[發明專利]一種平面二維位移傳感器

有效

• 申請號: 201510080844.6
• 申請日: 2015-02-14
• 公開（公告）號: CN104677258B
• 公開（公告）日: 2017-03-22
• 發明（設計）人: 武亮;彭東林;陳錫候;湯其富;魯進;鄭方燕;孫世政;黃奔
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: G01B7/02
• 分類號: G01B7/02
• 代理公司: 重慶華科專利事務所50123
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明屬于直線位移精密測量領域。

背景技術

現有的可進行平面二維位移量測量的傳感器分為兩種，一種是在測量平面上垂直安裝兩個線性傳感器分別獲取兩個維度的位移量，另一種是采用單一傳感器同時獲取平面兩個維度的位移量。垂直安裝兩個線性傳感器會給測量系統帶來阿貝誤差，其裝夾定位精度對測量結果影響較大，同時占據較大空間，不利于小空間測量。現有的平面二維位移傳感器包括二維光柵和二維容柵，其中二維光柵的測量精度依賴于二元光學器件的制造精度，復雜的光路設計和制造工藝使成本較高。同時二維光柵抗油污粉塵和沖擊振動能力較差。二維容柵測量量程較小，且由于電容介電常數易受外界環境中的溫度、濕度、油污粉塵等影響，因此傳感器防護能力較差。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提出一種用于平面二維位移測量的傳感器。

所述一種平面二維位移傳感器，由上下平行相對布置的定陣面和動陣面兩部分構成。定陣面具有定陣面基體，在定陣面基體上布置單層或多層完全相同的并串聯的激勵線圈矩陣；動陣面由動陣面基體和布置于動陣面基體表面的感應線圈組成。

每一層激勵線圈矩陣是由沿X和Y方向布置的多個相同的激勵線圈陣列單元構成，所述激勵線圈陣列單元之間沿“Z”字型依次串聯，且相鄰的兩個激勵線圈陣列單元的中心距為一個極距，用W表示。沿X方向和沿Y方向的極距可以相同也可以不同。

所述激勵線圈陣列單元由尺寸、匝數均相同的2個正繞平面矩形螺旋激勵線圈和2個反繞平面矩形螺旋激勵線圈按“田”字型排列構成，按“U”字型串聯以保證任意兩個相鄰的平面矩形螺旋激勵線圈繞制方向相反。四個線圈依次串聯即1個正繞(如順時針繞制)平面矩形螺旋激勵線圈、1個反繞(如逆時針繞制)平面矩形螺旋激勵線圈、1個正繞平面矩形螺旋激勵線圈和1個反繞平面矩形螺旋激勵線圈依次沿“U”型首尾相接。任意相鄰兩個平面矩形螺旋激勵線圈的中心距為半個極距(W/2)。沿X方向或Y方向，正繞或反繞平面矩形螺旋激勵線圈由外到內的第p匝線圈與線圈中心的距離為：其中q為正繞或反繞平面矩形螺旋激勵線圈的總匝數，p＝1,2,3…q；相鄰兩個平面矩形螺旋激勵線圈的最外匝間距為：

所述定陣面的激勵線圈連接頻率固定的交流電信號。

所述定陣面的各層激勵線圈矩陣之間、激勵線圈矩陣與定陣面基體之間沿垂直于定陣面方向采用同等厚度的絕緣材料間隔，在保證絕緣性能的前提下絕緣材料越薄越好。

所述感應線圈由尺寸匝數均相同的三個感應線圈組成，且第一感應線圈和第二感應線圈沿X方向布置,第一感應線圈和第三感應線圈沿Y方向布置，即呈L形。每個感應線圈分別由尺寸、匝數、層數均相同的感應線圈單元組成。第二感應線圈與第一感應線圈沿Y方向中心距為零，沿X方向中心距為m＝1,2,3…，最外匝線圈間距為第一感應線圈和第三感應線圈沿X方向中心距為零，沿Y方向中心距為n＝1,2,3…，最外匝線圈間距為

所述感應線圈的感應線圈單元可以為單層或多層，每層均由單匝矩形線圈或多匝平面矩形螺旋線圈組成。

所述動陣面的多層感應線圈單元之間，感應線圈單元與動陣面基體之間沿垂直于動陣面方向采用同等厚度的絕緣材料間隔，在保證絕緣性能的前提下絕緣材料越薄越好。

定陣面的激勵線圈連接交流激勵信號，在定陣面表面產生既隨時間變化又隨平面二維坐標變化的磁場。當動陣面與定陣面沿任意方向發生相對運動時，動陣面上三個感應線圈單元的磁通量發生變化，分別輸出相位不變、幅值隨時間和空間坐標變化的三路感應信號。將第二感應線圈產生的感應信號除以第一感應線圈產生的感應信號，得到關于X方向位移量的正切函數；將第三感應線圈產生的感應信號除以第一感應線圈產生的感應信號，得到關于Y方向位移量的正切函數。再通過反正切運算，得到動陣面相對于定陣面在X方向和Y方向的直線位移量。

本發明提出的平面二維位移傳感器，通過在定陣面表面建立包含時間量和空間量的磁場，采用單個動陣面通過電磁感應原理將定陣面不同位置處的磁信號轉化為電信號。將三個感應線圈產生的電信號進行運算處理，從而得到平面二維位移量。不需要垂直安裝兩個直線位移傳感器，不需要復雜工藝制備的二元光學器件，不需要復雜的光路設計，采用普通的半導體加工工藝制備動陣面和定陣面，因而具有結構簡單、成本低、抗油污粉塵和沖擊振動能力強的特點。

附圖說明

圖1是定陣面1和動陣面2結構示意圖。

圖2(a)是激勵線圈矩陣11示意圖，圖2(b)是激勵線圈單元111示意圖。