技术领域
[0001] 本
发明属于精密
测量传感器技术领域，具体涉及一种时栅角位移传感器。
背景技术
[0002] 精密角位移测量通常采用各类角位移传感器，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角位移传感器，与上述角位移传感器不同，时栅角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，故时栅角位移传感器在较大的空间极距下也实现了高分辨力位移测量。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的方式实现，比如CN2909178Y公开的一种多极平面绕组时栅角位移传感器，其采用无
铁芯多极平面绕组，通过增加传感器的极对数的方式来提高旋转
磁场的线性，能减干扰和高频失真，提高时栅角位移传感器的
精度及分辨力，但是其成本较高。
[0003] CN102425987A公开了一种基于交变
电场的时栅角位移传感器，其采用差动平板电容式结构，利用电场耦合原理获取
信号来测量角位移，功耗低、重量轻、成本低，但是其分辨力仍不够高。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种结构简单的时栅角位移传感器，以在不增加刻线精密度或者传感器极对数的情况下，将测量分辨力提高一倍。
[0005] 本发明所述的时栅角位移传感器，包括
定子和
转子，所述定子由定子基体和两个相同的传感单元构成，定子基体为中心开轴孔的导磁圆柱体，定子基体采用导磁材料制作，两个传感单元平行且互不干扰的设在定子基体的上、下端面，传感单元包括激励线圈和感应线圈；定子基体具有足够的高度，能保证设在其上、下端面的两个传感单元互不影响(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)，定子基体的高度一般不低于5mm。
[0006] 所述激励线圈采用“∞”字形绕线方式绕线，即激励线圈由一起始点开始沿圆周顺
时针方向或逆时针方向绕出，两端沿两条交错为N个“∞”字形的周期为Φ的曲线分别绕线，绕完整个圆周后分别引出，形成激励线圈绕线轨迹(即沿圆周方向的N个“∞”字形连续的绕线轨迹)，所述起始点是两条周期为Φ的曲线的第一个交点，两条周期为Φ的曲线都是分段函数，其中一条周期为Φ的曲线用极坐标方程表示为：
[0007]
[0008] 另一条周期为Φ的曲线用极坐标方程表示为：
[0009]
[0010] 式中， N表示传感器的极对数，Φ表示一个周期对应的圆心角，其等于传感器的极距，i依次取值0至N-1中的所有整数(即i＝0,1,2,3,…,N-1)，A表示激励线圈绕线轨迹正弦部分的幅值，R表示激励线圈绕线轨迹所沿圆周的半径(即r1曲线与r2曲线的2N+1个交错点所在圆周的半径)，R＞A。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。
[0011] 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圆周顺时针方向或逆时针方向旋转 圆心角后的曲线；设在定子基体上端面的传感单元的感应线圈与设在定子基体下端面的传感单元的感应线圈
串联。
[0012] 所述转子由上转子基体、下转子基体、
支撑柱和两个相同的导磁单元构成，上转子基体与下转子基体结构相同，都为中心开轴孔的非导磁的圆盘体，上转子基体、下转子基体都采用非导磁材料制作，支撑柱为扇环柱体，其内圆弧直径大于定子基体的外径，支撑柱的上端面与上转子基体垂直连接，支撑柱的下端面与下转子基体垂直连接，连接后形成侧面开口的框形结构，且支撑柱与上、下转子基体的轴心线重合，两个导磁单元分别嵌在上、下转子基体上且相互平行，导磁单元由一个导磁体或者由m个相同的导磁体绕上转子基体或者下转子基体的轴心线等间距排列构成，其中1＜m≤2N，导磁体为扇环柱体；在由m个导磁体构成的导磁单元中，各个导磁体的上端面或者下端面位于同一平面内，相邻两个导磁体的中心所夹圆心角等于 每个导磁体的圆心角β满足： 每个导磁体的外圆弧半径大于R+A，内圆弧半径小于R-A，以保证产生准确可靠的感应信号。由m个导磁体构成的导磁单元能产生较大的磁场强度，能使感应线圈输出的感应信号更强。
