一種絕對式時柵直線位移傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于精密測量傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種絕對式時柵直線位移傳感 器。
【背景技術(shù)】
[0002] 安裝有絕對式直線位移傳感器的機床或生產(chǎn)線，在重新上電后就可以立即得到當(dāng) 前的位置信息，不需要執(zhí)行尋零操作，可以馬上從中斷處繼續(xù)原來的加工操作，因此絕對式 直線位移測量可以提高系統(tǒng)的工作效率；另外，絕對式直線位移測量不會引起累計誤差，其 可靠性和抗干擾性要優(yōu)于增量式直線位移測量。
[0003] 目前，精密的絕對式直線位移測量通常采用光柵尺作為傳感單元，但因其工作原 理的特點，對工作環(huán)境要求較高?；陔姶鸥袘?yīng)原理的時柵直線位移傳感器可以應(yīng)用于環(huán) 境較差的工作場合，但目前大多數(shù)都是增量式直線位移傳感器，而且即使采用單周期結(jié)構(gòu) 的位移傳感器進(jìn)行絕對式直線位移測量，也很難保證其具有較高的測量分辨力和測量精 度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種絕對式時柵直線位移傳感器，以在實現(xiàn)絕對式直線位移 測量的同時提高測量分辨力和測量精度。
[0005] 本發(fā)明所述的絕對式時柵直線位移傳感器，包括定尺和動尺。
[0006] 所述定尺由導(dǎo)磁的定尺基體（即定尺基體采用導(dǎo)磁材料制作）、設(shè)在定尺基體正 面上部的第一感應(yīng)線圈和設(shè)在定尺基體正面下部的第二感應(yīng)線圈構(gòu)成，第一感應(yīng)線圈與第 二感應(yīng)線圈互不干擾（即第一感應(yīng)線圈產(chǎn)生的第一感應(yīng)信號與第二感應(yīng)線圈產(chǎn)生的第二 感應(yīng)信號互不影響）。
[0007] 所述第一感應(yīng)線圈沿測量方向采用"0"字形繞線方式繞線，由零點（坐標(biāo)為（0， 〇))開始，兩端同時沿幅值為A1、周期為1、初相角為0和π的兩條正弦曲線分別繞線，交 錯形成具有&個"0"字形的第一感應(yīng)線圈繞線軌跡，前述零點（即繞線起始點）是兩條 正弦曲線的第一個交點；所述第二感應(yīng)線圈沿測量方向采用"0"字形繞線方式繞線，由零 點（坐標(biāo)為（〇,〇))開始，兩端同時沿幅值為A 2、周期為W2、初相角為0和π的兩條正弦曲 線分別繞線，交錯形成具有隊個" m "字形的第二感應(yīng)線圈繞線軌跡，前述零點（即繞線起 始點）是兩條正弦曲線的第一個交點；第一感應(yīng)線圈繞線軌跡的起始位置沿測量方向與第 二感應(yīng)線圈繞線軌跡的起始位置相距S ;其中，&> 3, N2> 3, NpN2為整數(shù)且~2= Γ^±1，
第一感應(yīng)線圈 的中心與第二感應(yīng)線圈的中心在垂直于測量方向上的距離k滿足：kSAi+AdSmm，就可以保 證第一感應(yīng)線圈產(chǎn)生的第一感應(yīng)信號與第二感應(yīng)線圈產(chǎn)生的第二感應(yīng)信號互不影響。
[0008] 所述動尺由導(dǎo)磁的動尺基體（即動尺基體由導(dǎo)磁材料制作）、設(shè)在動尺基體背面 上部的第一激勵單元和設(shè)在動尺基體背面下部的第二激勵單元構(gòu)成，第一激勵單元的起始 位置沿測量方向與第二激勵單元的起始位置相距S。
[0009] 所述第一激勵單元由等間距排列構(gòu)成的4&1個方形的第一導(dǎo)磁體和分別套在第一 導(dǎo)磁體上與第一導(dǎo)磁體形狀相匹配的4 ai個第一勵磁線圈構(gòu)成，相鄰兩個第一導(dǎo)磁體的中 心距等3
其中，&1為整數(shù)且
（即&1的取值為該范圍內(nèi)的任一整數(shù)），在 測量方向上，第一導(dǎo)磁體的寬度h應(yīng)滿足：
