一种基于气隙磁场分层耦合的时栅直线位移传感器

1.本发明属于精密测量传感器技术领域，具体涉及一种基于气隙磁场分层耦合的时栅直线位移传感器。


背景技术：

2.近年来国内自主研发了一种以时间差测量空间差的高精度时栅位移传感器，并在此基础上研制了矩形、正弦形、半正弦形感应线圈结构的电磁式时栅直线位移传感器。矩形感应线圈拾取激励基波磁场耦合信号的正弦性最佳，正弦形感应线圈拾取均匀磁场耦合信号的正弦性较好。根据传感器气隙磁场耦合特性，优化传感器结构，提高传感器感应信号的正弦性、信噪比对于提高传感器的测量精度具有重要意义。
3.目前，电磁式时栅直线位移传感器通常采用增加绕线匝数、提高激励信号频率等方式来提高传感器的信噪比。然而，直接增加平面线圈的绕线匝数来提高传感器输出信号强度，受制于平面线圈加工工艺。另外，传统平面线圈分层耦合绕线会改变传感器激励线圈和感应线圈的耦合气隙，势必会带来传感器空间气隙磁场谐波误差。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于气隙磁场分层耦合的时栅直线位移传感器，以在提高信噪比的同时，减小空间气隙磁场引入的谐波误差，提高测量精度。
5.本发明所述的基于气隙磁场分层耦合的时栅直线位移传感器，包括定尺和与定尺正对平行且留有间隙的动尺。所述定尺包括定尺基体和印制在定尺基体上的激励单元；激励单元由第一激励线圈和第二激励线圈构成，第一激励线圈、第二激励线圈都由导线绕制并通过过孔连接而成，第一激励线圈、第二激励线圈的绕线轨迹都为起始位置相同、幅值为a1、周期为w、相位互差180
°
的两条正弦曲线，第一激励线圈的起始位置与第二激励线圈的起始位置沿测量方向(即x方向)错开所述动尺包括动尺基体和印制在动尺基体上的感应单元；所述感应单元由分布于不同布线层的第一感应线圈、第二感应线圈和第三感应线圈通过过孔串联构成。
6.所述第一感应线圈由第一导线段与第二导线段串联构成，第一导线段沿第一曲线f1(x)绕制，第二导线段沿第二曲线f2(x)绕制。其中，
7.[0008][0009]
h1、d为常数，且w等于传感器的极距，i依次取0至n-1的所有整数，n表示周期个数。即第一导线段的指数部分的最大高度为h1，第二导线段的指数部分的最大高度为h1，第一导线段的直线部分与第二导线段的直线部分在y方向上的间距等于d，第一导线段的周期为w、周期个数为n，第二导线段的周期为w、周期个数为n。
[0010]
所述第二感应线圈由第三导线段与第四导线段串联构成，第三导线段沿第三曲线f3(x)绕制，第四导线段沿第四曲线f4(x)绕制。其中，
[0011][0012][0013]
a2为常数，且即第三导线段的正弦部分的幅值为a2、第四导线段的正弦部分的幅值为a2，第三导线段的直线部分与第四导线段的直线部分在y方向上的间距等于d，第三导线段的周期为w、周期个数为n，第四导线段的周期为w、周期个数为n。
[0014]
所述第三感应线圈由第五导线段与第六导线段串联构成，第五导线段沿第五曲线f5(x)绕制，第六导线段沿第六曲线f6(x)绕制。其中，
[0015][0016]
h2为常数，且即第五导线段的峰值为h2、第六导线段的峰值为h2，第五导线段与第六导线段在y方向上的最小间距等于d，第五导线段的周期为w、周期个数为n，第六导线段的周期为w、周期个数为n。
[0017]
第一激励线圈中通入余弦激励信号，第二激励线圈中通入正弦激励信号，当动尺与定尺发生相对运动时，感应单元输出感应信号，对该感应信号进行处理，得到动尺相对定尺的直线位移值。
[0018]
优选的，所述第一感应线圈、第二感应线圈、第三感应线圈从上至下分布于动尺基体的相邻的三个布线层上。第一感应线圈布置在动尺基体的第一布线层上，第二感应线圈布置在动尺基体的第二布线层上，第三感应线圈布置在动尺基体的第三布线层上，第一感应线圈、第二感应线圈、第三感应线圈的起始位置在x方向对齐。动尺与定尺正对组成传感器测量时，第一感应线圈在z方向上离定尺最近，第三感应线圈在z方向上离定尺最远。第一感应线圈、第二感应线圈、第三感应线圈按照从上至下的顺序分布，能够提高感应信号的幅