[0013] 所述定子基体位于所述框形结构内，其轴心线与上、下转子基体的轴心线重合(即定子基体与框形结构同轴心线安装，定子基体固定不动，框形结构可相对定子基体转动)，两个传感单元与两个导磁单元分别正对平行(即嵌在上转子基体上的导磁单元向下正对设在定子基体上端面的传感单元，嵌在下转子基体上的导磁单元向上正对设在定子基体下端面的传感单元)，并留有相同且尽可能小的间隙；所述框形结构能保证在测量过程中上、下转子基体以及支撑柱与定子相对转动时不发生干涉；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：如果设在定子基体上端面的传感单元的激励线圈的起始位置与设在定子基体下端面的传感单元的激励线圈的起始位置所夹圆心角为α，则嵌在上转子基体上的导磁单元内的导磁体的起始位置与嵌在下转子基体上的导磁单元内的导磁体的起始位置所夹圆心角为 或者
[0014] 定子的两个传感单元的激励线圈分别连接两相对称激励电流(即幅值相同、
相位相差90°的两相电流)，在各自激励作用下沿圆周方向产生按正弦规律变化的磁场，当转子绕轴心线相对定子发生转动时，导磁体相对感应线圈运动，两个传感单元的两个串联的感应线圈内的磁通量发生周期性变化，并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，经换算后得到转子相对定子转动的角位移。
[0015] 为了尽量减小传感单元与导磁单元之间的间隙，嵌在上转子基体上的导磁单元内的导磁体的下端面与上转子基体的下端面平齐；嵌在下转子基体上的导磁单元内的导磁体的上端面与下转子基体的上端面平齐。
[0016] 所述每个导磁体的圆心角β都等于 由于，在 时，随着β的增大感应线圈输出的感应信号越强，在β等于 时，感应信号最强；在 时，随着β的增大感应线圈输出的感应信号越弱，在β等于 时，感应信号为零；取β等于 感应线圈输出的感应信号最强(即幅值最大)，测量更方便、容易。
[0017] 传感单元在定子基体上、下端面的设置方式有两种：一种是，定子基体的上端面固定有与定子基体形状相匹配的上印制
电路板，所述的一个传感单元的激励线圈与感应线圈独立的布置在上印制
电路板的不同布线层上；定子基体的下端面固定有与定子基体形状相匹配的下印制电路板，所述的另一个传感单元的激励线圈与感应线圈独立的布置在下印制电路板的不同布线层上。另一种是，定子基体的上端面开设有上嵌线槽，所述的一个传感单元的激励线圈与感应线圈按照各自的绕线方式相互绝缘的嵌在上嵌线槽内；定子基体的下端面开设有下嵌线槽，所述的另一个传感单元的激励线圈与感应线圈按照各自的绕线方式相互绝缘的嵌在下嵌线槽内。同一传感单元的激励线圈与感应线圈尽量靠近，以获得较强的感应信号。
[0018] CN102425987A公开的一种基于交变电场的时栅角位移传感器在测头基体(相当于上、下转子基体)与定盘基体(相当于定子基体)相对转动一个极距时，感应信号的初相角只变化一个周期，而本发明由于采用了上述结构形式的定子和转子，当转子相对于定子转动一个极距Φ时，感应信号的初相角变化两个周期；相当于本发明在没有增加刻线精密度或者传感器极对数的情况下，其测量分辨力提高了一倍，并且激励线圈与感应线圈都采用“∞”字形绕线方式绕线，传感器结构简单，测量精度高，且成本低。
附图说明
[0019] 图1为本发明中激励线圈的绕线示意图。
[0021] 图3为实施例1的两个传感单元与两个导磁单元在沿轴心线方向上的位置关系图。
[0022] 图4为实施例1中布置在上印制电路板上的传感单元的示意图。
[0023] 图5为实施例1中布置在上印制电路板上的传感单元与嵌在上转子基体上的导磁单元在沿轴心线方向上的位置关系图。
[0024] 图6为实施例1中布置在下印制电路板上的传感单元的示意图。
[0025] 图7为实施例1中布置在下印制电路板上的传感单元与嵌在下转子基体上的导磁单元在沿轴心线方向上的位置关系图。
[0026] 图8为实施例2中分别布置在上、下印制电路板上的传感单元在沿轴心线方向上的位置关系图。
[0027] 图9为实施例2中分别嵌在上、下转子基体上的导磁单元在沿轴心线方向上的位置关系图。
具体实施方式
[0028] 下面结合实例对本发明作详细说明。
[0029] 实施例1：如图1至图7所示的时栅角位移传感器，包括定子1和转子2。
