用于测量仪表的电磁感应位移传感器装置的制作方法

1.本发明涉及位移传感器技术领域，具体涉及一种用于测量仪表的电磁感应位移传感器装置。


背景技术：

2.在机械加工、检测中，机床位移定位、工件测量是非常重要的一步。
3.市面常见的测量装置，低端的采用机械测距尺，中端的可以用光栅尺、容栅尺等电子式测量装置，高端的可以用激光干涉仪测量。
4.目前市面常用的电子式测量装置为容栅尺和光栅尺，容栅尺主要应用在小型仪表：数显卡尺，数显百分表，数显高度仪等。光栅尺用作机床测量仪表，用做线性位移测量。由于电子式测量装置一般为非接触式传感器测量，在探头和被测物体之间就可能有介质，例如车间中的油，水，切削液，灰尘等。根据使用环境，由传感器自身原理出发将传感器分为两大类：第一类：对环境要求高，无法在恶劣的生产环境下使用。
5.第一种容栅传感器，市面上普遍见到的数显卡尺，用的就是这种传感器装置，它采用静电式电容作为传感器，电容的感知精度受介电常数影响，水和空气的介电常数差将近80倍，非常容易受到环境影响，数显卡尺头即使完全密封也不行，因为数显卡尺头所对应感应的定栅是裸露在外的，无法隔绝介质，一旦数显卡尺头和定栅之间有水或者其他液体，数据就会产生紊乱。
6.第二种光栅传感器，采用光学玻璃为测量基准，所以精度较高，虽说采用的机械是半封闭结构，但使用过程中难免如水、油、铁屑、等进入会导致精度失准或者光栅传感器损坏，需要有良好的使用环境。并且光栅传感器装置较大无法小型化手持使用。
7.第二大类：防水防油防尘，可以在恶劣环境下使用。
8.第一种是基于电感位移传感器，以日本三丰作为代表，公开了一种“感应电流位置传感器”（专利号: cn96108034），这种位移传感器采用了一个发射线圈和若干接收线圈，通过线圈与金属反射导体之间的感应变化实现位移测量，电路系统采用调幅式电路，具有测量速度快、耗电少的特点。但这种传感器结构较大不适合小型化。还有日本在此结构的传感器上很早就做了技术封锁和专利布局，很难从此结构突破，走上国际化。
9.第二种是瑞士提出的变磁阻式传感器，此传感器采用一条磁化的刻度尺为反射栅，传感器采用若干磁阻电极，可以达到防水防油防尘的效果，但对磁性颗粒比较敏感（机床滑台上的吸盘很多是电磁式的，也有带有磁性颗粒的工件），导致有些环境下不适合使用。
10.第三种传感器属于感应同步器式位移传感器。这种传感器与电感位移传感类似具有防水防油防尘功能，结构上采用一组相距1／4周期的发射绕组和一组同样相距 1／4 周期的接收绕组，传感器输出信号是增量式的，无法做绝对位移测量，主要是瑞士和德国的传感器厂家在使用。
11.第四种是涡流栅位移传感器，由上海交通大学研究开发系列防水位移传感器，专利公开号为：cn1180219c，cn100386592c，cn101324420b，cn101806575b，cn102252697b。这种传感器利用横向电涡流效应组成栅式位移传感器，具有出色的防水功能，并通过多码道技术实现绝对位置信号输出。但是这种传感器对生产的工艺要求较高，对pcb制作工艺的分散性和反射体的制作误差较为敏感，且由于线圈自身的宽度较大，使得该传感器无法得到较高的精准度，导致对于绝对位置的定位上无法有效精准的对非线性的电量值进行分离和识别判定，使得传感器周期判定紊乱，无法实现稳定批量化生产投入市场。


技术实现要素：

12.本发明针对现有技术的不足，利用电涡流效应原理，设计了一种新的三码道的周期辅助验算交叉定位的的绝对位置位移传感器，该传感器两个测量码道采用同向相位交叉串联的多测量单元电感线圈测量小周期位移，进一步提升精度，弥补了pcb制造工艺精度误差和电感线圈设计宽度带来的精度误差，三码道交叉组合验算周期可以实现大小周期值判定可靠稳定，不会产生周期紊乱，定位不准的情况。这种设计降低了工艺难度，便于实现量产化。并且该传感器具有体积小，测量范围大，抗干扰能力强，具备绝对位置的功能，不受油污等介质影响的特点，非常适合替代工业上普遍使用的容栅和光栅传感器，从而在恶劣的工业加工环境下使用。
