本發(fā)明屬于精密測(cè)量傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙列式二維時(shí)柵直線位移傳感器。

背景技術(shù)：

直線位移測(cè)量是最基本的幾何量測(cè)量，大量存在于以制造業(yè)為代表的工業(yè)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)踐中?，F(xiàn)有關(guān)于平面二維位移測(cè)量的傳感器分為兩種，一種是在平面上相對(duì)互差90°垂直安裝兩個(gè)直線位移傳感器分別獲取平面二維直線位移量，另一種是采用單一的二維直線位移傳感器分別獲取兩個(gè)維度的位移量。垂直安裝兩個(gè)直線位移傳感器會(huì)給測(cè)量帶來阿貝誤差與安裝定位誤差，而且某些應(yīng)用環(huán)境，不具備同時(shí)安裝兩個(gè)傳感器的條件?，F(xiàn)有的二維直線位移傳感器主要有二維光柵、二維磁柵和二維容柵等，目前，常用的平面二維傳感器都是通過對(duì)空間均分的柵線進(jìn)行計(jì)數(shù)得到位移量，其共同特點(diǎn)是利用柵線的空間超精密刻線來滿足微小位移的分辨力要求與精密測(cè)量要求，通常需要依靠復(fù)雜的電子細(xì)分技術(shù)，對(duì)傳感器輸出的原始信號(hào)進(jìn)行細(xì)分處理，使測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，成本增加，且抗干擾能力差，易受到工作環(huán)境干擾的影響。

近年來國(guó)內(nèi)研制出了一種以時(shí)鐘脈沖作為位移測(cè)量基準(zhǔn)的時(shí)柵直線位移傳感器，其不依賴空間精密刻線，能實(shí)現(xiàn)高分辨力與高精度的位移測(cè)量。目前，已研制的二維時(shí)柵直線位移傳感器，分層較多，激勵(lì)線圈繞線復(fù)雜，從而使傳感器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造難度大且成本高，并且傳感器的測(cè)量精度也會(huì)受到激勵(lì)線圈匝數(shù)和各匝線圈分布情況的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種雙列式二維時(shí)柵直線位移傳感器，以減少傳感器線圈分層數(shù)與繞線復(fù)雜程度，簡(jiǎn)化傳感器結(jié)構(gòu)，降低制造成本。

本發(fā)明所述的雙列式二維時(shí)柵直線位移傳感器，包括定尺和與定尺平行正對(duì)且留有間隙的動(dòng)尺。所述定尺包括定尺基體，設(shè)在定尺基體正對(duì)動(dòng)尺一面且沿X方向相互平行的第一、第二激勵(lì)線圈，設(shè)在第一、第二激勵(lì)線圈之上的第二布線層和設(shè)在第二布線層內(nèi)且沿Y方向相互平行的第三、第四激勵(lì)線圈；定尺基體的投影能將第一、第二、第三、第四激勵(lì)線圈完全覆蓋；所述第一、第二激勵(lì)線圈都沿X方向呈矩形波繞制，該矩形波的幅值為L(zhǎng)₁、周期為W₁、占空比為0.5，第二激勵(lì)線圈的起始位置與第一激勵(lì)線圈的起始位置相差所述第三、第四激勵(lì)線圈都沿Y方向呈矩形波繞制，該矩形波的幅值為L(zhǎng)₂、周期為W₂、占空比為0.5，第四激勵(lì)線圈的起始位置與第三激勵(lì)線圈的起始位置相差

