時(shí)柵位移傳感技術(shù)

時(shí)柵位移傳感技術(shù)———磁場(chǎng)式時(shí)柵位移傳感器成員：XXX、XXX概述位移(直線位移或角位移)測(cè)量是最基本、最普遍的測(cè)量。在大量程位移測(cè)量中為了兼顧分辨力和量程，許多傳感器采用了柵式結(jié)構(gòu)，如光柵、磁柵、容柵、齒柵、感應(yīng)同步器等，利用其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中某些物理量有規(guī)律的周期性變化而形成沿空間均勻分布的“柵線”從而可以通過(guò)對(duì)柵線的計(jì)數(shù)而得到位移量。背景分析現(xiàn)有的柵式位移傳感器，依賴(lài)的是基于超精密機(jī)械加工的高精度空間刻劃技術(shù)，而柵線數(shù)難以進(jìn)一步提高，只能依靠電子細(xì)分，從而引起成本、可靠性、抗干擾力等方面的問(wèn)題，直到時(shí)柵位移傳感器的誕生。

事實(shí)上，對(duì)于一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，已經(jīng)可以借用時(shí)間t去測(cè)量空間x如下面公式：

式中，Pt為為離散化的時(shí)間脈沖。這樣我們就可以理解為：通過(guò)常量V已經(jīng)使得Pt具有空間意義,所以可以通過(guò)對(duì)Pt的計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)x的測(cè)量。但是客觀實(shí)際中大量存在的運(yùn)動(dòng)是非勻速的，有時(shí)還是間斷和變方向等各種不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，對(duì)此式并無(wú)實(shí)用意義。在時(shí)柵問(wèn)世之前，之前的位移傳感器都是基于這個(gè)原理做出來(lái)的。傳感器按非調(diào)制方式工作，每通過(guò)一個(gè)柵距W產(chǎn)生一個(gè)脈沖Px,對(duì)其累積計(jì)數(shù)再乘以脈沖當(dāng)量W即可得到x。這種方法的測(cè)量精度和分辨力依賴(lài)于W,與t和v無(wú)關(guān)，為此人們追求刻線更密、更精確。小狗移動(dòng)的距離=柵數(shù)x柵距(D=N*H)時(shí)柵位移傳感技術(shù)原理事實(shí)上，“用時(shí)間測(cè)量空間”的思想久已有之。在古時(shí)候，就有“跑馬圈地”的做法，即用一匹馬跑一炷香的時(shí)間，代表對(duì)所需要距離的丈量。人們?cè)谔煳膶W(xué)中更是習(xí)慣用光年來(lái)表示距離的量度。時(shí)：時(shí)間，或者是時(shí)鐘脈沖信號(hào)柵：柵欄思想實(shí)驗(yàn)-火車(chē)相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量原理-圖

思想實(shí)驗(yàn)在圖中，火車(chē)a以速度v在地面行駛，為測(cè)量其位移，帶地面上設(shè)立一標(biāo)志桿，依次對(duì)經(jīng)過(guò)的車(chē)廂邊緣進(jìn)行觀測(cè)。這時(shí)是以大地為參照物，按經(jīng)過(guò)的火車(chē)數(shù)進(jìn)行累加。特點(diǎn)是：測(cè)量過(guò)程不受v和t的影響,過(guò)一節(jié)車(chē)廂累加1;測(cè)量的分辨力受限于車(chē)廂的長(zhǎng)度W。而在圖1-25b中，我們?cè)O(shè)想火車(chē)a行駛在另一列以勻速V行駛的具有相同車(chē)廂長(zhǎng)度的火車(chē)b上,并且是以b為運(yùn)動(dòng)參照坐標(biāo)系,即要測(cè)量a相對(duì)于b的位移x。這時(shí)在大地上的標(biāo)志桿應(yīng)視為設(shè)在另一個(gè)靜止的坐標(biāo)系上的一個(gè)考查點(diǎn)。測(cè)量方法是：依次考查火車(chē)a和b車(chē)廂邊緣到達(dá)標(biāo)志桿的時(shí)間Ti和To,于是根據(jù)圖1-25b和c可以推算出:而這段時(shí)間內(nèi),a相對(duì)于b的位移正是和累加的公式一樣，這里也實(shí)現(xiàn)了用時(shí)間脈沖累加來(lái)求取空間位移，火車(chē)a的位移為：S=X+V.To（1）這里是對(duì)非勻速運(yùn)動(dòng)的測(cè)量，具有實(shí)用意義。（2）測(cè)量需要建立在一個(gè)恒速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系上，另有一個(gè)靜止的坐標(biāo)系及考查點(diǎn)。（3）測(cè)量與v無(wú)關(guān)，無(wú)論它是變化的、變向的或是間斷的，測(cè)量只與被測(cè)物在采樣當(dāng)時(shí)的位置有關(guān)。時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論（簡(jiǎn)稱(chēng)TST理論）在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩套坐標(biāo)系中，一套坐標(biāo)系上的位置之差（位移）表現(xiàn)為另一套坐標(biāo)系上觀察點(diǎn)所觀察到的時(shí)間之差。因此，為了實(shí)現(xiàn)用時(shí)間測(cè)量質(zhì)點(diǎn)P的空間位移，采用靜止和以恒速V運(yùn)動(dòng)的兩套坐標(biāo)系，其中一套坐標(biāo)系帶有固定的時(shí)間考察點(diǎn)。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)P有位移并用其中一套坐標(biāo)系表示，其大小等于P點(diǎn)和該系參考點(diǎn)分別到達(dá)另一套坐標(biāo)系的時(shí)間考查點(diǎn)的采樣時(shí)間Ti和參考時(shí)間To之差與V的乘積，即x=V(Ti-To)。其中運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系可由以To為固定周期的時(shí)間坐標(biāo)系配合以W為固定間隔的空間靜止坐標(biāo)系等效代替!兩種坐標(biāo)系的關(guān)系為V=W/To。這就是著名的時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論（簡(jiǎn)稱(chēng)TST理論）其內(nèi)涵有三點(diǎn)：（1）建立帶時(shí)間考查點(diǎn)的相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)雙坐標(biāo)系，則一個(gè)坐標(biāo)系上的位置之差（位移），表現(xiàn)為另一個(gè)坐標(biāo)系上觀察到的時(shí)間之差。（2）通過(guò)建立勻速運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，把對(duì)被測(cè)物體的勻速要求，轉(zhuǎn)化為對(duì)傳感器的勻速要求，使得用時(shí)間測(cè)變速運(yùn)動(dòng)物體的位移空間成為可能。（3）在一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中，時(shí)間（時(shí)鐘脈沖）具有唯一的空間當(dāng)量，就是V。（4）測(cè)量屬于位置測(cè)量，與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度v無(wú)關(guān)。在TST系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再輔以時(shí)鐘脈沖源,微處理器及相應(yīng)電路,即構(gòu)成一個(gè)完整的時(shí)柵傳感器。時(shí)柵位移傳感器原理框圖如下圖

