[發明專利]一種時柵角位移傳感器

有效

• 申請號: 201510319665.3
• 申請日: 2015-06-12
• 公開（公告）號: CN104864804B
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 魯進;陳錫侯;武亮;湯其富
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: G01B7/30
• 分類號: G01B7/30
• 代理公司: 重慶華科專利事務所50123
• 代理人: 康海燕,唐錫嬌

技術領域

本發明屬于精密測量傳感器技術領域，具體涉及一種時柵角位移傳感器。

背景技術

精密角位移測量通常采用各類角位移傳感器，如光柵、齒柵、容柵等等。它們主要通過兩個途徑來提高測量分辨力：一是提高空間刻劃密度，減小空間柵距；二是提高電子細分倍數。近年來出現了一種基于電磁感應原理的時柵角位移傳感器，與上述角位移傳感器不同，時柵角位移傳感器采用時鐘脈沖作為測量基準，因此其分辨力一方面取決于傳感器的空間極距，另一方面也取決于插補時鐘脈沖的空間當量；由于插補時鐘脈沖的空間當量可以取極小，故時柵角位移傳感器在較大的空間極距下也實現了高分辨力位移測量。但若需進一步提高其分辨力，只能通過減小空間極距或者增加傳感器的極對數的方式實現，比如CN2909178Y公開的一種多極平面繞組時柵角位移傳感器，其采用無鐵芯多極平面繞組，通過增加傳感器的極對數的方式來提高旋轉磁場的線性，能減干擾和高頻失真，提高時柵角位移傳感器的精度及分辨力，但是其成本較高。

CN102425987A公開了一種基于交變電場的時柵角位移傳感器，其采用差動平板電容式結構，利用電場耦合原理獲取信號來測量角位移，功耗低、重量輕、成本低，但是其分辨力仍不夠高。

發明內容

本發明的目的是提供一種結構簡單的時柵角位移傳感器，以在不增加刻線精密度或者傳感器極對數的情況下，將測量分辨力提高一倍。

本發明所述的時柵角位移傳感器，包括定子和轉子，所述定子由定子基體和兩個相同的傳感單元構成，定子基體為中心開軸孔的導磁圓柱體，定子基體采用導磁材料制作，兩個傳感單元平行且互不干擾的設在定子基體的上、下端面，傳感單元包括激勵線圈和感應線圈；定子基體具有足夠的高度，能保證設在其上、下端面的兩個傳感單元互不影響(即其中一個傳感單元的激勵線圈產生的磁場不會在另一個傳感單元的感應線圈中感應出電信號，或者感應出的電信號極小，可以被忽略)，定子基體的高度一般不低于5mm。

所述激勵線圈采用“∞”字形繞線方式繞線，即激勵線圈由一起始點開始沿圓周順時針方向或逆時針方向繞出，兩端沿兩條交錯為N個“∞”字形的周期為Φ的曲線分別繞線，繞完整個圓周后分別引出，形成激勵線圈繞線軌跡(即沿圓周方向的N個“∞”字形連續的繞線軌跡)，所述起始點是兩條周期為Φ的曲線的第一個交點，兩條周期為Φ的曲線都是分段函數，其中一條周期為Φ的曲線用極坐標方程表示為：

另一條周期為Φ的曲線用極坐標方程表示為：

式中，N表示傳感器的極對數，Φ表示一個周期對應的圓心角，其等于傳感器的極距，i依次取值0至N-1中的所有整數(即i＝0,1,2,3,…,N-1)，A表示激勵線圈繞線軌跡正弦部分的幅值，R表示激勵線圈繞線軌跡所沿圓周的半徑(即r₁曲線與r₂曲線的2N+1個交錯點所在圓周的半徑)，R＞A。在給激勵線圈通激勵電流時，激勵線圈能產生按正弦規律變化的磁場。

所述感應線圈的繞線方式與激勵線圈的繞線方式相同，感應線圈繞線軌跡為激勵線圈繞線軌跡沿圓周順時針方向或逆時針方向旋轉圓心角后的曲線；設在定子基體上端面的傳感單元的感應線圈與設在定子基體下端面的傳感單元的感應線圈串聯。

所述轉子由上轉子基體、下轉子基體、支撐柱和兩個相同的導磁單元構成，上轉子基體與下轉子基體結構相同，都為中心開軸孔的非導磁的圓盤體，上轉子基體、下轉子基體都采用非導磁材料制作，支撐柱為扇環柱體，其內圓弧直徑大于定子基體的外徑，支撐柱的上端面與上轉子基體垂直連接，支撐柱的下端面與下轉子基體垂直連接，連接后形成側面開口的框形結構，且支撐柱與上、下轉子基體的軸心線重合，兩個導磁單元分別嵌在上、下轉子基體上且相互平行，導磁單元由一個導磁體或者由m個相同的導磁體繞上轉子基體或者下轉子基體的軸心線等間距排列構成，其中1＜m≤2N，導磁體為扇環柱體；在由m個導磁體構成的導磁單元中，各個導磁體的上端面或者下端面位于同一平面內，相鄰兩個導磁體的中心所夾圓心角等于每個導磁體的圓心角β滿足：每個導磁體的外圓弧半徑大于R+A，內圓弧半徑小于R-A，以保證產生準確可靠的感應信號。由m個導磁體構成的導磁單元能產生較大的磁場強度，能使感應線圈輸出的感應信號更強。