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利用电磁感应原理进行长度测量的绝对式传感器

阅读:405发布:2021-06-09

专利汇可以提供利用电磁感应原理进行长度测量的绝对式传感器专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 请求 保护一种新型利用 电磁感应 原理进行长度测量的绝对式 传感器 ;属于利用电磁原理制造的空间 位置 测量传感器 的技术领域;从功能上分,本发明的传感器具有两套位置传感部件,一套是小范围内精细测量部件,称为精编码部件;另一套是大范围内分辨 力 较低的测量部件,称为粗编码部件,利用粗精组合技术完成绝对式位置编码。从部件上分,包括定尺和滑尺,在滑尺上包括精编码线圈部件和粗编码线圈部件;所述精编码线圈部件包括由精激磁线圈和精感应线圈组成的精线圈组;粗编码线圈部件包括由粗激磁线圈和粗感应线圈组成的粗线圈组;在定尺上有一层抗磁材料的长方形板,在其上嵌有用软磁材料制作的两列长方体导磁 块 。本发明的绝对式编码传感器配置 电子 部分后可以形成绝对式长度测量系统。 摘要 附图 是本传感器的滑尺和定尺示意图。,下面是利用电磁感应原理进行长度测量的绝对式传感器专利的具体信息内容。

1.利用电磁感应原理进行长度测量的绝对式传感器,它包括滑尺和定尺;其特征为:在滑尺上包括精编码线圈部件和粗编码线圈部件;所述精编码线圈部件包括4个由精激磁线圈和精感应线圈组成的精线圈组,沿滑尺与定尺相对移动方向排成两列,每列两个;每组内精激磁线圈和精感应线圈沿相对移动方向相间排列,所述精编码线圈部件、粗编码线圈部件中线圈磁芯的一端面处于滑尺上与定尺相对的平面上,此平面称为滑尺工作面,另一端固定在软磁材料的基体上,软磁材料的基体固定在抗磁材料的垫片上,垫片固定在滑尺壳体上;粗编码线圈部件包括由粗激磁线圈和粗感应线圈组成的2个粗线圈组,在滑尺与定尺相对运动方向上,分别安装在精线圈组的两边外侧,每组内有6个粗线圈,对称于与相对移动方向平行和与滑尺工作面垂直的滑尺中面,沿滑尺中面的法向排列;滑尺中面两侧各有3个线圈,排列顺序是:粗感应线圈、粗激磁线圈、粗感应线圈;在定尺基体上固定有抗磁材料制作的长方形平板,长方形平板上镶嵌有两列用软磁材料制作的长方体细长小,简称导磁块,两列中导磁块形状一致,每列中相邻导磁块中线距离是精线圈组内相邻线圈中线距离的两倍,每列中导磁块的个数等于定尺长度除以相邻导磁块中线距离;导磁块的一个面处于定尺上与滑尺相对的平面上,此平面称为定尺工作面;两列导磁块的两个中线相对于平行相对移动方向的定尺工作面上的中线都有一个小夹,其作用是:当滑尺相对于定尺移动时,产生两列导磁块相对于粗线圈分别沿滑尺中面法向移动的效果;精激磁线圈、精感应线圈、软磁材料的基体和导磁块组成能够产生精感应信号的部件;粗激磁线圈、粗感应线圈、软磁材料的基体和导磁块组成能够产生粗感应信号的部件;滑尺与定尺相对空间位置变化时,输出的两路精感应电压信号的幅值也不同,对这两路精感应电压信号的电压进行采样并A/D转换,得到两个自变量是空间位置的周期性数值函数,周期长度是相邻导磁块中线距离,周期个数N等于测量范围除以周期长度,这两个周期函数相位差是四分之一个周期,将测量范围分成N子区间,每个周期对应测量范围内的一个子区间;
