專利名稱：用于直線位移測量的傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于位移精密測量傳感器。
背景技術：
直線位移和角位移測量是最基本、最普通的測量。為了兼顧測量分辨率和量程， 許多位移傳感器采用了在基體上精密刻線的柵式結構，如光柵、磁柵等，對其在運動 過程中發出的脈沖信號進行累加計數，即實現位移測量。高精度高密度的刻線引起很 多問題， 一方面刻線越密，就越容易受到污染。無論怎么密封保護，在生產現場惡劣 工況下，其微小的粉塵水氣都可能污染柵線，使之計數失效。另一方面，刻線不可能 無限地密，而現有的密度遠不能滿足分辨力的要求，因此被迫普遍采用電子細分箱， 系統結構復雜。加上高精度的刻線工藝，使成本居高不下。綜上所述，現有柵式位移 傳感器存在的缺點是結構復雜、價格高、抗干擾力差。
發明內容
本實用新型的目的在于針對上述現有技術的不足，提供一種用于直線位移測量的 傳感器，不用精密刻線，不用電子細分箱，而以時鐘脈沖作為位移計量基準，因而結 構簡單、成本低、分辨力高、抗干擾力強。
本實用新型的技術方案是-
一種用于直線位移測量的傳感器，如圖l(a)、圖2和圖5所示，傳感器有兩部份 等分開槽的直線形基體構成繞制線圈的骨架，作為長尺和短尺； 一基體上繞有激勵線 圈，另一基體上繞有感應線圈；感應線圈與激勵線圈相對運動；激勵線圈連接激勵電 源，激勵信號和感應線圈輸出的電信號分別連接到放大電路，再經整形電路整形后， 由數字比相器進行相位比較，兩路信號的相位差由插補的時鐘脈沖個數表示，再換 算成直線位移值，直接或經微處理器及存儲器處理后作直線位移數據顯示。
所述傳感器，還有另兩種形式。傳感器有2或3部份等分開槽的直線形基體構成繞制線圈的骨架，作為長尺或短尺。 一種形式為如圖l(b)所示， 一基體上共同繞有 激勵線圈和第一感應線圈；另一種形式為如圖1(C)所示，激勵線圈和第一感應線圈 分別繞在兩個相對位置不動的基體上。然后在另一基體上繞有第二感應線圈。對這兩 種形式而言，第一感應線圈與激勵線圈均保持空間位置不變，第二感應線圈與激勵線 圈相對運動。激勵線圈連接激勵電源，在兩組感應線圈上分別獲得頻率相同而相位固 定的和變化的兩路電信號，兩路輸出的電信號分別連接放大電路，再經整形電路整形 后，由數字比相器進行相位比較；兩路信號的相位差由插補的時鐘脈沖個數表示，再 換算成直線位移值，直接或經微處理器及存儲器處理后作直線位移數據顯示。
上述三種結構，第二、三種結構因為與激勵線圈的空間位置保持一致的感應線圈 產生感應信號的頻率和相位與激勵電源的頻率和相位是一致的，所以此感應線圈可以 省略，而成為第一種結構，由激勵電源直接提供或通過某種電器件(如變壓器)提供一 路信號參與比相，這樣一來，結構更簡化，但精度可能會受到一些干擾影響，適用于 一些精度要求不高的場合。
作為傳感器的信號發生裝置的基體和線圈等可以按傳統方式獨立成為一個單元 部件，而將后續信號處理電路組成一個電器箱。也可以把處理電路連同微處理器一起 集成為一個傳感器整體。計數器結果可以直接輸出為數據或圖形，也可以交由微處理 器處理，從而構成智能化的傳感器。本傳感器可與高精度的其它同類傳感器例如高精 度光柵傳感器進行比對實驗，在進行比對實驗時，可將其全程系統誤差記錄下來，固 化在本傳感器系統的存儲器中，進行誤差修正。在實際使用時，給出的位移數據將會 是已將傳感器系統誤差扣除后的更精確值，使傳感器精度進一步提高。
本傳感器具有結構簡單、成本低、分辨力高、抗干擾力強、易于產品化的優點。
圖1是用于直線位移測量的傳感器繞線骨架基體的三種結構組合形式示意圖;
圖l (a)為本傳感器的第一種結構原理圖； 圖l (b)為本傳感器的第二種結構原理圖； 圖l (c)為本傳感器的第三種結構原理圖2是用于直線位移測量的傳感器的信號發生與數據處理系統的原理圖； 圖3是用于直線位移測量的傳感器的長尺繞線骨架三視圖；圖3(a)是采用兩種不同直徑的圓柱體排列鋪設形成等分開槽的結構示意圖; 圖3 (b)是圖3(a)的側視圖； 圖3 (c)是圖3(a)的俯視圖4是用于直線位移測量的傳感器的長、短尺組合結構示意圖。
