时栅直线位移传感器

摘要

本发明公开了一种时栅直线位移传感器，包括定尺和动尺，所述动尺由非导磁的动尺基体和导磁单元组成，定尺由非导磁基体和两个相同的传感单元组成，传感单元包括激励线圈、感应线圈和导磁基体，激励线圈由各自绕成矩形波状且位于同一平面的n条导线构成，感应线圈由过零点开始的两条正弦曲线绕出，激励线圈与感应线圈按照特定空间关系布置，非导磁基体的厚度在沿测量方向满足特定条件。其能在不增加刻线精密度或者传感器周期性节距的情况下，将时栅直线位移传感器的分辨力再次提高一倍。

主权项

一种时栅直线位移传感器，包括定尺(1)和动尺(2)，所述动尺(2)由非导磁的动尺基体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，导磁单元由一个长方体状的导磁体(21)构成或者由多个相同的长方体状的导磁体(21)沿测量方向等间距排列构成，在由多个所述导磁体(21)构成的导磁单元中，相邻两个导磁体的中心距等于W；每个导磁体的宽度b应满足：或者两个导磁单元内的导磁体的起始位置对齐；其特征在于：所述定尺(1)由非导磁基体(13)和位于非导磁基体上、下部的两个相同且相互平行的传感单元组成，该两个传感单元分别与所述动尺(2)的两个导磁单元正对平行放置，且留有间隙，所述传感单元包括激励线圈(11)、感应线圈(12)和导磁基体(14)；所述激励线圈(11)由各自绕成矩形波状且位于同一平面的n条导线构成，每条导线绕制的矩形波周期相等，均为W，占空比不等，激励线圈的n条导线按照占空比由大到小的顺序排列，其第m条导线的占空比D_m满足：当$1\le m\le \frac{n}{2}$时，$D_m=1-\frac{1}{\pi }\arccos \left(\frac{n-2m+2}{n+2}\right);$当时，其中，n≥6且为偶数，在同一个周期内所有矩形波波峰所在线段的中垂线重合，矩形波周期延拓方向与测量方向一致；所述感应线圈(12)采用“8”字形绕法，由过零点开始，两边同时沿幅值相同、周期等于W、初相角分别为0和π的两条正弦曲线绕出，感应线圈的高度小于所述导磁体(21)的高度，感应线圈周期延拓方向与测量方向一致，两个传感单元内的感应线圈串联；所述非导磁基体(13)的正面为平面，背面为沿测量方向变化的波浪形曲面，所述激励线圈(11)和感应线圈(12)布置在非导磁基体正面的布线层上或者嵌于非导磁基体内；所述导磁基体(14)的正面为沿测量方向变化的波浪形曲面，背面为平面，导磁基体的正面与非导磁基体的背面相匹配且紧密贴合，导磁基体的厚度大于或者等于2mm；两个传感单元内的导磁基体之间有大于或者等于20mm的间隔，每个传感单元内的导磁基体的投影能将该传感单元内的激励线圈完全遮盖；所述两个传感单元内的激励线圈(11)、感应线圈(12)以及非导磁基体(13)应满足：每个传感单元内的激励线圈与感应线圈正对平行，感应线圈在激励线圈所处平面内的投影位于所有矩形波的波峰与波谷之间，且距最近的波峰或波谷的距离大于或者等于5mm；以与测量方向垂直的某个面为基准面，以测量方向为x方向，设基准面处x＝0，其中一个传感单元的激励线圈的一波峰所在线段的中垂线位于基准面右侧，相距基准面该传感单元的感应线圈的一过零点位于基准面左侧，相距基准面该传感单元对应的非导磁基体的厚度为另一个传感单元的激励线圈的一波峰所在线段的中垂线位于基准面右侧，相距基准面该传感单元的感应线圈的一过零点位于基准面左侧，相距基准面该传感单元对应的非导磁基体的厚度为其中，A和L_m为常数，且满足0＜1.5L_m＜A≤2；所述定尺(1)的一个传感单元的激励线圈按矩形波占空比由大到小的顺序，其第m条导线中通入的激励电流I_1m满足：当时，$I_{1m}=I\cos [\frac{\pi }{2}-\arccos \left(\frac{n-2m+2}{n+2}\right)]\sin \left(2\pi \frac{t}{T}\right),$当$\frac{n}{2}<m\le n$时，$I_{1m}=I\cos [\frac{\pi }{2}-\arccos \left(\frac{2m-n}{n+2}\right)]\sin \left(2\pi \frac{t}{T}\right);$另一个传感单元的激励线圈按矩形波占空比由大到小的顺序，其第m条导线中通入的激励电流I_2m满足：当时，$I_{2m}=I\cos [\frac{\pi }{2}-\arccos \left(\frac{n-2m+2}{n+2}\right)]\cos \left(2\pi \frac{t}{T}\right),$当$\frac{n}{2}<m\le n$时，$I_{2m}=I\cos [\frac{\pi }{2}-\arccos \left(\frac{2m-n}{n+2}\right)]\cos \left(2\pi \frac{t}{T}\right);$其中，I为电流幅值系数，取常数，T为激励电流周期，取常数；当动尺(2)与定尺(1)沿测量方向发生相对运动时，导磁体(21)相对感应线圈(12)运动，两个串联的感应线圈共同输出幅值恒定的感应信号，将该感应信号与激励信号进行鉴相处理，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定尺的直线位移。