四个精激磁线圈输入同一个精激磁信号,精感应线圈产生的感应电压合成后输出,第一列中第一个精线圈组内的精感应线圈和第二列中第二个精线圈组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出,作为第一路精感应信号,第一列第二个精线圈组内的精感应线圈和第二列中第一个精线圈组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出,作为第二路精感应信号,通过对产生两路精感应信号的线圈的空间位置的设定,对两路输出的精感应电压采样和A/D转换,即可得到两个周期函数;编码过程就是通过两个周期函数得到的函数值计算出相对于当前位置的一个数值,在每一个子区间内,这个数值与空间位置是一一对应的,这个数值就是精编码数值;
粗感应线圈输出合成后的电压值为函数值的函数图像,第一个粗线圈组内的粗感应线圈产生的感应电压合成后输出,作为第一路粗感应信号,第二个粗线圈组内粗感应线圈产生的感应电压合成后输出,作为第二路粗感应信号,当第一路、第二路粗感应信号相对位置连续变化时,在激磁电流强度值线性变化区间内的相应时刻对输出信号的电压采样和A/D转换,得到两个函数,由于两个粗线圈组安装位置不同,所以二者有一个相位差,对于每一个空间位置都可以得到一对A/D转换数值,建立一个函数,自变量是一对A/D转换数值,函数值是一个数值,这个函数值与测量范围内的位置形成一对一的线性对应关系,函数值的个数应能满足区分多个子区间的需求,至此完成了粗编码;在整个测量范围内,粗编码数值与空间位置是一一对应的,通过粗精组合的计算,确定精编码数值实际对应的子区间,加上该子区间的基数,即可得到整个测量范围内的初始的绝对式位置编码值,进行系统误差补偿后,即可得到最终的绝对式编码值。
2.根据权利要求1所述的利用电磁感应原理进行长度测量的绝对式传感器,其特征为:
每组内奇数序号的精激磁线圈的缠绕方向与偶数序号的精激磁线圈的相反,每组内奇数序号的精感应线圈的缠绕方向与偶数序号的精感应线圈的相反。
3.根据权利要求1所述的利用电磁感应原理进行长度测量的绝对式传感器,其特征为:
两个粗激磁线圈的缠绕方向一致,靠近滑尺中面的4个粗感应线圈的缠绕方向一致,另外4个粗感应线圈的缠绕方向与前述4个相反。
4.根据权利要求1所述的利用电磁感应原理进行长度测量的绝对式传感器,其特征为:
两个粗激磁线圈串连后输入同一个粗激磁信号。
5.根据权利要求1所述的利用电磁感应原理进行长度测量的绝对式传感器,其特征为:
精线圈部件和粗线圈部件与滑尺基体之间用抗磁材料隔离,减小电磁干扰

说明书全文

利用电磁感应原理进行长度测量的绝对式传感器

技术领域

[0001] 本发明属于传感器技术领域,是基于电磁感应原理进行设计的空间相对位置测量传感器

背景技术

[0002] 目前,利用电磁原理制造的传感器在各种仪器和设备上有着几十年的广泛的应用,电磁原理的长度测量传感器的主要类型有:磁栅、球栅、感应同步器,它们的机械结构和制作工艺不同,激磁和感应方式不同,能够达到的最高分辨也不同。
[0003] 以电磁感应原理设计的长度测量传感器包括激磁部件和感应部件,通过激磁电路对激磁线圈输入变化电流,产生变化的磁场,使得处于此磁场内的感应线圈产生感应电压,感应电压大小取决于激磁电流的变化、部件形状和材料性质、线圈形状和激磁线圈与感应线圈的相对位置。对感应电压进行采样和计算,即可得到空间相对位置的测量数据。
[0004] 早期由于电子器件技术平的限制,测量传感器的准确度主要是通过机械加工精度保证。随着电子器件突飞猛进的发展,采用实时在线的系统误差补偿技术来提高测量准确度的方法得到了广泛的应用。于是,放宽机械加工的精度要求,也可以达到较高的测量准确度,使得传感器的结构和加工工艺可以采取更多的方式方法。