13.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：用于测量仪表的电磁感应位移传感器装置，包含电感线圈、定轨和滑动模块，所述电感线圈和定轨上的金属反射导体相对滑动，电感线圈频率发生变化从而实现位移测量；所述定轨包含三个相互平行的码道，包括测量码道一、测量码道二和一个大周期辅助识别码道，每个测量码道上等间距排列着大小形状相同的反射导体一，两个测量码道上的反射导体高度相同，宽度不相等；所述大周期辅助识别码道规则排列着反射导体二，反射导体二的高度相同，宽度为测量码道一波长的整数倍，反射导体二的间距为测量码道一波长的整数倍；所述大周期辅助识别码道上反射导体二与测量码道一的测量波长周期一一对应；所述电感线圈包含相互平行的两排测量码线圈和一排大周期辅助识别码线圈；所述两排测量码线圈分别置于定轨上的测量码轨道上方，测量码线圈滑动时相对定轨上的测量码反射导体滑动；所述测量码线圈的大小与对应的定轨上的反射体大小相同，测量码线圈由两个以上测量单元构成，每个测量单元由4个线圈构成；所述测量单元内的线圈与其他测量单元内的同相的线圈串联为一个大线圈；所述大周期辅助识别线圈置于定轨上大周期辅助识别码道上方，大周期辅助识别线圈大小相同间距相等与定轨上的周期辅助识别码道上反射导体的高度一致。
14.进一步地，所述测量码道一和测量码道二的反射体中心距即测量波长分别为λ1和λ2；两个测量码道上反射导体的间距为半波长，分别为λ1/2和λ2/2，其中λ1《λ2。
15.进一步地，所述每个测量单元内相邻线圈的中心距分别为λ/2、λ3/4、λ/2；测量单元内的线圈与线圈的相对位置是固定的，测量单元内前两个测量线圈相邻排列构成反向相位，测量单元内后两个测量线圈相邻排列构成反向相位，测量单元内中间两个测量线圈间距为λ/4。
16.进一步地，根据精度的要求可以增加测量单元，两个测量单元之间相距nλ/4。
17.进一步地，由于相邻线圈磁场间会相互耦合，所以大周期辅助识别线圈与线圈之间需要保持一段距离来防止磁场耦合，从而使得每组线圈的频率值更为精准，有利于周期判定，所述大周期辅助识别线圈的宽度小于大周辅助期辅助识别码上最短反射导体的宽度，线圈的宽度大约是最短反射导体宽度的2/3。
18.进一步地，所述电感线圈相邻码道线圈之间设置有磁场屏蔽金属条，可以有效的屏蔽不同码道间的磁场耦合，最大化的减少相邻线圈间相互干扰。
19.进一步地，所述滑动模块包括电源管理单元、主控单元、驱动单元和输出单元；所述主控单元主要由mcu、实时计数器、捕获比较计数器、通讯接口、lcd驱动电路、i/o接口电路和石英晶振组成；所述驱动单元主要由模拟开关、lc振荡电路组成，所述电感线圈属于lc振荡电路的一部分；所述输出单元主要由液晶屏、ttl通讯模块和外部usb组成。
20.优选地，为了节约电能，模拟开关和振荡电路的电源是可以控制的，只有当需要时，才会工作。
21.进一步地，所述传感器排列方式为线形或环形排列。
22.相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：1、绝对定位准确，大小周期交叉识别验算可以实现大小周期值的精准稳定识别，周期判定精准稳定。
23.2、量程大，通过辅助识别码的线圈值域组合方式的不同可以将大周期数量提升很多，根据实际需求可以实现1000cm及以上的量程。应用范围广，可以在一些量程大的仪器仪表例如机床标尺等。
