一种高精度电涡流位移传感器和纳米级位移的测量方法与流程

1.本发明涉及传感器，具体涉及一种高精度电涡流位移传感器，以及一种纳米级位移的测量方法。


背景技术：

2.传统的电涡流传感器，所能测量的最小位移量，一般在几百微米，所能达到的采样速度最多每秒上百次，线性度一般在
±
10％f.s.左右。且在采集微小位移量时，所产生的微小电信号也会被采集端损耗，这种能量损失会带来失真等问题，让测量微小位移的准确度大大的降低。另外，传统的电涡流传感器也无法权衡高速的位移信号量采集性能和高稳定、高线性信号输出之间的平衡。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是提供一种高精度电涡流位移传感器，其能够检测微小的机械位移变化量，实现了纳米级位移变化量的高速度、高精度、高精密、高线性度的模拟信号处理。
4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度电涡流位移传感器，包括：正弦振荡模块，所述正弦振荡模块产生正弦振荡的电磁波，并发射至金属目标物的目标位，所述金属目标物在所述目标位产生抑制所述电磁波的正弦振荡的电涡流，所述电涡流的强度与所述正弦振荡模块和所述目标位的距离呈正比；第一信号采集处理模块，所述第一信号采集处理模块能量无损的采集所述正弦振荡的幅值的变化量，并转化、线性放大为一级模拟电平信号；第二信号采集处理模块，所述第二信号采集处理模块高频采集由所述第一信号采集处理模块输出的线性放大的所述一级模拟电平信号，并将非线性的一级模拟电平信号转化成线性的二级数字电平信号；输出模块，所述输出模块将所述第二信号采集处理模块输出的所述二级数字电平信号转化成三级模拟电平信号并输出、显示；所述正弦振荡模块、第一信号采集处理模块、第二信号采集处理模块和输出模块依次连接。
5.作为优选的，所述第一信号采集处理模块包括依次连接的二级带通滤波器、电容、运算放大器、信号跟随单元和驱动单元；所述二级带通滤波器连接在所述正弦振荡模块的输出端，用于将正弦振荡的变化量转化为一级模拟电平信号；所述驱动单元与所述第二信号采集处理模块连接；所述电容将采集到的一级模拟电平信号中的直流部分滤除，并将滤除直流后的所述一级模拟电平信号输入至所述运算放大器进行同频、同相、同幅的放大；所述运算放大器利用其输入端的高阻特性，与后端的所述信号跟随单元共同实现所述一级模拟电平信号的电压跟随；所述一级模拟电平信号驱动位于所述信号跟随单元后面的所述驱动电路；所述驱动电路的信号与所述正弦振荡模块的信号完全一致。
6.作为优选的，所述能量无损至少包括无延时的无损和不失真的无损。
7.作为优选的，所述第二信号采集模块包括16位的ad采集单元和arm处理器，所述ad采集单元和arm处理器依次串联在所述第一信号采集处理模块和所述输出模块之间；所述
ad采集单元用于采集被线性放大的所述二级数字电平信号，并发送给所述arm处理器；所述arm处理器用于将随金属目标物相对位移的变化量所输出的非线性的一级模拟电平信号，转化成线性的二级数字电平信号。
8.作为优选的，所述输出模块包括da输出单元、
±
5v输出单元和人机交互界面，所述da输出单元、所述
±
5v输出单元和所述人机交互界面分别与所述第二信号采集处理模块连接；所述人机交互界面用于合理的输出指定的三级模拟电平信号和数码显示值，以及输出来自最前端金属目标物的位移量的值。
9.一种纳米级位移的测量方法，包括以下步骤：
10.s1，使用正弦振荡的电磁波打到金属目标物的目标位；
11.s2，采集正弦振荡受金属目标物抑制后幅值的变化量，将其转化成一级模拟电平信号，并进行线性跟随放大；
12.s3，将非线性的一级模拟电平信号转化成线性的二级数字电平信号；
13.s4，将二级数字电平信号转化成三级模拟电平信号，并输出。
14.作为优选的，进行线性跟随放大包括以下步骤，提供一信号与正弦振荡的信号完全一致的驱动电路，进行驱动。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.本发明通过优化的设计，达到80nm了的位移量的信号处理，和高达40000次/秒的信号采集速度；并且具有
±
0.3％f.s.的高线性度输出。能够检测微小的机械位移变化量，解决了纳米级位移变化量的高精度、高精密模拟信号处理的难题，能够非常准确的识别高精度机床的执行部件的位置信息，使得该传感器可以使用在高机密的机床上，比如生产芯片的光刻机和晶圆生长设备上。另外，发本明输出的模拟信号具有高稳定性，保障了系统所得到的信号量是稳定无误差的。
附图说明