[0005] 若想得到较大的系统误差补偿的效果,采用绝对式编码的测量方式是非常必要的。所谓绝对式编码的含义是:测量数值与测量系统开机时的初始状态无关,只与滑尺相对于定尺的位置有关,并且在整个测量范围内不同的相对位置得到的测量数值也不同。由于测量数据与空间位置的固定关系,所以,根据初始测量值即可准确地从补偿数据库中取得此点的系统误差补偿值,经过补偿,可以得到准确度更高的最终测量值。完成传感器制造后,利用高精度的测量设备进行标定,得出传感器的系统误差,将补偿数据存于电子器件中,即可实现实时在线的系统误差补偿,保证测量的准确度。
[0006] 基于上述思想,本发明是一种新型长度测量传感器,包括两个部件,一个部件是较长的长方体,一般称为定尺。另一个部件较短,一般称为滑尺。使用时,将它们分别安装在两个沿直线相对平动的机械部件上,用以得到两个机械部件相对位置的信息,通过电子部分处理得到长度编码数值。所谓编码是通过一种系统对移动部件所处的每个空间位置给出一个相应的数值,两个位置的编码值之差就是两个位置间距离的测量值。
[0007] 为了实现较大范围内的高分辨力的绝对式长度编码数值,一般采用粗精组合的编码技术。即具有两套长度测量部件,一套得到小区间内的高分辨力的编码,称为精编码,称激磁电流为精激磁电流,感应线圈为精感应线圈,其它类推。另一套得到整个长度测量范围内的较低分辨力的编码,称为粗编码,称激磁电流为粗激磁电流,感应线圈为粗感应线圈,其它类推。由于精编码的周期性,一个精编码数值可能出现在N个子区间内,得到空间相对位置的精编码和粗编码后,利用粗编码进行判断,可以确定精编码是从N个子区间内的哪一个子区间内出现的,加上不同区间的不同基数,即得到整个长度测量范围内的高分辨力的绝对编码形式的初始编码数据,再经过系统误差补偿,最终获得高分辨力、高准确度的绝对编码数值(测量数值)。

发明内容

[0008] 本发明是一种利用电磁感应原理进行长度测量的传感器,发明内容如下:
[0009] 利用电磁感应原理进行长度测量的绝对式传感器,它包括滑尺和定尺;其特征为:在滑尺上包括精编码线圈部件和粗编码线圈部件;所述精编码线圈部件包括4个由精激磁线圈和精感应线圈组成的精线圈组,沿滑尺与定尺相对移动方向排成两列,每列两个;每组内精激磁线圈和精感应线圈沿相对移动方向相间排列,所述精编码线圈部件、粗编码线圈部件中线圈磁芯的一端面处于滑尺上与定尺相对的平面上,此平面称为滑尺工作面,另一端固定在软磁材料的基体上,软磁材料的基体固定在抗磁材料的垫片上,垫片固定在滑尺壳体上;粗编码线圈部件包括由粗激磁线圈和粗感应线圈组成的2个粗线圈组,在滑尺与定尺相对运动方向上,分别安装在精线圈组的两边外侧,每组内有6个粗线圈,对称于与相对移动方向平行和与滑尺工作面垂直的滑尺中面,沿中面的法向排列;滑尺中面两侧各有3个线圈,排列顺序是:粗感应线圈、粗激磁线圈、粗感应线圈;所述精编码线圈部件、粗编码线圈部件中线圈磁芯的一端面处于滑尺工作面上,另一端固定在软磁材料的基体上,软磁材料的基体固定在抗磁材料的垫片上,垫片固定在滑尺壳体上;在定尺基体上固定有抗磁材料制作的长方形平板,长方形平板上镶嵌有两列用软磁材料制作的长方体细长小,简称导磁块,两列中导磁块形状一致,每列中相邻导磁块中线距离是精线圈组内相邻线圈中线距离的两倍,每列中导磁块的个数等于定尺长度除以相邻导磁块中线距离;导磁块的一个面处于定尺上与滑尺相对的平面上,此平面称为定尺工作面;两列导磁块的两个中线相对于平行相对移动方向的定尺工作面上的中线都有一个小夹,其作用是:当滑尺相对于定尺移动时,产生两列导磁块相对于粗线圈分别沿滑尺中面法向移动的效果;精激磁线圈、精感应线圈、软磁材料的基体和导磁块组成能够产生精感应信号的部件;粗激磁线圈、粗感应线圈、软磁材料的基体和导磁块组成能够产生粗感应信号的部件;滑尺与定尺相对空间位置变化时,输