所述動(dòng)尺包括動(dòng)尺基體和設(shè)在動(dòng)尺基體正對(duì)定尺一面的第一、第二、第三、第四感應(yīng)線圈，動(dòng)尺基體的投影能將第一、第二、第三、第四感應(yīng)線圈完全覆蓋；所述第一感應(yīng)線圈沿周期為W₁的曲線繞制，形成第一感應(yīng)線圈繞線軌跡，所述第二感應(yīng)線圈沿周期為W₁的曲線繞制，形成第二感應(yīng)線圈繞線軌跡，其中，i₁依次取值0至j₁-1中的所有整數(shù)，j₁為整數(shù)且0＜j₁＜N₁(即j₁為0與N₁之間的任一整數(shù))，N₁表示第一、第二激勵(lì)線圈的矩形波周期數(shù)，b₁為常數(shù)，且b₁不等于0，A₁表示第一、第二感應(yīng)線圈繞線軌跡的幅值，且A₁＜L₁；所述第三感應(yīng)線圈沿周期為W₂的曲線繞制，形成第三感應(yīng)線圈繞線軌跡，所述第四感應(yīng)線圈沿周期為W₂的曲線繞制，形成第四感應(yīng)線圈繞線軌跡，其中，i₂依次取值0至j₂-1中的所有整數(shù)，j₂為整數(shù)且0＜j₂＜N₂(即j₂為0與N₂之間的任一整數(shù))，N₂表示第三、第四激勵(lì)線圈的矩形波周期數(shù)，b₂為常數(shù)，且b₂不等于0，A₂表示第三、第四感應(yīng)線圈繞線軌跡的幅值，且A₂＜L₂；第一感應(yīng)線圈與第二感應(yīng)線圈串聯(lián)，第三感應(yīng)線圈與第四感應(yīng)線圈串聯(lián)，第一感應(yīng)線圈與第一激勵(lì)線圈正對(duì)平行，第二感應(yīng)線圈與第二激勵(lì)線圈正對(duì)平行，第三感應(yīng)線圈與第三激勵(lì)線圈正對(duì)平行，第四感應(yīng)線圈與第四激勵(lì)線圈正對(duì)平行。

定尺的第一、第二激勵(lì)線圈中通入兩相對(duì)稱激勵(lì)電流，第三、第四激勵(lì)線圈中通入兩相對(duì)稱激勵(lì)電流，當(dāng)動(dòng)尺與定尺發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，第一、第二感應(yīng)線圈輸出兩路感應(yīng)信號(hào)，經(jīng)串聯(lián)疊加形成X向行波信號(hào)，第三、第四感應(yīng)線圈輸出兩路感應(yīng)信號(hào)，經(jīng)串聯(lián)疊加形成Y向行波信號(hào)，將該X向、Y向行波信號(hào)分別與同頻率參考信號(hào)進(jìn)行比相，相位差由插補(bǔ)的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)表示，經(jīng)換算后得到動(dòng)尺相對(duì)定尺在X方向和Y方向的直線位移。

所述定尺還包括設(shè)在第二布線層之上的定尺絕緣層；所述動(dòng)尺還包括設(shè)在第一、第二、第三、第四感應(yīng)線圈之下的動(dòng)尺絕緣層。定尺絕緣層和動(dòng)尺絕緣層可以避免第三、第四激勵(lì)線圈與第一、第二、第三、第四感應(yīng)線圈接觸，避免影響感應(yīng)信號(hào)的產(chǎn)生。

優(yōu)選的，所述W₁＝W₂、L₁＝L₂、N₁＝N₂、A₁＝A₂、b₁＝b₂，所述j₁、j₂取值為4。

所述X向行波信號(hào)與同頻率參考信號(hào)經(jīng)整形電路整形成方波后，再進(jìn)行比相；所述Y向行波信號(hào)與同頻率參考信號(hào)經(jīng)整形電路整形成方波后，再進(jìn)行比相。

本發(fā)明中第一、第二、第三、第四激勵(lì)線圈采用矩形波繞線方式，第一、第二、第三、第四感應(yīng)線圈采用半正弦繞線方式，其消除了對(duì)電磁矩形波信號(hào)采用諧波分析方法所帶來的高次諧波影響，提高了直線位移測(cè)量的精確度；并且也減少了傳感器線圈分層數(shù)與繞線復(fù)雜程度，簡(jiǎn)化了傳感器結(jié)構(gòu)，降低了制造成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中第一、第二激勵(lì)線圈的繞線示意圖。