24.3、精度高，对于制作工艺的要求低。不同码道的线圈排列有一定的间距，同时设置有磁场屏蔽金属条，可以有效的屏蔽不同码道间的磁场耦合，最大化的减少相邻线圈间相互干扰。同时测量码道线圈同相位交叉串联可以很好的降低误差，两个测量码道同时计算位移也可以平均误差，进一步提升精度，弥补了线圈自身宽度比较大造成的误差。
25.4、振荡电路频率采集速度快，响应快，能满足实际实用时的拉动速度需求，无速度误差。
附图说明
26.图1为本发明总体结构原理图。
27.图2为本发明的一种电感线圈结构图。
28.图3为本发明的一种线圈排列位置图。
29.图4为本发明测量单元相距λ/4示意图。
30.图5为本发明的一种大周期辅助识别码线圈和测量单元测量码线圈的结构图。
31.图6为本发明的一种定轨上反射体结构图。
32.图7为本发明的一种电感线圈和定轨反射导体的相对位置结构图。
33.图8为本发明相邻电感线圈振荡频率相减后的频率差值位移曲线图。
34.图9为本发明大周期辅助识别码线圈相对定轨上反射导体滑动一个波长的4种频率变化情况。
35.图10为本发明大周期辅助识别码线圈从反射体的上方位移到无反射体上方频率
的变化图。
36.图11为本发明该传感器的工作流程图。
37.图12为本发明一个大周期的环形角位移传感器的反射体和线圈的一种排列方式图。
具体实施方式
38.为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
39.如图1所示，电磁感应位移传感器包含定轨1、电感线圈2(电感线圈是lc振荡电路的一部分)和滑动模块。
40.电感线圈2和定轨1上的金属反射导体3相对滑动，线圈电感会发生变化，将电感l的变化转换为输出电流频率的f的变化，从而实现位移测量。具体表现为当线圈中通过高频交流电的时候在其周围空间产生相应的交变的磁场，交变的磁场作用在金属反射导体上产生相应的感生电涡流，该感生电涡流又产生了跟原电感线圈磁场变化方向相反的感生磁场，该感生磁场反作用于电感线圈产生的交变磁场从而使线圈的电感参数发生改变，当电感线圈在定轨上做相对移动时，定轨上的金属片和电感线圈重合面积的变化会影响电感的电感值，从而影响lc振荡系统的振荡频率值的变化。主控芯片对lc振荡信号的频率值进行采集、计算处理并判断，进而获得对应的位移值，然后通过lcd驱动模块，将测得结果显示在lcd屏上。
41.具体地：如图1所示，滑动模块包括驱动单元、主控单元、输出单元；主控单元由mcu、实时计数器、捕获比较计数器、通讯接口、lcd驱动电路、i/o接口电路和石英晶振组成；驱动单元由模拟开关、lc振荡电路组成，板载电感线圈属于lc振荡电路的一部分；输出单元由液晶屏、ttl通讯模块和外部usb组成。其中主控单元通过实时计数器与模拟开关相连，给模拟开关下达开关的指令，模拟开关与电感线圈相连，模拟开关的开和断控制lc振荡电路的起振时间，捕获比较计数器与lc振荡电路和mcu相连，捕获比较计数器把一定时间范围内lc振荡电路的电压脉冲计数出来传送到mcu，通过对电压脉冲的计数从而获得lc振荡电路的振荡频率，经由mcu对lc振荡电路的振荡频率的数据分析计算得出位移值通过lcd驱动电路输出显示在液晶屏上。石英晶体的作用是为了使实时计数器获得非常精准的时间，进而获得较为准确的频率，减少采集误差。
42.为了节约电能，振荡电路的电源是可以控制的，只有当需要时，振荡电路才工作。
43.为了节约电能，模拟开关部分的电源同样是受控的，只有当需要时才会供电。
44.同时通过软件设计了自动关机的功能，当扫描到当前位置下数据一段时间内没有变化默认为位移为静止状态，当静止状态超过设定的时间即自动关机。