出的两路精感应电压信号的幅值也不同,对这两路精感应电压信号的电压进行采样并转换,得到两个自变量是空间位置的周期性数值函数,周期长度是相邻导磁块中线距离,周期个数N等于测量范围除以周期长度,这两个周期函数相位差是四分之一个周期,将测量范围分成N子区间,每个周期对应测量范围内的一个子区间;精激磁线圈输入同一个精激磁信号,精感应线圈产生的感应电压合成后输出,分别作为第一路、第二路精感应信号,通过对产生两路精感应信号的线圈的空间位置的设定,对两路输出的精感应电压采样和A/D转换,即可得到两个周期函数;编码过程就是通过两个周期函数得到的函数值计算出相对于当前位置的一个数值,在每一个子区间内,这个数值与空间位置是一一对应的,这个数值就是精编码数值;粗感应线圈输出合成后的电压值为函数值的函数图像,将粗感应线圈输出的电压值作为第一路、第二路粗感应信号输出,当第一路、第二路粗感应信号相对位置连续变化时,在激磁电流强度值线性变化区间内的ti时刻对输出信号的电压采样和A/D转换,得到两个函数,由于两组粗线圈安装位置不同,所以二者有一个相位差,对于每一个空间位置都可以得到一对A/D转换数值,建立一个函数,自变量是一对A/D转换数值,函数值是一个数值,这个函数值与测量范围内的位置形成一对一的线性对应关系,函数值的个数应能满足区分多个子区间的需求,一般是多于6倍子区间的个数,至此完成了粗编码;在整个测量范围内,粗编码数值与空间位置是一一对应的,通过粗精组合的计算,确定精编码数值实际对应的子区间,加上该子区间的基数,即可得到整个测量范围内的初始的绝对式位置编码值,进行系统误差补偿后,即可得到绝对式编码值。
[0010] 优选为:每组内奇数序号的精激磁线圈的缠绕方向与偶数序号的精激磁线圈的相反,每组内奇数序号的精感应线圈的缠绕方向与偶数序号的精感应线圈的相反。
[0011] 优选为:两个粗激磁线圈的缠绕方向一致,靠近滑尺中面的4个粗感应线圈的缠绕方向一致,另外4个粗感应线圈的缠绕方向与前述4个相反。
[0012] 优选为:所有精激磁线圈串连后输入同一个精激磁信号。
[0013] 优选为:第一列中第一个精线圈组和第二列中第二个精线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出,作为第一路精感应信号,第一列第二个精线圈组和第二列中第一个精线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出,作为第二路精感应信号。
[0014] 优选为:两个粗激磁线圈串连后输入同一个粗激磁信号。
[0015] 优选为:第一组内4个粗感应线圈产生的感应电压合成后输出,作为第一路粗感应信号,第二组内4个粗感应线圈产生的感应电压合成后输出,作为第二路粗感应信号。
[0016] 优选为:精线圈部件和粗线圈部件与滑尺基体之间用抗磁材料隔离,减小电磁干扰
[0017] 有益效果:研制出的长度测量传感器是绝对式编码,这是一个重要的优点。相对于光栅测量传感器,具有相同水平的分辨力和准确度,但对应用环境的要求较低,制造工艺较普通。由于本发明定尺结构简单,可以方便地接长,如果再加入一套分辨力更粗的长度测量部件,可以组成测量范围达十米以上的有较高分辨力的长度测量系统。在某些应用场合中相对其它类型的传感器具有一定的优势。附图说明
[0018] 图1为滑尺(a)和定尺(b)工作面分体示意图,A1、A2、A3、A4为4组精线圈,B为粗线圈,C为滑尺壳体,D为镶嵌定尺上的两列软磁材料的长方体块(简称导磁块),E为抗磁材料层,F为定尺基体。
[0019] 图2为滑尺和定尺安装好后相对位置示意图。
[0020] 图3为滑尺和定尺安装好后线圈与导磁块相对位置示意图。