第一導(dǎo)磁體的長度I1應(yīng)大于2A 1<3 所述第二激勵單元由等間距排列構(gòu)成的4a2個方形的第二導(dǎo)磁體和分別套在第二導(dǎo)磁體上 與第二導(dǎo)磁體形狀相匹配的4a2個第二勵磁線圈構(gòu)成，相鄰兩個第二導(dǎo)磁體的中心距等于
其中，4為整數(shù)且
（即&2的取值為該范圍內(nèi)的任一整數(shù)），在測量方向 上，第二導(dǎo)磁體的寬度b2應(yīng)滿足：
第二導(dǎo)磁體的長度I2應(yīng)大于2A 2，第二導(dǎo)磁 體的高度與第一導(dǎo)磁體的高度相等。第一激勵單元的中心與第二激勵單元的中心在垂直于 測量方向上的距離等于第一感應(yīng)線圈的中心與第二感應(yīng)線圈的中心在垂直于測量方向上 的距離k，第一、第二激勵單元與第一、第二感應(yīng)線圈分別正對平行且留有盡可能小的間隙。 [0010] 第一激勵單元的起始位置與第一感應(yīng)線圈的起始位置對齊時的位置為動尺運動 的起始位置，第一激勵單元的終止位置與第一感應(yīng)線圈的終止位置或者第二激勵單元的 終止位置與第二感應(yīng)線圈的終止位置先對齊時的位置為動尺運動的終止位置，從動尺運動 的起始位置起到動尺運動的終止位置止的長度為傳感器的位移量程L(即直線位移的測 量范圍為0~L)，當(dāng)
當(dāng)
[0011] 第4mi-3個第一勵磁線圈和第4m2-3個第二勵磁線圈中都通入第一激勵電流
第4mi-2個第一勵磁線圈和第4m2-2個第二勵磁線圈中都通入第二激勵電 流
第4mi-l個第一勵磁線圈和第4m2-l個第二勵磁線圈中都通入第三激勵 電流
第4mi個第一勵磁線圈和第4m 2個第二勵磁線圈中都通入第四激勵 電流
次取值1至a 的所有整數(shù)，!112依次取值1至a2中的所有整 數(shù)；動尺沿測量方向相對于定尺運動，第一、第二激勵單元相對于第一、第二感應(yīng)線圈運動， 第一、第二感應(yīng)線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生周期性變化，第一感應(yīng)線圈中輸出幅值恒定、相位周期 性變化的第一感應(yīng)信號，第二感應(yīng)線圈中輸出幅值恒定、相位周期性變化的第二感應(yīng)信號， 將第一、第二感應(yīng)信號進(jìn)行鑒相處理，得到第一、第二感應(yīng)信號的相位差，令動尺運動的起 始位置的第一、第二感應(yīng)信號的相位差為0,則在整個測量范圍O~L內(nèi)，第一、第二感應(yīng)信 號的相位差將從〇線性變化致
將某個位置對應(yīng)的相位差Θ用插補的高頻時鐘脈沖 個數(shù)表示，經(jīng)換算后即可得到動尺在該位置的絕對位移量
[0012] 第一、第二感應(yīng)線圈的布置方式有兩種：第一種是，在定尺基體正面上部開設(shè)第一 嵌線槽，第一感應(yīng)線圈嵌在該第一嵌線槽內(nèi)，在定尺基體正面下部開設(shè)第二嵌線槽，第二感 應(yīng)線圈嵌在該第二嵌線槽內(nèi)；第二種是，將第一、第二感應(yīng)線圈獨立的布置在定尺印制電路 板的布線層上，將定尺印制電路板安裝在定尺基體上。
[0013] 第一、第二勵磁線圈的布置方式有兩種：第一種是，直接由漆包線沿第一導(dǎo)磁體的 四周繞制形成第一勵磁線圈，直接由漆包線沿第二導(dǎo)磁體的四周繞制形成第二勵磁線圈； 第二種是，將第一勵磁線圈布置在第一印制電路板上，在第一印制電路板中心開設(shè)與第一 導(dǎo)磁體的形狀相匹配的方形孔，將第一印制電路板通過該方形孔套在第一導(dǎo)磁體上，將第 二勵磁線圈布置在第二印制電路板上，在第二印制電路板中心開設(shè)與第二導(dǎo)磁體的形狀相 匹配的方形孔，將第二印制電路板通過該方形孔套在第二導(dǎo)磁體上。
[0014] 所述第一導(dǎo)磁體的寬度匕等于 所述第二導(dǎo)磁體的寬度132等于由于，在 2.