圖4(a)是長尺基體的結構示意圖4(b)是短尺基體的機構示意圖4(c)是長尺和短尺組合在一起的結構示意圖4 (d)是圖4(c)的側視圖5是用于直線位移測量的傳感器的繞線示意圖。
具體實施方式
參見圖1 (a)，此為本傳感器的第一種結構原理，它具有相對運動的第一基體1 和第二基體2構成繞制線圈的骨架，第一基體1上繞有激勵線圈3，第二基體2上繞 有第二感應線圈4，感應線圈與激勵線圈也相對運動，由激勵源直接生成一路比相信 號，與第二感應線圈4信號比相。
參見圖1 (b)，此為本傳感器的第二種結構原理，它具有相對運動的第一基體1 和第二基體2構成繞制線圈的骨架，第一基體1上繞有激勵線圈3和第一感應線圈5， 第二基體2上繞有第二感應線圈4，激勵線圈3與第一感應線圈5相對不動，但第二 感應線圈4與激勵線圈3及第一感應線圈5相對運動，由與激勵線圈3共基體的第一 感應線圈5生成一路信號，與第二感應線圈4信號比相。
參見圖1 (c)，此為本傳感器的第三種結構原理，它具有相對運動的第一基體1 和第二基體2構成繞制線圈的骨架，另還有與第一基體1相對不動的第三基體6，第 一基體1上繞有激勵線圈3，第三基體6上繞有第一感應線圈5，第二基體2上繞有 第二感應線圈4，激勵線圈3與第一感應線圈5相對不動，但第二感應線圈4與激勵 線圈3及第一感應線圈5相對運動，由繞在第三基體6上并與第一基體1保持位置一 致的第一感應線圈5生成一路信號，與第二感應線圈4信號比相。
本傳感器的原理如圖2所示，當激勵線圈通過多相交流電流時，將在兩個感應線 圈上分別得到與激勵電源同頻率的交變信號，測量時與激勵線圈保持同樣位置而無相 對運動的感應線圈信號相位保持固定不變；而另一感應線圈信號則隨反應被測運動的基體的位移而產生相位移動。激勵線圈連接激勵電源，在兩組感應線圈上分別獲得頻 率相同而相位固定的和變化的兩路電信號，兩路輸出的電信號分別連接放大電路，再 經整形電路整形后，由數字比相器進行相位比較；兩路信號的相位差由插補的時鐘脈 沖個數表示，再換算成直線位移值，經微處理器及存儲器處理后作直線位移數據顯示。 若沒有設置與激勵線圈相對固定的感應線圈，則可直接采用激勵信號和感應線圈輸出 的電信號分別連接到放大電路，后續信號處理是一樣的。
參見圖3、圖4和圖5，傳感器由長尺(或定尺)和短尺(或動尺)構成，繞線的基 體采用等分開槽的金屬或非金屬基體7。在加工等分開槽時，為了提高等分精度和簡 化工藝，也可采用兩種不同直徑的圓柱體8或球體，排列鋪設如圖3(a)、圖3(b) 和圖3 (c)所示。直徑大的圓柱或圓球緊密排列固定成為緊靠基體的一層，直徑小的 排列固定在兩大直徑的圓柱體或球體之間的各個槽中，形成另一層，從而自然形成等 分開槽的繞線骨架。定尺和動尺采用同樣的結構形成，只是長短不一樣。
進一步如圖4所示，長、短尺兩部份基體以滑動導軌的方式相結合。如圖4(a) 所示，長尺基體9由一根金屬體同時提供a、 b、 c三個基準面，其中a、 c面平行， 而b面與a、 c面垂直(根據實際情況，也可采用燕尾槽或圓弧槽等方式，則b面為斜 面或圓弧面等)。a面為長尺繞線骨架基準面，用于鋪設長尺的兩層圓柱體，構成長尺 繞線骨架；b、 c面則用于為短尺滑塊提供滑動導程基準面。如圖4(b)所示，短尺基 體10—部分為與長尺的b、 c相配合的滑槽， 一部分則再布置兩層圓柱體，構成短尺 繞線骨架。將兩部份組裝在一起如圖4(c)和圖4 (d)所示，短尺通過長尺上的導程 基準面安裝在長尺上，與長尺融為一體，并可以相對運動。其結構簡單、容易加工、 整體性好。根據使用情況也可以將長尺作為動尺，短尺作為定尺，二者保持相對運動 即可。
