的服役精度和可靠性。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种用于磁栅尺的单场扫描装置，所述扫描装置包括读数单元和数显装置，所述读数单元和数显装置通过数据线连接；所述读数单元和磁栅尺沿X向平行，两者沿Y向中心对齐且沿Z向间隙为0.3～2mm。所述读数单元的内部为单场扫描霍尔微阵列，所述单场扫描霍尔微阵列由M组扫描探测单元组成，每组扫描探测单元由N个微尺度霍尔元件构成，N个微尺度霍尔元件等间距地分布在一个磁栅尺栅距Λ内，每组扫描探测单元的N个微尺度霍尔元件的编号为A₁，A₂，...，A_N，编号相同的微尺度霍尔元件通过一根信号线连接在一起。

进一步地，所述微尺度霍尔元件为线性霍尔元件，尺度为0.1～0.5mm。

进一步地，M为整数，取值为3、4、5或6。

进一步地，N为整数，取值为3或4。

一种基于磁栅尺的单场扫描装置的扫描方法，所述扫描方法包括如下步骤：

S1：将读数单元与磁栅尺平行放置，之后将读数单元沿X方向对磁栅尺进行扫描，单场扫描霍尔传感微阵列感知周期性磁场变化，编号为A_i的微尺度霍尔元件输出信号，该信号的表达式为：