時，隨著匕、b2的增大第一感應(yīng)線圈輸出的第一感應(yīng)信號和第二 感應(yīng)線圈輸出的第二感應(yīng)信號越強，在
時，第一感應(yīng)線圈輸出的第一感 應(yīng)信號和第二感應(yīng)線圈輸出的第二感應(yīng)信號最強；在
時，隨 著匕、132的增大第一感應(yīng)線圈輸出的第一感應(yīng)信號和第二感應(yīng)線圈輸出的第二感應(yīng)信號越 弱，且隨著匕、b2的增大，布置第一、第二勵磁線圈的空間越??；取
第一 感應(yīng)線圈輸出的第一感應(yīng)信號和第二感應(yīng)線圈輸出的第二感應(yīng)信號最強（即幅值最大）， 測量更方便、容易。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下效果：
[0016] (1)本發(fā)明采用了與增量式傳感器類似的多周期重復(fù)結(jié)構(gòu)（即第一、第二感應(yīng)線 圈具有多個重復(fù)周期），在測量范圍內(nèi)感應(yīng)信號變化多個周期，而單周期結(jié)構(gòu)的時柵直線位 移傳感器在測量范圍內(nèi)感應(yīng)信號僅變化一個周期。因此，本發(fā)明的測量分辨力比單周期結(jié) 構(gòu)的時柵直線位移傳感器的分辨力高。
[0017] (2)由于本發(fā)明采用了多周期重復(fù)結(jié)構(gòu)，第一、第二激勵單元產(chǎn)生的磁場可同時作 用于多個周期的第一、第二感應(yīng)線圈，使第一、第二感應(yīng)線圈內(nèi)的總磁通具有平均效果，從 而減小了傳感器的安裝誤差對測量結(jié)果的影響。
[0018] (3)本發(fā)明將第一、第二感應(yīng)線圈設(shè)計為正弦形狀，可以抑制磁通諧波，使感應(yīng)信 號相位與被測位移之間的線性度較高，而傳統(tǒng)的時柵直線位移傳感器采用方形感應(yīng)線圈使 磁通中含有奇次諧波，導(dǎo)致了感應(yīng)信號相位與被測位移之間的線性誤差。因此，本發(fā)明的測 量精度因磁通諧波被抑制而得到了提高。
[0019] 綜上所述，本發(fā)明不僅能進(jìn)行絕對直線位移測量，同時也提高了測量分辨力和測 量精度，而且受安裝結(jié)構(gòu)影響較小。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖2為實施例1中定尺的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖3為實施例1中動尺的后視圖。
[0023] 圖4為實施例1中動尺運動的起始位置第一、第二激勵單元與第一、第二感應(yīng)線圈 的關(guān)系圖。
[0024] 圖5為實施例1動尺運動過程中第一、第二激勵單元與第一、第二感應(yīng)線圈的位置 關(guān)系圖。
[0025] 圖6為實施例1中動尺運動的終止位置第一、第二激勵單元與第一、第二感應(yīng)線圈 的關(guān)系圖。
[0026] 圖7為實施例2中定尺的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖8為實施例2中動尺的后視圖。
[0028] 圖9為實施例2中動尺運動的起始位置第一、第二激勵單元與第一、第二感應(yīng)線圈 的關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0030] 實施例1 :如圖1至圖6所示的絕對式時柵直線位移傳感器，包括定尺1和動尺2。
[0031] 定尺1由導(dǎo)磁的定尺基體13、第一感應(yīng)線圈11和第二感應(yīng)線圈12構(gòu)成，定尺基體 13采用長方體狀的鐵基體，以定尺基體13的長邊方向為測量方向，定尺基體13正面上部開 設(shè)有第一嵌線槽131，第一感應(yīng)線圈11嵌在該第一嵌線槽131內(nèi)，定尺基體13正面下部開 設(shè)有第二嵌線槽132,第二感應(yīng)線圈12嵌在該第二嵌線槽132內(nèi)，第一感應(yīng)線圈11與第二 感應(yīng)線圈12互不干擾（即第一感應(yīng)線圈11產(chǎn)生的第一感應(yīng)信號與第二感應(yīng)線圈12產(chǎn)生 的第二感應(yīng)信號互不影響）。
[0032] 第一感應(yīng)線圈11沿測量方向采用"0"字形繞線方式繞線，由零點（坐標(biāo)為（0， 〇))開始，兩端同時沿幅值為3mm、周期為16mm、初相角為0和31的兩條正弦曲線分別繞線， 交錯形成具有4個"m"字形的第一感應(yīng)線圈繞線軌跡，前述零點（即繞線起始點）是兩條 正弦曲線的