[0021] 图4为导磁块排列示意图。
[0022] 图5为精线圈(a)与粗线圈(b)示意图。
[0023] 图6为精线圈连接示意图。
[0024] 图7为线圈缠绕方法(a)、(b)示意图。
[0025] 图8为精线圈磁通变化示意图。
[0026] 图9为精线圈电动势示意图。
[0027] 图10(a)、(b)为激磁信号和某个位置的感应信号形状示意图。
[0028] 图11为空间位置是自变量,ti时刻的精感应电压转换出的数值为函数值的函数图像,Ds和Dc分指这两个函数。
[0029] 图12为粗线圈磁通变化示意图。
[0030] 图13(a)、(b)为空间位置是自变量,ti时刻的粗感应线圈输出的电压值为函数值的函数图像。

具体实施方式

[0031] 参看图1,利用电磁感应原理进行长度测量的传感器包括定尺和滑尺,在滑尺上包括精编码线圈部件和粗编码线圈部件;所述精编码线圈部件包括4个由精激磁线圈和精感应线圈组成的精线圈组,沿滑尺与定尺相对移动方向排成两列,每列两个;每组内精激磁线圈和精感应线圈沿相对移动方向相间排列,线圈磁芯的一端面处于滑尺上与定尺相对的平面上,此平面称为滑尺工作面,另一端固定在软磁材料的基体上,软磁材料的基体固定在抗磁材料的垫片上,垫片固定在滑尺壳体上;每组内奇数序号的精激磁线圈的缠绕方向与偶数序号的精激磁线圈的相反,每组内奇数序号的精感应线圈的缠绕方向与偶数序号的精感应线圈的相反。
[0032] 粗编码线圈部件包括由粗激磁线圈和粗感应线圈组成的2个粗线圈组,在滑尺与定尺相对运动方向上,分别安装在精线圈组的两边外侧,每组内有6个粗线圈,对称于与相对移动方向平行和与滑尺工作面垂直的滑尺中面,沿中面的法向排列;滑尺中面两侧各有3个线圈,排列顺序是:粗感应线圈、粗激磁线圈、粗感应线圈;线圈磁芯的一端面处于滑尺工作面上,另一端固定在软磁材料的基体上,软磁材料的基体固定在抗磁材料的垫片上,垫片固定在滑尺壳体上;两个粗激磁线圈的缠绕方向一致,靠近滑尺中面的4个粗感应线圈的缠绕方向一致,另外4个粗感应线圈的缠绕方向与前述4个相反。
[0033] 在定尺基体上固定有抗磁材料制作的长方形平板,长方形平板上镶嵌有两列用软磁材料制作的长方体细长小块,简称导磁块,两列中导磁块形状一致,每列中相邻导磁块中线距离是精线圈组内相邻线圈中线距离的两倍,每列中导磁块的个数等于定尺长度除以相邻导磁块中线距离;导磁块的一个面处于定尺上与滑尺相对的平面上,此平面称为定尺工作面;两列导磁块的两个中线相对于平行相对移动方向的定尺工作面上的中线都有一个小夹角,其作用是:当滑尺相对于定尺移动时,产生两列导磁块相对于粗线圈分别沿滑尺中面法向移动的效果。
[0034] 精激磁线圈、精感应线圈、软磁材料的基体和导磁块组成能够产生精感应信号的部件;粗激磁线圈、粗感应线圈、软磁材料的基体和导磁块组成能够产生粗感应信号的部件。
[0035] 所有精激磁线圈串连后输入同一个精激磁信号;第一列中第一个精线圈组和第二列中第二个精线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出,作为第一路精感应信号,第一列第二个精线圈组和第二列中第一个精线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出,作为第二路精感应信号,如此设计是为了减小滑尺与定尺相对平动过程中两个工作平面的平行误差对精编码准确度的影响。
[0036] 两个粗激磁线圈串连后输入同一个粗激磁信号;第一组内4个粗感应线圈产生的感应电压合成后输出,作为第一路粗感应信号,第二组内4个粗感应线圈产生的感应电压合成后输出,作为第二路粗感应信号;粗线圈的对称分布是为了减小滑尺与定尺相对平动的直线度误差对粗编码准确度的影响。