45.如图6所示，定轨1包含三个相互平行的码道，其中有两个码道为测量码道，分别为测量码道1-1和测量码道1-2，同时这两个测量码道又是小周期定位码道，另一个码道是大周期辅助识别码道1-3且同时也是小周期辅助验算码道后面称之为大周期辅助识别码道。每个测量码道上等间距排列着大小形状相同的反射导体，反射导体有一定的厚度，两个测量码道上的反射导体高度相同，宽度不相等。测量码道1-1和测量码道1-2的反射体5和反射
体6中心距即测量波长分别为λ1和λ2，两个测量码道上反射导体的间距为半波长，分别为λ1/2和λ2/2，其中λ1《λ2。大周期辅助识别码道1-3按照特定的编码规则排列着反射导体7，这些反射导体的高度相同，宽度为测量波长λ1的整数倍nλ1(n=1，2，3...)，反射导体的间距也是测量波长的整数倍nλ1(n=1，2，3...)。大周期辅助识别码道上反射导体与测量码道1的测量波长周期λ1一一对应关系，即大周期辅助识别码道1-3的反射导体的起始和结束位置与测量码道1-1上的反射体的起始与结束位置对齐。
46.如图2所示，电感线圈2包含相互平行的两个测量码线圈2-1、2-2和一个大周期辅助识别码线圈2-3。测量码线圈2-1波长是λ1，测量码线圈2-2波长是λ2，金属条4是防止相邻码道线圈磁场耦合。
47.两个测量码线圈2-1、2-2分别置于定轨1上的测量码轨道上方，测量码线圈滑动时相对定轨上的测量码反射导体滑动。测量码线圈的大小与对应的定轨上的反射体大小相同。测量码线圈由两个以上测量单元构成，每个测量单元由4个线圈构成，测量单元内相邻线圈的中心距分别为λ/2、λ3/4、λ/2，测量单元内的线圈与线圈的相对位置是固定的，测量单元内前两个测量线圈相邻排列构成反向相位，测量单元内后两个测量线圈相邻排列构成反向相位，测量单元内中间两个测量线圈间距为nλ/4。
48.大周期辅助识别线圈2-3置于定轨1上大周期辅助识别码道1-3上方，大周期辅助识别线圈大小相同间距相等与定轨上的周期辅助识别码道上反射导体的高度一致，大周期辅助识别线圈的宽度小于大周辅助期辅助识别码上最短反射导体的宽度，线圈的宽度大约是最短反射导体宽度的2/3（由于相邻线圈磁场间会相互耦合，所以大周期辅助识别线圈与线圈之间需要保持一段距离来防止磁场耦合，从而使得每组线圈的的频率值更为精准，有利于周期判定），每个线圈的中心距为λ1。大周期辅助识别码线圈的中心与测量码波长的中心位置延轨道滑动方向对齐，同时大周期辅助识别码线圈的中心与测量码线圈的边或中心延轨道滑动方向对齐。
49.如图4所示，测量单元内的线圈与其他测量单元内数字相同的线圈串联在一起，这些线圈同相交叉串联在一起为一个大线圈，根据精度的要求可以增加测量单元，两个测量单元之间相距nλ/4。图3为电感线圈分布图，图中数字相同的线圈串联在一起，
①②③④⑤⑥⑦⑧
线圈是测量码线圈，
⑨⑩
到
⑭
的线圈是大周期辅助识别码线圈。图6的左图是6个大周期辅助识别码线圈和2个测量单元测量码线圈的结构图，右图是8个大周期辅助识别码线圈和3个测量单元测量码线圈的结构图。
50.如图11所示，本发明的电磁感应位移传感器，工作流程为：1、分别计算两个测量码道的相位φ1，φ2和小周期内位移yλ1和yλ2。
51.1.1、测量码道1-1：每个测量单元有4个线圈一、二、三、四，每个线圈由两个以上测量单元里的同相位的线圈串联在一起，测量单元内线圈一和线圈二相邻且中心距为λ/2，相位相反，线圈三和线圈四相邻且中心距为λ/2，相位相反，线圈一与线圈二采集的频率值相减可以很好的去除耦合共模误差，得到一条相对平滑的频率曲线f21，线圈三与线圈四采集的频率值相减可以很好的去除耦合共模误差，也得到一条相对平滑的曲线f43，曲线f21和曲线f43都是正弦曲线，且相差四分之一周期（如图8）。