圖3為本發(fā)明中第三、第四激勵(lì)線圈的繞線示意圖。

圖4為本發(fā)明中第一、第二、第三、第四感應(yīng)線圈的繞線示意圖。

圖5為本發(fā)明的信號(hào)處理原理框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。

如圖1至圖5所示的雙列式二維時(shí)柵直線位移傳感器，包括定尺1和與定尺1平行正對(duì)且留有0.2mm間隙的動(dòng)尺2。

定尺1包括定尺基體11，布置在定尺基體11正對(duì)動(dòng)尺一面的第一布線層內(nèi)且沿X方向相互平行的第一激勵(lì)線圈12、第二激勵(lì)線圈13，設(shè)在第一布線層之上的第二布線層16，布置在第二布線層16內(nèi)且沿Y方向相互平行的第三激勵(lì)線圈14、第四激勵(lì)線圈15和設(shè)在第二布線層16之上的定尺絕緣層17；第一、第二激勵(lì)線圈與第三、第四激勵(lì)線圈之間相互絕緣且互不干擾，定尺基體11的投影能將第一、第二、第三、第四激勵(lì)線圈完全覆蓋，定尺基體11為厚度等于2mm的非導(dǎo)磁基體，采用陶瓷材料制作而成；第一激勵(lì)線圈12、第二激勵(lì)線圈13都沿X方向呈矩形波繞制，該矩形波的幅值為L(zhǎng)₁、周期為W₁、占空比為0.5，第二激勵(lì)線圈13的起始位置與第一激勵(lì)線圈12的起始位置相差第三激勵(lì)線圈14、第四激勵(lì)線圈15都沿Y方向呈矩形波繞制，該矩形波的幅值為L(zhǎng)₂、周期為W₂、占空比為0.5，第四激勵(lì)線圈15的起始位置與第三激勵(lì)線圈14的起始位置相差本實(shí)施例中W₁＝W₂、L₁＝L₂，即第一、第二激勵(lì)線圈的矩形波周期、幅值與第三、第四激勵(lì)線圈的矩形波周期、幅值相等。另外，第一、第二激勵(lì)線圈的矩形波周期W₁也可以不等于第三、第四激勵(lì)線圈的矩形波周期W₂，第一、第二激勵(lì)線圈的矩形波幅值L₁也可以不等于第三、第四激勵(lì)線圈的矩形波幅值L₂，其不影響測(cè)量結(jié)果。

動(dòng)尺2包括動(dòng)尺基體21、布置在動(dòng)尺基體21正對(duì)定尺一面的同一布線層內(nèi)的第一感應(yīng)線圈22、第二感應(yīng)線圈23、第三感應(yīng)線圈24、第四感應(yīng)線圈25和設(shè)在該布線層之下的動(dòng)尺絕緣層26，動(dòng)尺基體21的投影能將第一、第二、第三、第四感應(yīng)線圈完全覆蓋，動(dòng)尺基體21為厚度等于2mm的非導(dǎo)磁基體，采用陶瓷材料制作而成。第一感應(yīng)線圈22沿周期為W₁的曲線繞制，形成第一感應(yīng)線圈繞線軌跡，第二感應(yīng)線圈23沿周期為W₁的曲線繞制，形成第二感應(yīng)線圈繞線軌跡，其中，i₁依次取值0至j₁-1中的所有整數(shù)，j₁為整數(shù)且0＜j₁＜N₁，N₁表示第一、第二激勵(lì)線圈的矩形波周期數(shù)，b₁為常數(shù)，且b₁不等于0，A₁表示第一、第二感應(yīng)線圈繞線軌跡的幅值，且A₁＜L₁，本實(shí)施例中j₁＝4，則i₁依次取值0、1、2、3，形成第一感應(yīng)線圈22的起始位置(即圖4中的R點(diǎn))與第二感應(yīng)線圈23的起始位置(即圖4中的P點(diǎn))對(duì)齊；第三感應(yīng)線圈24沿周期為W₂的曲線繞制，形成第三感應(yīng)線圈繞線軌跡，第四感應(yīng)線圈25沿周期為W₂的曲線繞制，形成第四感應(yīng)線圈繞線軌跡，其中，i₂依次取值0至j₂-1中的所有整數(shù)，j₂為整數(shù)且0＜j₂＜N₂，N₂表示第三、第四激勵(lì)線圈的矩形波周期數(shù)，b₂為常數(shù)，且b₂不等于0，A₂表示第三、第四感應(yīng)線圈繞線軌跡的幅值，且A₂＜L₂；本實(shí)施例中N₁＝N₂、A₁＝A₂、b₁＝b₂、j₂＝4，則i₂依次取值0、1、2、3，形成第三感應(yīng)線圈24的起始位置(即圖4中的Q點(diǎn))與第四感應(yīng)線圈25的起始位置(即圖4中的S點(diǎn))對(duì)齊；第一感應(yīng)線圈22與第二感應(yīng)線圈23串聯(lián)，第三感應(yīng)線圈24與第四感應(yīng)線圈25串聯(lián)，第一感應(yīng)線圈22與第一激勵(lì)線圈12正對(duì)平行，第二感應(yīng)線圈23與第二激勵(lì)線圈13正對(duì)平行，第三感應(yīng)線圈24與第三激勵(lì)線圈14正對(duì)平行，第四感應(yīng)線圈25與第四激勵(lì)線圈15正對(duì)平行。