[0037] 滑尺与定尺相对空间位置变化时,输出的两路精感应电压信号的幅值也不同,对这两路精感应电压信号的电压进行采样并转换,得到两个自变量是空间位置的周期性数值函数,周期长度是相邻导磁块中线距离,周期个数N等于测量范围除以周期长度,这两个周期函数相位差是四分之一个周期。将测量范围分成N子区间。利用得到的两个函数的一对函数值的比值,通过计算,可以得到一个数值,作为精编码;在整个测量范围内,精编码数值变化是周期性的,得到这个数值在N个子区间中都有可能出现;对粗信号进行采样后得到两个函数,利用这两个函数的一对函数值,经过计算,得到一个数值,作为粗编码;在整个测量范围内,粗编码数值与空间位置是一一对应的,通过粗精组和的计算,确定精编码数值实际对应的子区间,加上该子区间的基数,即可得到整个测量范围内的初始的绝对式位置编码值,进行系统误差补偿后,即可得到最终的较高准确度的绝对式编码值。
[0038] 实施例1
[0039] 本发明通过一个测量长度范围是500毫米的实际例子进行说明具体实施方式。参看图1中A所指,在滑尺上制作了4个精线圈组,每组内包含精激磁线圈和精感应线圈,精激磁线圈和精感应线圈相间排列,每组内的相邻线圈中心距离为2毫米,线圈磁芯横断面形状是细长形,线圈磁芯的一端面处于滑尺的工作平面上,另一端固定在软磁材料的矩形平板上(参看图5的W所指),软磁材料的矩形平板固定在抗磁材料的垫片上,垫片固定在滑尺壳体上。
[0040] 参看图7,每组内J1、J3、J5、J7精激磁线圈与J2、J4、J6精激磁线圈的缠绕方向相反,每组内G1、G3、G5精感应线圈与G2、G4、G6精感应线圈的缠绕方向相反。参看图6,所有精激磁线圈输入同一个精激磁信号。第A1和A4组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出,作为第一路精感应信号,第A2和A3组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出,作为第二路精感应信号。
[0041] 参看图1中B所指,在滑尺上制作了两个粗线圈组,每组有6个粗线圈,6个粗线圈对称于滑尺的中面,沿滑尺的中面的法向向外排列顺序是:粗感应线圈,粗激磁线圈,粗感应线圈。每组内的粗激磁线圈与粗感应线圈的中心距离为4毫米,线圈磁芯横断面形状是细长条形,线圈磁芯的一端面处于滑尺的工作平面上,另一端固定在软磁材料的矩形平板上(参看图5的Q所指),软磁材料的矩形平板固定在抗磁材料的垫片上,垫片固定在滑尺壳体上。
[0042] 参看图7,每组内的两个粗激磁线圈的缠绕方向一致,靠近滑尺中面的2个粗感应线圈的缠绕方向一致,外侧的2个粗感应线圈的缠绕方向与内侧的2个相反。2个粗激磁线圈串连,4个粗感应线圈串连,第一组产生的感应电压作为第一路粗感应信号,第二组产生的感应电压作为第二路粗感应信号。
[0043] 参看图1中E所指,在定尺基体上装有用抗磁材料制作的一个平面层,在这个平面层上嵌有用软磁材料制作的两列长方体细长导磁块(参看图1中D所指)。每组内相邻两个导磁块中心距离是4毫米,于是精编码周期长度是4毫米,将500毫米的测量范围分为125个子区间,周期数N等于125。参看图4,两列导磁块的两个中线相对于定尺工作面的中线都有一个小夹角θ1,θ1是2/500的反正切的函数值。
[0044] 参看图2、图3,滑尺与定尺安装好后,线圈磁芯端头所在的工作平面与导磁块所在的工作平面向对,间隙很小,一般取值在0.1至0.5毫米之间。