52.1.2、测量码道1-2：同测量码道1-1的排列方式是一样的，每个测量单元有4个线圈五、六、七、八，每个线圈由两个以上测量单元里的同相位的线圈串联在一起，测量单元内线
圈五和线圈六相邻且中心距为λ/2，相位相反，线圈七和线圈八相邻且中心距为λ/2，相位相反，线圈五与线圈六采集的频率值相减可以很好的去除耦合共模误差，得到一条相对平滑的频率曲线f65，线圈七与线圈八采集的频率值相减可以很好的去除耦合共模误差，也得到一条相对平滑的曲线f87，曲线f65和曲线f87都是正弦曲线，且相差四分之一周期。
53.1.3、测量码道1-1通过反正切计算得出当前点的周期内的角度，从而计算测量码道1-1周期内的位移。测量码道1-2通过反正切计算得出当前点的周期内的角度，从而计算测量码道1-2周期内的位移。
54.当传感器线圈沿着定轨滑动产生位移时，主控单元捕捉到测量码线圈的频率分别为f1，f2，f3，f4，f5，f6，f7，f8。分别计算一对线圈频率的差值，f21=f2-f1，f43=f4-f3，f65=f6-f5，f87=f8-f7，通过计算f21与f43的比值的反正切值可以以得出测量码道1-1周期内位移的角度相位值θ1，计算f65与f87的比值的反正切值可以以得出测量码道1-2周期内位移的角度相位值θ2，由于θ的取值在[-π/2，π/2]之间，计算的θ值不一定等于实际值，需要进一步做处理。
[0055]
对于测量码道1-1定义cosθ=f21，sinθ=f43；对于测量码道1-2定义cosθ=f65，sinθ=f87；如果cosθ》0，表示此时在1，4象限；如果θ》0.表示结果在第一象限，则φ=θ。
[0056]
如果θ《0,表示结果在第四象限，则φ=θ+2π。
[0057]
如果cosθ《0，表示此时在2，3象限则φ=θ+π。
[0058]
如果cosθ=0,表示φ=π/2或者φ=3π/2。
[0059]
当f6《0,则φ=3π/2。
[0060]
否则φ=π/2。
[0061]
通过以上计算分别得出测量码道1-1的相位角为φ1,测量码道1-2的相位角为φ2，从而得出测量码道1-1的周期内位移值yλ1，yλ1=λ1*φ1/2/π。
[0062]
从而得出测量码道1-2的周期内位移值yλ2，yλ2=λ2*φ2/2/π。
[0063]
2、根据两个测量码道的相位差计算小周期值n1，n2测量码道1-1的波长比测量码道1-2的波长小，两条码道上延定轨滑动方向均匀排列反射体，每增加排列一个反射体，测量码道1-1的反射体的位置领先于测量码道1-2距离设为d，d=λ2-λ1。当增加的距离累加到n1max1*d=λ2的时候，一个小周期排列完整，同时满足n2max2*d=λ1，两个测量码道线圈每个小周期内的相位差从第一周期按照一定的规律开始逐渐增大，根据两个测量码道线圈的相位差值编写各个周期的不同位移区间段的小周期相位差值表。详情见下表以实施例1为例的小周期相位差值表。
max1-n2max2）/n1max1=1/n1max1。
[0066]
3、计算小周期的位移值yp1，yp1yp1=λ1*φ1/2/π+(n1-1)λ1；yp2=λ2*φ2/2/π+(n2-1)λ2；对yp1和yp2求平均值得到小周期的位移值为y，可以平均误差。
[0067]
4、确定大周期值d（如图9、图10）当滑动模块延定轨滑动一个测量波长λ1，大周期辅助识别码道的线圈刚好滑动段波长λ1。根据排列方式的不同，大周期辅助识别码的线圈的频率值呈现3种变化形式。
[0068]
当大周期辅助识别码线圈处于有反射体的上方，且滑动一个波长λ1的过程种都处于有反射体的上方，即与线圈面积重合的反射体一直处于完整的线圈面积的时候，大周期辅助识别码线圈的频率值基本保持不变处于一个高值a，即从a到a。