值和正弦性，减小气隙磁场引入的谐波误差，更能在一定程度上提高传感器的测量精度。
[0019]
优选的，第一激励线圈的沿区间内的第一条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第二布线层上，第一激励线圈的沿区间和内的第一条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第一布线层上。第二激励线圈的沿区间内的第一条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第二布线层上，第二激励线圈的沿区间和内的第一条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第一布线层上。第一激励线圈的沿区间内的第二条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第一布线层上，第一激励线圈的沿区间和内的第二条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第二布线层上。第二激励线圈的沿区间内的第二条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第一布线层上，第二激励线圈的沿区间和内的第二条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第二布线层上。其中，k＝0,1,2,...,m-1，m为第一条正弦曲线的周期个数(也是第二条正弦曲线的周期个数)。第一激励线圈和第二激励线圈仅需两层布线即可产生成周期性变化的激励磁场。
[0020]
优选的，第一导线段的起始端与第二导线段的起始端通过导线连接，第三导线段的起始端与第四导线段的起始端通过导线连接，第五导线段的起始端与第六导线段的起始端通过导线连接；第二导线段的终止端作为感应信号输出第一端，第一导线段的终止端通过过孔与第四导线段的终止端连接，第三导线段的终止端通过过孔与第六导线段的终止端连接，第五导线段的终止端作为感应信号输出第二端。
[0021]
优选的，所述h1、a2、h2满足：h1＝a2，h1≤h2。
[0022]
优选的，所述n＝3。
[0023]
优选的，对感应信号进行处理，得到动尺相对定尺的直线位移值的具体方式为：
[0024]
首先，将感应单元输出的感应信号分成两路，一路与余弦激励信号相乘得到第一信号，另一路与正弦激励信号相乘得到第二信号。
[0025]
其次，分别对第一信号、第二信号进行低通滤波和放大处理，之后采样出第一信号的直流分量和第二信号的直流分量其中，k
l
表示第一信号、第二信号的直流分量的幅值。
[0026]
然后，将与相除，并对相除结果求反正切，得到的值。
[0027]
最后，对进行换算，得到动尺相对定尺的直线位移值x。
[0028]
本发明具有如下效果：
[0029]
(1)采用单列式结构(激励单元、感应单元都只有一列)有利于传感器小型化和轻量化。
[0030]
(2)激励单元中的第一激励线圈、第二激励线圈的绕线轨迹为正弦曲线，从而减小了四次谐波误差。
[0031]
(3)根据气隙磁场在空间的分布特点，利用具有指数部分的第一感应线圈和具有正弦部分的第二感应线圈来拾取第一、第二激励线圈产生的气隙磁场中分布相对均匀的磁场分量，利用方波形的第三感应线圈来拾取第一、第二激励线圈产生的气隙磁场中成分相对单一的基波磁场分量，提高了传感器耦合信号的正弦性和幅值。
[0032]
(4)第一感应线圈、第二感应线圈和第三感应线圈串联，第一感应线圈输出的感应电信号、第二感应线圈输出的感应电信号与第三感应线圈输出的感应电信号叠加作为感应单元输出的感应信号，提高了感应信号的幅值。
[0033]
(5)采用不同形状的平面感应线圈分层耦合(即第一感应线圈、第二感应线圈、第三感应线圈从上至下分层布置，感应不同的磁场分量)，在提高传感器信噪比的同时，减小了空间气隙磁场引入的谐波误差，提高了传感器的测量精度。