定尺1的第一激勵(lì)線圈12、第三激勵(lì)線圈14中通入正弦激勵(lì)電流(即在第一激勵(lì)線圈12的兩端加上激勵(lì)信號(hào)u₁＝U_m1sinω₁t、在第三激勵(lì)線圈14的兩端加上激勵(lì)信號(hào)u₂＝U_m2sinω₂t)，第二激勵(lì)線圈13、第四激勵(lì)線圈15中通入余弦激勵(lì)電流(即在第二激勵(lì)線圈13的兩端加上激勵(lì)信號(hào)u₃＝U_m1cosω₁t，在第四激勵(lì)線圈15的兩端加上激勵(lì)信號(hào)u₄＝U_m2cosω₂t)，當(dāng)動(dòng)尺2與定尺1發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，第一感應(yīng)線圈22相對(duì)于第一激勵(lì)線圈12運(yùn)動(dòng)，第二感應(yīng)線圈23相對(duì)于第二激勵(lì)線圈13運(yùn)動(dòng)，第三感應(yīng)線圈24相對(duì)于第三激勵(lì)線圈14運(yùn)動(dòng)，第四感應(yīng)線圈25相對(duì)于第四激勵(lì)線圈15運(yùn)動(dòng)。

第一感應(yīng)線圈22中產(chǎn)生式(1)的磁通量：

${\mathrm{\Φ}}_1=-k_1\frac{W_1}{\mathrm{\π}}{U}_{m1}{\mathrm{sin\ω}}_{1}tsin\frac{2\mathrm{\π}x}{W_1}---\left(1\right)$

第二感應(yīng)線圈23中產(chǎn)生式(2)的磁通量：

${\mathrm{\Φ}}_2=k_1\frac{W_1}{\mathrm{\π}}{U}_{m1}{\mathrm{cos\ω}}_{1}tcos\frac{2\mathrm{\π}x}{W_1}---\left(2\right)$

第三感應(yīng)線圈24中產(chǎn)生式(3)的磁通量：

${\mathrm{\Φ}}_3=-k_2\frac{W_2}{\mathrm{\π}}{U}_{m2}{\mathrm{sin\ω}}_{2}tsin\frac{2\mathrm{\π}x}{W_2}---\left(3\right)$

第四感應(yīng)線圈25中產(chǎn)生式(4)的磁通量：

${\mathrm{\Φ}}_4=k_2\frac{W_2}{\mathrm{\π}}{U}_{m2}{\mathrm{cos\ω}}_{2}tcos\frac{2\mathrm{\π}y}{W_2}---\left(4\right)$