[0069]
当大周期辅助识别码线圈处于无反射体的上方，且滑动一个波长λ1的过程种都处于无反射体的上方，即与线圈与反射体面积不重合，大周期辅助识别码线圈的频率值基本保持不变处于一个低值c，即从c到c。
[0070]
当大周期辅助识别码线圈从有发射体的上方滑动到无反射体的上方，滑动一个波长λ1时大周期辅助识别码线圈的频率值从a变化到b再变化到c。
[0071]
当大周期辅助识别码线圈从无发射体的上方滑动到有反射体的上方，滑动一个波长λ1时大周期辅助识别码线圈的频率值从c变化到b再变化到a。
[0072]
将大周期滑动段波长λ1分为3个区间段，0—1/3*λ1，1/3*λ1—2/3*λ1，2/3*λ1—λ1；设区间段：0—1/3*λ1，周期辅助识别码的频率值正常范围为a
±
x1，c
±
x2；设区间段：1/3*λ1—2/3*λ1,周期辅助识别码的频率值正常范围为a
±
x1，b
±
x3，c
±
x2；设区间段：2/3*λ1—λ1，周期辅助识别码的频率值正常范围为a
±
x1，c
±
x2。
[0073]
根据小周期值编写与每个小周期值对应的大周期值的各个周期辅助识别码线圈的三个波长区间段的正常范围值域表，该表与大周期辅助识别码的反射体的排列方式有关。详情见下表以图6中6个大周期辅助识别码线圈为例的大周期值域表。
[0074]
根据小周期值n1找出对应的每个大周期d1n1, d2n1,.. dmaxn1的各个线圈的值域表，大周期辅助识别码的各线圈实际值与每个大周期对应值域表进行比对，只要大周期辅助识别码的各线圈实际值与一个大周期各线圈的值域表完全匹配，则立即输出大周期值d，反之大周期辅助识别码的各线圈实际值与所有d1n1，d2n1，.. dmaxn1大周期各线圈的值域表不完全匹配则重新采集频率信号重新计算周期值。
[0075]
5、计算位移yy=y+(d-1)*p周期辅助识别码道线圈的数量根据量程的需求来选择：设线圈的数量为q，最大量程w=2q*λ1。
[0076]
实施例1λ1=5.27mm，λ2=5.44mm，n1 max1=32，n2 max2=31。
[0077]
当线圈的数量q=6的时候，最大量程为 w=26*5.27=337.28mm。
[0078]
当线圈的数量q=7的时候，最大量程为 w=27*5.27=674.56mm。
[0079]
当线圈的数量q=8的时候，最大量程为 w=28*5.27=1349.12mm。
[0080]
小周期值n1的值是从1到32的整数；小周期值n2的值是从1到32的整数；大周期值d是从1到8的整数，(dmax= 2
8 /32 =8)。
[0081]
测量码道1-1的小周期最大值计算，（n1 max1-1）*λ2= n1 max1* λ1,得出n1 max1=32。
[0082]
测量码道1-2的小周期最大值n2 max2*λ2= (n2 max2+1)* λ1, 得出n2 max2=31。
[0083]
n2 max2= n1 max1-1。
[0084]
由此得出小周期的量程为p= n1 max1*5.27= n2 max2*5.44=168.64mm。
[0085]
如图12所示为本发明传感器另一种排列方式：一个大周期的环形角位移传感器的反射体和线圈。
[0086]
其工作流程与上述线性位移传感器整体一致，仅在于小周期位移计算中将位移波长值λ换成角位移波长值θ：测量码道1-1的周期内角位移值yθ1，yθ1=θ1*φ1/2/π。
[0087]
测量码道1-2的周期内位移值yθ2，yθ2=θ2*φ2/2/π。
[0088]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。