附图说明
[0034]
图1为本实施例中基于气隙磁场分层耦合的时栅直线位移传感器的结构示意图。
[0035]
图2为本实施例中激励单元、感应单元的结构示意图。
[0036]
图3为本实施例中感应单元的绕线示意图。
[0037]
图4为本实施例中的信号处理原理框图。
具体实施方式
[0038]
如图1至图4所示，本实施例中基于气隙磁场分层耦合的时栅直线位移传感器，包括定尺1和动尺2，动尺2与定尺1正对平行，动尺2位于定尺1正上方，且在z方向留有一定的安装间隙(比如0.4mm)。定义x方向为动尺2与定尺1的相对运动方向。
[0039]
如图1、图2所示，定尺1包括定尺基体以及印制在定尺基体上表面的激励单元，定尺基体采用绝缘体材料，激励单元由第一激励线圈11和第二激励线圈12构成。第一激励线圈11、第二激励线圈12都由分布于相邻两布线层的导线绕制并通过过孔连接而成，第一激励线圈11、第二激励线圈12的绕线轨迹都为起始位置相同、幅值为a1、周期为w、相位互差180
°
的两条正弦曲线。
[0040]
如图2所示，第一激励线圈11的沿区间内的第一条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第二布线层上，第一激励线圈11的沿区间和内的第一条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第一布线层上。第二激励线圈12的沿区间内的第一条正弦曲线
部分绕制的导线也分布于定尺基体的第二布线层上，第二激励线圈12的沿区间和内的第一条正弦曲线部分绕制的导线也分布于定尺基体的第一布线层上。第一激励线圈11的沿区间内的第二条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第一布线层上，第一激励线圈11的沿区间和和内的第二条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第二布线层上。第二激励线圈12的沿区间内的第二条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第一布线层上，第二激励线圈12的沿区间和内的第二条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第二布线层上。其中，k＝
[0041]
0,1,2,...,m-1，m表示第一条正弦曲线的周期个数(也是第二条正弦曲线的周期个数)，本实施例中m＝10。第一激励线圈11的起始位置与第二激励线圈12的起始位置沿测量方向错开
[0042]
如图1至图3所示，动尺2包括动尺基体和印制在动尺基体下表面的感应单元，动尺基体采用绝缘体材料，感应单元由从上至下分布于动尺基体的相邻的三个布线层上的第一感应线圈21、第二感应线圈22、第三感应线圈23通过过孔串联构成。第一感应线圈21布置在动尺基体的第一布线层上，第二感应线圈22布置在动尺基体的第二布线层上，第三感应线圈23布置在动尺基体的第三布线层上，第一感应线圈21、第二感应线圈22、第三感应线圈23的起始位置在x方向对齐。动尺2与定尺1正对组成传感器测量时，第一感应线圈21在z方向上离定尺1最近，第三感应线圈23在z方向上离定尺1最远。
[0043]
第一感应线圈21由第一导线段211与第二导线段212串联构成，第一导线段211沿第一曲线f1(x)绕制，第二导线段212沿第二曲线f2(x)绕制。其中，
[0044][0045][0046]
h1、d为常数，且w等于传感器的极距，i依次取0至n-1的所有整数，n表示周期个数，本实施例中n＝3。即第一导线段211的指数部分的最大高度为h1，第二导线段212的指数部分的最大高度为h1，第一导线段211的直线部分与第二导线段212的直线部分
在y方向上的间距等于d(d的值很小，本实施例中取值为0.25mm)，第一导线段211的周期为w、周期个数n＝3，第二导线段212的周期为w、周期个数n＝3。
[0047]