[0030] 定子1由定子基体11和两个相同的传感单元12构成，定子基体11为中心开轴孔的导磁圆柱体，该导磁圆柱体由导磁材料铁制成，其高度为10mm，传感单元12包括激励线圈121和感应线圈122，激励线圈121与感应线圈122采用印制电路布线方法，定子基体11的上端面固定有与定子基体形状相匹配的上印制电路板13，其中一个传感单元12的激励线圈121与感应线圈122独立的布置在上印制电路板13的不同布线层上，定子基体11的下端面固定有与定子基体形状相匹配的下印制电路板14，另一个传感单元12的激励线圈121与感应线圈122独立的布置在下印制电路板14的不同布线层上，两个传感单元12相互平行且互不干扰。
[0031] 传感器有两个极对，即极对数N＝2，由 得出极距Φ＝π，其也表示一个周期对应的圆心角为π；激励线圈121采用“∞”字形绕线方式绕线，即激励线圈121由一起始点开始沿圆周顺时针方向绕出，两端沿两条交错为2个“∞”字形的周期为π的曲线分别绕线，绕完整个圆周后(在对应于所述起始点处)分别引出，形成激励线圈绕线轨迹(即沿圆周方向的2个“∞”字形连续的绕线轨迹)，前述起始点是两条周期为π的曲线的第一个交点(即图1、图4、图5中的C点以及图6、图7中的D点)，两条周期为π的曲线都是分段函数，其中一条周期为π的曲线用极坐标方程表示为：
[0032]
[0033] 另一条周期为π的曲线用极坐标方程表示为：
[0034]
[0035] 式中，i＝0,1，A表示激励线圈绕线轨迹正弦部分的幅值，R表示激励线圈绕线轨迹所沿圆周的半径(即r1曲线与r2曲线的5个交错点所在圆周的半径)，R＞A。其中一个传感单元12的激励线圈121的两条绕线(即沿r1、r2曲线绕制的两条线)分别布置在上印制电路板13的两个独立的布线层上，两条绕线的起始点(对应于图1、图4、图5中的C点)通过过孔连接，一条绕线的终点(对应于图1、图4、图5中的I点)为激励电流的流入端，另一条绕线的终点(对应于图1、图4、图5中的J点)为激励电流的流出端；另一个传感单元12的激励线圈121的两条绕线(即沿r1、r2曲线绕制的两条线)分别布置在下印制电路板14的两个独立的布线层上，两条绕线的起始点(对应于图6、图7中的D点)通过过孔连接，一条绕线的终点(对应于图6、图7中的K点)为激励电流的流入端，另一条绕线的终点(对应于图6、图7中的L点)为激励电流的流出端；布置在上印制电路板13上的传感单元的激励线圈的起始位置与布置在下印制电路板14上的传感单元的激励线圈的起始位置对齐(即布置在上印制电路板13上的传感单元的激励线圈的起始位置与布置在下印制电路板14上的传感单元的激励线圈的起始位置所夹圆心角为α，该α取值为0)。
[0036] 感应线圈122的绕线方式与激励线圈121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圆周顺时针方向旋转 圆心角后的曲线，感应线圈绕线轨迹为沿圆周方向的2个“∞”字形连续的绕线轨迹。
[0037] 其中一个传感单元12的感应线圈122的两条绕线分别布置在上印制电路板13的两个独立的布线层上，两条绕线的起始点(对应于图4、图5中的E点)通过过孔连接，一条绕线的终点(对应于图4、图5中的M点)为感应电流的输出端，另一条绕线的终点(对应于图4、图5中的O点)为连接端；另一个传感单元12的感应线圈122的两条绕线分别布置在下印制电路板14的两个独立的布线层上，两条绕线的起始点(对应于图6、图7中的F点)通过过孔连接，一条绕线的终点(对应于图6、图7中的P点)为感应电流的输出端，另一条绕线的终点(对应于图6、图7中的Q点)为连接端；布置在上印制电路板13上的传感单元的感应线圈的起始位置与布置在下印制电路板14上的传感单元的感应线圈的起始位置对齐，布置在上印制电路板13上的传感单元的感应线圈与布置在下印制电路板14上的传感单元的感应线圈串联(即两个感应线圈的O点、P点连接)。同一传感单元的激励线圈与感应线圈尽量靠近，以获得较强的感应信号。
[0038] 转子2由上转子基体21、下转子基体23、支撑柱24和两个相同的导磁单元构成，上转子基体21与下转子基体23结构相同，都为中心开轴孔的非导磁的圆盘体，都采用非导磁材料