在時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論下，發(fā)明了多種時(shí)柵位移傳感器，例如：差頻式時(shí)柵、單齒式時(shí)柵、場(chǎng)式時(shí)柵、變耦變壓器式時(shí)柵等。今天和大家一起分享其中的一種—磁場(chǎng)式時(shí)柵。顧名思義，這種時(shí)柵是以磁場(chǎng)產(chǎn)生的勻速坐標(biāo)系S’,如下圖眾所周知，當(dāng)三相電機(jī)中按空間120度均分的三相定子繞組通以按時(shí)間120度均分的三相交流電流時(shí)，在電機(jī)的定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈之間的氣隙中將形成一個(gè)行波磁場(chǎng)，即常說(shuō)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速(K為電機(jī)極對(duì)數(shù),是一定值f為電源頻率）稱(chēng)為同步轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)子上開(kāi)一個(gè)槽，埋一根導(dǎo)線作為動(dòng)測(cè)頭a在定子線圈空隙處埋一根導(dǎo)線作為定測(cè)頭b，降低電源電壓使電機(jī)轉(zhuǎn)子自己不轉(zhuǎn)也不發(fā)熱，而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)M,構(gòu)成W=360度的S’勻速坐標(biāo)系。當(dāng)它相繼掠過(guò)動(dòng)、定測(cè)頭導(dǎo)線時(shí)，根據(jù)右手定則，在兩根導(dǎo)線上將分別感應(yīng)出電勢(shì)。當(dāng)我們以任意速度v轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子到任意位置時(shí)，轉(zhuǎn)子與參考點(diǎn)（定子導(dǎo)線）的夾角而另一路信號(hào)：測(cè)頭就隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),動(dòng)測(cè)頭和定測(cè)頭之間產(chǎn)生相對(duì)角位移。該角位移對(duì)應(yīng)于機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)的角位移,在動(dòng)、定測(cè)頭上分別感應(yīng)出電勢(shì)信號(hào),這兩路信號(hào)的頻率是一樣的,而相位不同。定測(cè)頭信號(hào)的初相位是固定的,動(dòng)測(cè)頭信號(hào)的初相位隨動(dòng)測(cè)頭所處位置的不同而不同這兩路信號(hào)的相位差唯一反映了兩測(cè)頭所處的空間位置差。高性能比相電路對(duì)動(dòng)定測(cè)頭的信號(hào)進(jìn)行處理,兩路信號(hào)的相位差經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換成時(shí)間差。如圖2所示,時(shí)鐘脈沖細(xì)分用高頻時(shí)鐘脈沖對(duì)該時(shí)間差進(jìn)行分度。高頻時(shí)鐘脈沖的頻率大約在10MHz以上。每個(gè)時(shí)鐘脈沖對(duì)應(yīng)一定的角位移,對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)就可實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量,可根據(jù)下式

計(jì)算出角位移值現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室磁場(chǎng)式高精度時(shí)柵傳感器現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室磁場(chǎng)式高精度時(shí)柵傳感器參照對(duì)象為世界公認(rèn)最先進(jìn)的德國(guó)海德漢光柵光柵時(shí)柵結(jié)論最高精度圓光柵：0.4’’對(duì)華出口：1’’圓時(shí)柵：0.8’’大致相當(dāng)直線光柵：0.5um對(duì)華出口:2um直線時(shí)柵：0.5um分辨力圓光柵:1’’圓時(shí)柵：0.1’’大大超越直線光柵:1um直線時(shí)柵：0.1um價(jià)格圓光柵:7.5萬(wàn)圓時(shí)柵：2-3萬(wàn)突出優(yōu)勢(shì)直線光柵：2.5萬(wàn)直線時(shí)柵：1-2萬(wàn)可靠性較差抗干擾能力強(qiáng)更為可靠智能化一般高更為先進(jìn)獲獎(jiǎng)情況及評(píng)價(jià)2007年第十屆中國(guó)專(zhuān)利金獎(jiǎng)