第二感应线圈22由第三导线段221与第四导线段222串联构成，第三导线段221沿第三曲线f3(x)绕制，第四导线段222沿第四曲线f4(x)绕制。其中，
[0048][0049][0050]
a2为常数，且a2＝h1。即第三导线段221的正弦部分的幅值为a2，第四导线段222的正弦部分的幅值为a2，第三导线段221的直线部分与第四导线段222的直线部分在y方向上的间距等于d，第三导线段221的周期为w、周期个数n＝3，第四导线段222的周期为w、周期个数n＝3。
[0051]
第三感应线圈23由第五导线段231与第六导线段232串联构成，第五导线段231沿第五曲线f5(x)绕制，第六导线段232沿第六曲线f6(x)绕制。其中，
[0052][0053]
h2为常数，且h2》h1。即第五导线段231的峰值为h2，第六导线段232的峰值为h2，第五导线段231与第六导线段232在y方向上的最小间距等于d，第五导线段231的周期为w、周期个数n＝3，第六导线段232的周期为w、周期个数n＝3。
[0054]
第一导线段211的起始端与第二导线段212的起始端通过导线连接，第三导线段221的起始端与第四导线段222的起始端通过导线连接，第五导线段231的起始端与第六导线段232的起始端通过导线连接；第二导线段212的终止端作为感应信号输出第一端，第一导线段211的终止端通过过孔与第四导线段222的终止端连接，第三导线段221的终止端通过过孔与第六导线段232的终止端连接，第五导线段231的终止端作为感应信号输出第二端。
[0055]
如图4所示，第一激励线圈11中通入余弦激励信号ic＝-acos(ωt)，第二激励线圈12中通入正弦激励信号is＝asin(ωt)。其中，a为激励信号幅值，激励信号角频率为ω＝2πf，本实施例中激励信号频率f为1mhz。第一激励线圈11、第二激励线圈12在x方向产生呈周期性变化的交变气隙磁场。
[0056]
当动尺2与定尺1发生相对运动时，第一感应线圈21输出感应电信号、第二感应线圈22输出感应电信号、第三感应线圈23输出感应电信号，第一感应线圈21输出的感应电信号、第二感应线圈22输出的感应电信号、第三感应线圈23输出的感应电信号叠加得到感应信号e(x,t)＝ksin(ωt+θ)，即感应单元输出感应信号e(x,t)，其中，k为感应信号幅值，对该感应信号e(x,t)进行处理，得到动尺2相对定尺1的直线位移值x，具体步骤包
括：
[0057]
首先，将感应信号e(x,t)分成两路，一路与余弦激励信号ic相乘得到第一信号，另一路与正弦激励信号is相乘得到第二信号。
[0058]
其次，分别对第一信号、第二信号进行低通滤波和放大处理，之后采样出第一信号的直流分量和第二信号的直流分量其中，k
l
表示第一信号的直流分量的幅值，也是第二信号的直流分量的幅值。
[0059]
然后，将与相除，并对相除结果求反正切，得到的值。
[0060]
最后，对进行换算，得到动尺2相对定尺1的直线位移值x。

技术特征：
1.一种基于气隙磁场分层耦合的时栅直线位移传感器，包括定尺(1)和与定尺(1)正对平行且留有间隙的动尺(2)；所述定尺(1)包括定尺基体和印制在定尺基体上的激励单元，激励单元由第一激励线圈(11)和第二激励线圈(12)构成，第一激励线圈(11)、第二激励线圈(12)都由导线绕制并通过过孔连接而成，第一激励线圈(11)、第二激励线圈(12)的绕线轨迹都为起始位置相同、幅值为a1、周期为w、相位互差180
°
的两条正弦曲线，第一激励线圈(11)的起始位置与第二激励线圈(12)的起始位置沿测量方向错开所述动尺(2)包括动尺基体和印制在动尺基体上的感应单元；其特征在于：所述感应单元由分布于不同布线层的第一感应线圈(21)、第二感应线圈(22)和第三感应线圈(23)通过过孔串联构成；所述第一感应线圈(21)由第一导线段(211)与第二导线段(212)串联构成，第一导线段(211)沿第一曲线f1(x)绕制，第二导线段(212)沿第二曲线f2(x)绕制；其中，(x)绕制；其中，h1、d为常数，且w等于传感器的极距，i依次取0至n-1的所有整数，n表示周期个数；所述第二感应线圈(22)由第三导线段(221)与第四导线段(222)串联构成，第三导线段(221)沿第三曲线f3(x)绕制，第四导线段(222)沿第四曲线f4(x)绕制；其中，(x)绕制；其中，a2为常数，且所述第三感应线圈(23)由第五导线段(231)与第六导线段(232)串联构成，第五导线段(231)沿第五曲线f5(x)绕制，第六导线段(232)沿第六曲线f6(x)绕制；其中，