铝制成，支撑柱24为扇环柱体，支撑柱24也采用非导磁材料铝制成，支撑柱24的内圆弧直径大于定子基体11的外径，支撑柱24的外圆弧直径与上、下转子基体的外径相等，支撑柱24的上端面与上转子基体21垂直连接，支撑柱24的下端面与下转子基体23垂直连接，连接后形成侧面开口的框形结构，且支撑柱24与上、下转子基体的轴心线重合，两个导磁单元分别嵌在上、下转子基体上且相互平行，导磁单元由4个相同的导磁体22绕上转子基体21或者下转子基体23的轴心线等间距排列构成(即沿上转子基体或者下转子基体的圆周均匀分布)，导磁体22为扇环柱体(由导磁材料铁制成)，每个导磁体22的高度为5mm，圆心角 外圆弧半径略大于R+A，内圆弧半径略小于R-A，相邻两个导磁体的中心所夹圆心角等于 嵌在上转子基体21上的4个导磁体22的下端面与上转子基体21的下端面平齐，嵌在下转子基体23上的4个导磁体22的上端面与下转子基体23的上端面平齐，嵌在上转子基体21上的4个导磁体22的起始位置沿圆周顺时针方向与嵌在下转子基体23上的4个导磁体的起始位置所夹圆心角为
[0039] 定子基体11位于框形结构内，定子基体11与框形结构同轴心线安装，定子基体固定不动，框形结构可相对定子基体转动，嵌在上转子基体21上的导磁单元向下正对布置在上印制电路板13上的传感单元，嵌在下转子基体23上的导磁单元向上正对布置在下印制电路板14上的传感单元，并留有相同且尽可能小的间隙。
[0040] 布置在上印制电路板13上的传感单元与布置在下印制电路板14上的传感单元分别连接两相幅值相同、相位相差90°的正弦激励电流，当转子2绕轴心线相对定子1发生转动时，导磁体22相对感应线圈122运动，两个传感单元的感应线圈将分别产生式(3)和式(4)的感应信号：
[0041]
[0042]
[0043] 两个传感单元的感应线圈串联输出式(5)的感应信号：
[0044]
[0045] 式中：E1为两个传感单元的感应线圈单独产生的感应
电压的幅值，T为电流变化周期，θ为转子相对定子转动的角位移。
[0046] 转子2与定子1沿圆周方向发生相对转动，感应信号的初相角将发生周期性变化，转子2相对于定子1转动1个极距π，感应信号的初相角(即式(5)中的4θ)变化两个周期，将式(5)中的感应信号与上述正弦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，经换算后得到转子2相对定子1转动的角位移。
[0047] 实施例2：如图8、图9所示，其时栅角位移传感器的结构大部分与实施例1相同，不同之处在于：布置在上印制电路板13上的传感单元的激励线圈121的起始位置(对应于图8中的G点)与布置在下印制电路板14上的传感单元的激励线圈121的起始位置(对应于图8中的H点)所夹圆心角为α，该α取值不为0；布置在上印制电路板13上的传感单元的感应线圈122的起始位置(对应于图8中的R点)与布置在下印制电路板14上的传感单元的感应线圈122的起始位置(对应于图8中的T点)所夹圆心角为α；嵌在上转子基体21上的4个导磁体22的起始位置沿圆周顺时针方向与嵌在下转子基体23上的4个导磁体的起始位置所夹圆心角为
[0048] 布置在上印制电路板13上的传感单元与布置在下印制电路板14上的传感单元分别连接两相幅值相同、相位相差90°的正弦激励电流，当转子2绕轴心线相对定子1发生转动时，导磁体22相对感应线圈122运动，两个传感单元的感应线圈将分别产生式(6)和式(7)的感应信号：
[0049]
[0050]
[0051] 两个传感单元的感应线圈串联输出式(8)的感应信号：
[0052]
[0053] 式中：E2为两个传感单元的感应线圈单独产生的感应电压的幅值，T为电流变化周期，θ为转子相对定子转动的角位移。
[0054] 转子2与定子1沿圆周方向发生相对转动，感应信号的初相角将发生周期性变化，转子2相对于定子1转动1个极距π，感应信号的初相角(即式(8)中的4θ)变化两个周期，将式(8)中的感应信号与上述正弦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，经换算后得到转子2相对定子1转动的角位移。
[0055] 实施例3：时栅角位移传感器的结构大部分与实施例1相同，不同之处在于：导磁单元由一个导磁体22构成；定子基体11的上端面开设有上嵌线槽，其中一个传感单元的激励线圈121与感应线圈122按照各自的绕线方式相互绝缘的嵌在上嵌线槽内；定子基体11的下端面开设有下嵌线槽，另一个传感单元的激励线圈121与感应线圈122按照各自的绕线方式相互绝缘的嵌在下嵌线槽内。