17.为了更清楚的说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能够根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明一个优选的实施例中高精度电涡流位移传感器的连接结构示意图一；
19.图2为本发明一个优选的实施例中高精度电涡流位移传感器的连接结构示意图二。
具体实施方式
20.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.实施例
22.参照图1和图2所示，本发明公开了一种高精度电涡流位移传感器，包括依次连接的正弦振荡模块、第一信号采集处理模块、第二信号采集处理模块和输出模块。
23.正弦振荡模块：
24.上述正弦振荡模块产生正弦振荡的电磁波，并发射至金属目标物的目标位，金属目标物在目标位产生抑制电磁波的正弦振荡的电涡流，电涡流的强度与正弦振荡模块和目标位的距离呈正比。即，当正弦振荡模块靠近金属目标物时，目标位所产生的电涡流使电磁波的正弦振荡减弱。在一些情况下，可以使电磁波的正弦振荡的幅值减损至零。
25.第一信号采集处理模块：
26.上述第一信号采集处理模块能量无损的采集正弦振荡的幅值的变化量，并转化、线性放大为一级模拟电平信号。能量无损至少包括无延时的无损和不失真的无损。
27.当，正弦振荡模块和金属目标物之间的距离发生微小的变化时，正弦振荡会产生非常微弱的幅值变化，传统的采集模块或方法，在采集这种非常微弱的幅值变化时，会引起正弦振荡模块一定能量的损耗，这种损耗会导致信号处理上的误差，也是无法实现高精密信号处理的最大障碍。所以，为了实现能量无损的采集，上述第一信号采集处理模块包括依次连接的二级带通滤波器、电容、运算放大器、信号跟随单元和驱动单元。二级带通滤波器连接在正弦振荡模块的输出端，用于将正弦振荡的变化量转化为一级模拟电平信号。驱动单元与第二信号采集处理模块连接。电容将采集到的一级模拟电平信号中的直流部分滤除，并将滤除直流后的一级模拟电平信号输入至运算放大器进行同频、同相、同幅的放大。运算放大器利用其输入端的高阻特性，与后端的信号跟随单元共同实现一级模拟电平信号的电压跟随。一级模拟电平信号驱动位于信号跟随单元后面的驱动电路。驱动电路的信号与正弦振荡模块的信号完全一致。驱动电路同时兼具了大能量的驱动能力。以上，将正弦振荡的变化量转化为了一级模拟电平信号，并把一级模拟电平信号进行了适当的线性放大，抗干扰能力强，抑制了采集到的正弦振荡中的非正弦振荡，实现了能量无损的采集和处理。
28.第二信号采集处理模块：
29.上述第二信号采集处理模块高频采集由第一信号采集处理模块输出的线性放大的一级模拟电平信号，并将非线性的一级模拟电平信号转化成线性的二级数字电平信号。
30.具体而言，上述第二信号采集模块包括16位的ad采集单元和arm处理器。ad采集单元和arm处理器依次串联在第一信号采集处理模块和输出模块之间。ad采集单元优选高吞吐量、高精度的型号。ad采集单元在采集被线性放大的二级数字电平信号后，发送给arm处理器，arm处理器将随金属目标物相对位移的变化量所输出的非线性的一级模拟电平信号，转化成线性的二级数字电平信号。
31.输出模块：
32.上述输出模块将第二信号采集处理模块输出的二级数字电平信号转化成三级模拟电平信号并输出、显示。
33.具体而言，上述输出模块包括da输出单元、
±
5v输出单元和人机交互界面。da输出单元、
±
5v输出单元和人机交互界面分别与第二信号采集处理模块连接。da输出单元和
±
5v输出单元可以采用其中一种方式输出，也可以采用两种方式输出；通过人机交互界面，可以合理的输出指定的三级模拟电平信号和数码显示值，以及输出来自最前端金属目标物的位移量的值。
34.本发明公开了一种纳米级位移的测量方法，包括以下步骤：
35.s1，使用正弦振荡的电磁波打到金属目标物的目标位；
36.s2，采集正弦振荡受金属目标物抑制后幅值的变化量，将其转化成一级模拟电平信号，并进行线性跟随放大；
37.在进行线性跟随放大时，可以提供一信号与正弦振荡的信号完全一致的驱动电路，进行驱动，以使线性跟随放大后的一级模拟电平信号无任何形式的能量损失。
38.s3，将非线性的一级模拟电平信号转化成线性的二级数字电平信号；
39.s4，将二级数字电平信号转化成三级模拟电平信号，并输出。
40.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理能够在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。