h2为常数，且第一激励线圈(11)中通入余弦激励信号，第二激励线圈(12)中通入正弦激励信号，当动尺(2)与定尺(1)发生相对运动时，感应单元输出感应信号，对该感应信号进行处理，得到动尺(2)相对定尺(1)的直线位移值。2.根据权利要求1所述的基于气隙磁场分层耦合的时栅直线位移传感器，其特征在于：所述第一感应线圈(21)、第二感应线圈(22)、第三感应线圈(23)从上至下分布于动尺基体的相邻的三个布线层上。3.根据权利要求2所述的基于气隙磁场分层耦合的时栅直线位移传感器，其特征在于：第一激励线圈(11)、第二激励线圈(12)的沿区间内的第一条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第二布线层上，第一激励线圈(11)、第二激励线圈(12)的沿区间和内的第一条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第一布线层上；第一激励线圈(11)、第二激励线圈(12)的沿区间内的第二条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第一布线层上，第一激励线圈(11)、第二激励线圈(12)的沿区间和内的第二条正弦曲线部分绕制的导线分布于定尺基体的第二布线层上；其中，k＝0,1,2,...,m-1，m表示正弦曲线的周期个数。4.根据权利要求2所述的基于气隙磁场分层耦合的时栅直线位移传感器，其特征在于：第一导线段(211)的起始端与第二导线段(212)的起始端通过导线连接，第三导线段(221)的起始端与第四导线段(222)的起始端通过导线连接，第五导线段(231)的起始端与第六导线段(232)的起始端通过导线连接；第二导线段(212)的终止端作为感应信号输出第一端，第一导线段(211)的终止端通过过孔与第四导线段(222)的终止端连接，第三导线段(221)的终止端通过过孔与第六导线段(232)的终止端连接，第五导线段(231)的终止端作为感应信号输出第二端。5.根据权利要求1至4任一项所述的基于气隙磁场分层耦合的时栅直线位移传感器，其特征在于：所述h1、a2、h2满足：h1＝a2，h1≤h2。6.根据权利要求1至4任一项所述的基于气隙磁场分层耦合的时栅直线位移传感器，其特征在于：所述n＝3。7.根据权利要求1至4任一项所述的基于气隙磁场分层耦合的时栅直线位移传感器，其特征在于：对感应信号进行处理，得到动尺(2)相对定尺(1)的直线位移值的具体方式为：将感应单元输出的感应信号分成两路，一路与余弦激励信号相乘得到第一信号，另一路与正弦激励信号相乘得到第二信号；分别对第一信号、第二信号进行低通滤波和放大处理，之后采样出第一信号的直流分量和第二信号的直流分量
将与相除，并对相除结果求反正切，得到的值；对进行换算，得到动尺(2)相对定尺(1)的直线位移值x。

技术总结
本发明公开了一种基于气隙磁场分层耦合的时栅直线位移传感器，包括定尺和动尺，定尺与动尺保持正对平行且留有间隙，定尺包括定尺基体和印制在定尺基体上的激励单元，动尺包括动尺基体和印制在动尺基体上的感应单元，感应单元由分布于不同布线层的第一感应线圈、第二感应线圈和第三感应线圈通过过孔串联构成。采用不同形状的平面感应线圈分层耦合可以在提高传感器信噪比的同时，减小空间气隙磁场引入的谐波误差，提高传感器的测量精度。提高传感器的测量精度。提高传感器的测量精度。


技术研发人员：杨继森 熊浩 张静 文杰 桂强
受保护的技术使用者：重庆理工大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/5