如圖5所示，長尺基體上繞有激勵線圈3和相對不動的第一感應線圈5，短尺基 體上繞有相對運動的第二感應線圈4。繞線采用普通多極交流電機的繞線方法，或"8" 字形、"幾"字繞線法而形成沿直線分布的多極繞組。圖5為采用單匝線和"幾"字 形繞線法在等分開槽的基體上繞線的示意圖，為清楚起見，只畫出三相激勵中的一相， 采用的是上述第二種形式即圖l(b)結構。當動、定尺發生相對運動時，兩個感應繞組 上的感應信號發生相位差，將其用時間差Ar來表示，則其位移的計算公式為
x^Ar-攀Ar二攀Z/ , (2)其中X—直線位移，S—常數，『一線圈節距(單位為長度值)，r一信號周
期，/一激勵電源頻率，Ar—測得的時間差，Z; ,—時鐘脈沖累積數。
權利要求1、一種用于直線位移測量的傳感器，傳感器有兩部份等分開槽的直線形基體構成繞制線圈的骨架，作為長尺或短尺；其特征在于一基體上繞有激勵線圈，另一基體上繞有感應線圈；感應線圈與激勵線圈相對運動；激勵線圈連接激勵電源，激勵信號和感應線圈輸出的電信號分別連接到放大電路，再經整形電路整形后，由數字比相器進行相位比較；兩路信號的相位差由插補的時鐘脈沖個數表示，再換算成直線位移值，直接或經微處理器及存儲器處理后作直線位移數據顯示。
2、 一種用于直線位移測量的傳感器，傳感器有2-3部份等分開槽的直線形基體 構成繞制線圈的骨架，作為長尺或短尺；其特征在于對于采用兩部分基體的情況，一 基體上共同繞有激勵線圈和第一感應線圈，另一基體上繞有第二感應線圈；對于采用 三部分基體的情況，激勵線圈和第一感應線圈分別繞在兩個相對位置不動的基體上， 第三基體上繞有第一感應線圈，第一感應線圈與激勵線圈保持空間位置不變，第二感 應線圈與激勵線圈相對運動；在這兩種情況下，激勵線圈連接激勵電源，在兩組感應 線圈上分別獲得頻率相同而相位固定的和變化的兩路電信號，兩路輸出的電信號分別 連接放大電路，再經整形電路整形后，由數字比相器進行相位比較；兩路信號的相位 差由插補的時鐘脈沖個數表示，再換算成直線位移值，直接或經微處理器及存儲器處 理后作直線位移數據顯示。
3、 如權利要求1或2所述的用于直線位移測量的傳感器，其特征在于感應線圈 由1個或多個感應線圈串聯或并聯組成，線圈位置按空間均布。
4、 如權利要求3所述的用于直線位移測量的傳感器，其特征在于基體上的等分 開槽是用兩種不同直徑的圓柱體或球體分兩層排列而形成，直徑大的緊密排列固定成 為緊靠基體的一層；直徑小的排列固定在兩大直徑的圓柱體或球體之間的各個槽中， 形成另一層，從而自然形成等分的開槽。
5、 如權利要求3所述的用于直線位移測量的傳感器，其特征在于，在作為長尺 的基體上，既具有長尺繞線骨架基準面，又具有供短尺滑動的導程基準面，短尺通過 長尺上的導程基準面安裝在長尺上，與長尺融為一體，并沿長尺相對滑動。
6、 如權利要求3所述的用于直線位移測量的傳感器，其特征在于所述存儲器中 固化有本時柵位移傳感器與其它高精度傳感器進行比對實驗后得到的全程系統誤差 數據，用于誤差修正。
專利摘要本實用新型提出一種用于直線位移測量的傳感器，屬于位移精密測量裝置。傳感器有兩部分等分開槽的直線形基體構成繞制線圈的骨架，作為長尺或短尺；其特征在于一基體上繞有激勵線圈，另一基體上繞有感應線圈；感應線圈與激勵線圈相對運動；激勵線圈連接激勵電源，激勵信號和感應線圈輸出的電信號分別連接到放大電路，再經整形電路整形后，由數字比相器進行相位比較；兩路信號的相位差由插補的時鐘脈沖個數表示，再換算成直線位移值，直接或經微處理器及存儲器處理后作直線位移數據顯示。本傳感器具有結構簡單、成本低、分辨力高、抗干擾力強、易于產品化的優點。
文檔編號G01B7/02GK201311269SQ20082010015
公開日2009年9月16日 申請日期2008年9月27日 優先權日2008年9月27日
發明者馮濟琴, 劉小康, 張興紅, 彭東林, 偉 楊, 王先全, 淳 董, 鄭方燕 申請人:重慶工學院