[0045] 下面叙述工作原理,精激磁电流通过精激磁线圈时,滑尺与定尺的相对位置不同就是导磁块与精线圈的相对位置不同,造成激磁线圈产生的变化磁场的强度变化率的分布不同,导致感应线圈内的磁通量变化率也不同,最终使得输出的两路感应电压信号的最大幅值的不同。
[0046] 参看图10,在精激磁电流由负最大值向正最大值线性变化过程中,精激磁线圈内的磁通量发生变化。参看图8、图9,从一组精线圈与导磁块的4个不同的相对位置情形下说明磁场的分布和感应电压的情况。由于精激磁线圈J1、J3、J5、J7与J2、J4、J6缠绕圈数相同、方向相反,所以,产生的磁场强度相同、方向相反。图8(1)所示是导磁块处于精激磁圈和精感应线圈中间位置的正下方,此时精感应线圈内磁通量变化率达到最大值,从而精感应线圈上的电动势为最大,参看图9(1),从此组精感应线圈的引出端可以得到不为零的精感应电压;图8(2)所示是导磁块处于精感应线圈的正下方,感应线圈内磁通量没有变化,从而精感应线圈上的电动势为零,输出的电压也为零;图8(3)所示是导磁块处于精感应线圈和精激磁线圈中间位置的正下方,此时精感应线圈内磁通量变化率达到最大值,从而精感应线圈上的电动势为最大,参看图9(2),从此组感应线圈的引出端可以得到与图8(1)所示情况下方向相反的感应电压;图8(4)所示是导磁块处于精激磁线圈的正下方,精感应线圈内磁通总量没有变化,从而感应线圈上的电动势为0,输出的电压也为零。参看图10,在激磁电流强度值线性变化区间内的ti时刻对输出电压采样和A/D转换,得到一个数值,当滑尺与定尺的相对位置连续变化时,就得到一个自变量是空间位置的周期函数。
[0047] 通过对产生两路精感应信号的线圈的空间位置的设定,对两路输出的精感应电压采样和A/D转换,即可得到两个周期函数,周期是4毫米,相位差是四分之一个周期(1毫米),图11所示一个周期的函数曲线。编码过程就是通过得到的函数值计算出相对于当前位置的一个数值,在每一个子区间内,这个数值与空间位置是一一对应的,这个数值就是精编码数值。在目前的技术水平下,容易得到4毫米内的分辨力高于0.001毫米的精编码。由于周期性,所以得到的这个数值对应着分别处于N个子区间中的N个位置。还需要完成粗编码,才能确定N个空间位置中的哪一个是当前的实际空间位置。
[0048] 参看图4,由于两列导磁块的两个中线相对于定尺工作面的中线都有一个小夹角θ1,当滑尺与定尺的相对位置沿着X方向变化时,产生两列导磁块相对于粗线圈分别沿着+Y和-Y两个相反的方向运动的效果,相对于X方向的运动范围500毫米,Y方向的范围是2毫米。导磁块与粗线圈的相对位置将影响粗感应线圈内的磁通量的变化。
[0049] 参看图12,通过一组粗线圈与导磁块的3个不同的相对位置情形来说明磁场的变化。在粗激磁电流由负最大值向正最大值线性变化过程中,粗激磁线圈I2-1和I2-2产生磁场。在图12(1)所示情况下,U2-2和U2-3粗感应线圈内磁通量的变化率大,输出的感应电压高,U2-1和U2-4粗感应线圈内磁通量的变化率小,输出的感应电压低;由于U2-2、U2-3粗感应线圈与U2-1、U2-4粗感应线圈的缠绕方向相反,4个粗感应线圈的输出合成后输出电压不为零;在图12(2)所示情况下,U2-1、U2-2、U2-3、U2-4粗感应线圈内磁通量的变化率相同,4个粗感应线圈的输出合成后输出电压为零;在图12(3)所示情况下,U2-2和U2-3粗感应线圈内磁通量的变化率小,输出的感应电压低,U2-1和U2-4粗感应线圈内磁通量的变化率大,输出的感应电压高,4个粗感应线圈的输出合成后输出电压不为零,方向与图12(1)所示情况时相反。图13所示是ti时刻的4个粗感应线圈输出合成后的输出电压值为函数值的函数图像。