第一感應(yīng)線圈22將輸出式(5)的感應(yīng)信號(hào)：

$e_1=\frac{{\mathrm{d\Φ}}_1}{dt}=-k_1\frac{W_1}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_1{U}_{m1}{\mathrm{cos\ω}}_{1}tsin\frac{2\mathrm{\π}x}{W_1}=-k_x{U}_{m1}{\mathrm{cos\ω}}_{1}tsin\frac{2\mathrm{\π}x}{W_1}---\left(5\right)$

第二感應(yīng)線圈23將輸出式(6)的感應(yīng)信號(hào)：

$e_2=\frac{{\mathrm{d\Φ}}_2}{dt}=-k_1\frac{W_1}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_1{U}_{m1}{\mathrm{sin\ω}}_{1}tcos\frac{2\mathrm{\π}x}{W_1}=-k_x{U}_{m1}{\mathrm{sin\ω}}_{1}tcos\frac{2\mathrm{\π}x}{W_1}---\left(6\right)$

第三感應(yīng)線圈24將輸出式(7)的感應(yīng)信號(hào)：

$e_3=\frac{{\mathrm{d\Φ}}_3}{dt}=-k_2\frac{W_2}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_2{U}_{m2}{\mathrm{cos\ω}}_{2}tsin\frac{2\mathrm{\π}y}{W_2}=-k_y{U}_{m2}{\mathrm{cos\ω}}_{2}tsin\frac{2\mathrm{\π}y}{W_2}---\left(7\right)$

第四感應(yīng)線圈25將輸出式(8)的感應(yīng)信號(hào)：

$e_4=\frac{{\mathrm{d\Φ}}_4}{dt}=-k_2\frac{W_2}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_2{U}_{m2}{\mathrm{sin\ω}}_{2}tcos\frac{2\mathrm{\π}y}{W_2}=-k_y{U}_{m2}{\mathrm{sin\ω}}_{2}tcos\frac{2\mathrm{\π}y}{W_2}---\left(8\right)$

第一、第二感應(yīng)線圈串聯(lián)疊加輸出X向行波信號(hào)e_x為：

$e_x=-k_x{U}_{m1}sin({\mathrm{\ω}}_{1}t+\frac{2\mathrm{\π}x}{W_1})---\left(9\right)$

第三、第四感應(yīng)線圈串聯(lián)疊加輸出Y向行波信號(hào)e_y為：

$e_y=-k_y{U}_{m2}sin({\mathrm{\ω}}_{2}t+\frac{2\mathrm{\π}y}{W_2})---\left(10\right)$

其中：U_m1為第一激勵(lì)線圈的激勵(lì)信號(hào)的幅值，U_m2為第二激勵(lì)線圈的激勵(lì)信號(hào)的幅值，ω₁為第一激勵(lì)線圈的激勵(lì)信號(hào)的頻率，ω₂為第二激勵(lì)線圈的激勵(lì)信號(hào)的頻率，k₁、k₂為比例系數(shù)，k_x、k_y為電勢(shì)感應(yīng)系數(shù)，x為動(dòng)尺2相對(duì)定尺1在X方向的直線位移，y為動(dòng)尺2相對(duì)定尺1在Y方向的直線位移。

如圖5所示，動(dòng)尺2與定尺1發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)信號(hào)的相位角將發(fā)生周期性變化，動(dòng)尺2相對(duì)于定尺1運(yùn)動(dòng)一個(gè)極距，感應(yīng)信號(hào)的相位角(即式(9)、式(10)中的)變化一個(gè)周期。將X向行波信號(hào)e_x、Y向行波信號(hào)e_y分別與相位固定的同頻率參考信號(hào)u_x、u_y接入整形電路處理，轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)后送入信號(hào)處理模塊進(jìn)行比相，相位差由插補(bǔ)的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)表示，經(jīng)換算后即可得到動(dòng)尺2相對(duì)定尺1在X方向和Y方向的直線位移。