将第一组粗感应线圈的输出组合作为第一路粗感应信号输出,第二组粗感应线圈的输出组合作为第二路粗感应信号输出。当相对位置连续变化时,在激磁电流强度值线性变化区间内的ti时刻对输出信号的电压采样和A/D转换,得到两个函数,自变量是滑尺相对定尺的空间位置,函数值是数据,由于两组粗线圈安装位置不同,所以它们有一个相位差,参看图13的右图,对于每一个空间位置都可以得到一对A/D转换数值。建立一个函数,自变量是一对A/D转换数值,函数值是一个数值,这个函数值与测量范围内的位置形成一对一的线性对应关系,函数值的个数应能满足区分125个子区间的需求,一般是多于6倍子区间的个数,至此完成了粗编码。这个粗编码的分辨力是很低的,一般来说,在一个周期内获得5000个编码值是容易实现的,所以,不加入第三组更粗的编码系统情况下,减小θ1和增加粗编码的分辨力,可以达到3米的绝对编码范围。
[0050] 一个粗编码对应测量范围内唯一一个空间位置,根据这个位置即可确定精编码对应的N个空间位置中哪一个是当前的实际空间位置。精编码加上该位置所在子区间对应的基数后,得到的这个数值就是在测量范围内的空间位置的绝对编码形式的初始编码值。
[0051] 简单来说,在测量空间内,滑尺位于相对于定尺的每一个空间位置时,通过对感应电压采样、处理和进行计算都可以得到一个数值,这个数值与空间位置是一一对应的、而且是单调的。两个位置的距离就是它们对应的绝对编码值之差。
[0052] 由于制造过程产生的机械形位误差和电子系统信号处理的误差,利用初始编码值计算长度测量值时,存在系统误差。采用其它类型的高精度的长度测量设备(例如激光长度测量系统)对初始编码进行标定,获得系统误差数据,将此数据存入与传感器配套的电子部件内,实行实时在线补偿,即可得到高准确度的绝对式编码。从而得到高准确度的长度测量数据。
[0053] 将多根定尺拼接成后可以得到更长定尺的效果,附加一路更粗的编码系统,就可以满足大测量范围的需求。接长时定尺两列导磁块的接近端相连接,较远端相连接,这样可以保持粗信号的采样曲线的连续性。其它相关技术比较简单,不再说明。
[0054] 以下简单介绍为了提高编码数据的稳定性而进行的结构设计。参看图2,滑尺与定尺相对平动过程中,由于机械加工误差导致滑尺与定尺相对移动时不是理想的平动,会产生垂直于运动方向的微小位移误差和绕三个坐标轴的微小转动误差,具体是:Y向的误差ΔY、Z向的误差ΔZ、绕X轴的旋转误差Δβ、绕Y轴的旋转误差Δα、绕Z轴的旋转误差Δθ。
[0055] 由于计算过程中利用函数值的比值,所以,误差ΔZ导致数值的放大或缩小,对于比值影响很小,可将ΔZ控制在较小的范围内,它对测量精度的影响可以忽略不计。由于精线圈磁芯长条形状的端面平行于Y向,ΔY对精感应信号的影响可以忽略不计,由于精线圈排列方向与移动方向平行,Δθ对精感应信号的影响造成的误差相对于Δθ是高阶无穷小,可以忽略不计。参看图13,误差ΔY引起4个感应线圈磁通量的变化,由于粗线圈是相对于滑尺中面对称安置,误差ΔY引起的U2-1与U2-2线圈感应电压合成后输出的变化量ΔU1与U2-1与U2-2线圈感应电压合成后输出的变化量ΔU2的绝对值相近,符号相反,信号组合后,基本抵消。由于产生两个精感应信号的两对精线圈组的对角线分布,经过信号组合后,Δα和Δβ引起的各个精感应电压的变化可以基本抵消。由于两组粗线圈内的线圈都是相对于滑尺中面对称安置,经过信号组合后,Δβ引起的各组粗感应电压的变化可以基本抵消。综上所述,对于本设计的传感器,运动误差对测量准确度影响不大。
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