CN114777637B - 一种双层正弦补偿式时栅角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双层正弦补偿式时栅角位移传感器，包括转子和与转子正对平行且留有气隙的定子；转子包括转子基体、感应单元和转子绝缘层；定子包括定子基体、激励单元和定子绝缘层。激励单元包括三个扇区，每个扇区都包括第一、第二激励线圈，相邻两个扇区沿周向间隔

每个扇区内第一、第二激励线圈沿周向间隔

第一、第二激励线圈中分别通入正弦、余弦激励信号激励，能有效增强感生磁场强度，有利于提高传感器的测量精度。感应线圈采用双层结构，采用平面正弦环曲线进行绕制，能增强感应强度，提高感应信号质量，进一步提高传感器的测量精度。

Description

一种双层正弦补偿式时栅角位移传感器

技术领域

本发明属于精密角位移测量传感器技术领域，具体涉及一种双层正弦补偿式时栅角位移传感器。

背景技术

近年来，国内研制出一种利用时钟脉冲Δt构成测量基准的位移传感器(即时栅位移传感器)，其分辨率不依赖于超高精度刻线，而取决于高频时钟脉冲所对应的空间当量。

目前，已经研制出的磁场式时栅角位移传感器包括机加工线槽式位移传感器和MEMS工艺形式传感器，机加工线槽式传感器加工成本高，提高对极数的难度大，MEMS工艺传感器成本低且加工精度高，相较于机加工线槽式角位移传感器，利用MEMS工艺制造角位移传感器已具有明显优势。但是采用MEMS工艺绕制传感器线圈是在平面上绕制，其绕线匝数有限，励磁效果以及感应信号强度相对较低，致使感应信号信噪比较低，同时采用单层式绕线会带来感应磁场均匀度下降问题，影响传感器测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种双层正弦补偿式时栅角位移传感器，以增强励磁效果和感应信号强度，提高信号的信噪比，提高传感器的测量精度。

本发明所述的双层正弦补偿式时栅角位移传感器，包括转子和与转子正对平行且留有气隙的定子；所述转子包括转子基体、设在转子基体上的感应单元和覆盖在感应单元上的转子绝缘层；所述定子包括定子基体、设在定子基体上的激励单元和覆盖在激励单元上的定子绝缘层。

所述激励单元包括沿周向均匀排布的三个扇区，每个扇区都包括第一激励线圈和第二激励线圈，相邻两个扇区沿周向间隔的圆心角为

每个扇区内第一激励线圈与第二激励线圈沿周向间隔的圆心角为/>

第一激励线圈由第一导线段和第二导线段构成，第一导线段、第二导线段分别布于两层，第一导线段沿曲线/>

绕制，第二导线段沿曲线/>

绕制。第二激励线圈由第三导线段和第四导线段构成，第三导线段、第四导线段分别布于两层，第三导线段沿曲线

绕制，第四导线段沿曲线/>

绕制。其中，b＞a，第一激励线圈的径向高度为b-a、第二激励线圈的径向高度为b-a，W表示第一激励线圈、第二激励线圈的周期，i依次取0至M-1的所有整数，M表示激励单元的对极数(也等于第一激励线圈的周期个数，也等于第二激励线圈的周期个数)。

所述感应单元与激励单元正对平行，感应单元包括感应线圈，感应线圈由第一正弦形线圈和第二正弦形线圈串联形成，第一正弦形线圈和第二正弦形线圈分别布于两层，且其起始端通过引线连接、终止端作为感应信号输出端。

所述第一导线段、第二导线段中分别通入方向相反的正弦激励电流，所述第三导线段、第四导线段中分别通入方向相反的余弦激励电流，当转子相对于定子转动时，感应线圈输出感应信号，经处理得到转子相对于定子的角位移值。

优选的，所述第一正弦形线圈为非闭合线圈，且沿曲线

t∈[0，2π]绕制形成，第一正弦形线圈的起始端与终止端接近但不重合，第二正弦形线圈的结构与第一正弦形线圈的结构相同，且同轴绕制，第二正弦形线圈的起始位置与第一正弦形线圈的起始位置沿周向错开的圆心角为/>

其中，R表示曲线f₅的基圆半径，A表示曲线f₅的幅值，n表示第一正弦形线圈的周期个数，第一正弦形线圈的周期等于W(W也是角位移传感器节距)。

优选的，所述感应线圈输出的感应信号(为一路行波信号，该路行波信号)与激励信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到转子相对于定子的角位移值。

优选的，所述感应线圈输出的感应信号先经滤波放大电路滤波、放大后，再与激励信号经整形电路整形成方波，而后再进行比相。

本发明具有如下效果：

(1)激励单元包括三个扇区，每个扇区都包括第一激励线圈和第二激励线圈(总共六组激励线圈)，相邻两个扇区沿周向间隔

每个扇区内第一激励线圈与第二激励线圈沿周向间隔/>

第一激励线圈中通入正弦激励信号激励，第二激励线圈中通入余弦激励信号激励；由此，通过通入正余弦信号和上述空间布局，每个扇区可产生λ₀的感生磁场强度，三个扇区总共产生3λ₀的感生磁场强度，从而有效增强了感生磁场强度，有利于提高传感器的测量精度。

(2)六组激励线圈均采用双层互补型结构进行绕制，单极距内形成空间封闭结构，有效增强了励磁效果，结合上述空间布局，增强了感生磁场均匀度，提高了传感器的测量精度。

(3)感应线圈采用双层结构，第一正弦形线圈和第二正弦形线圈沿曲线f₅绕制(即采用平面正弦环曲线进行绕制)，第一正弦形线圈与第二正弦形线圈沿周向间隔

从而补偿了单层平面正弦环未布线区域，增强了感应强度，提高了感应信号质量，提高了信号的信噪比，进一步提高了传感器的测量精度。

附图说明

图1为本实施例中双层正弦补偿式时栅角位移传感器的结构示意图。

图2为本实施例中某时刻感应单元与激励单元正对的位置关系图。

图3为本实施例中激励单元的绕线示意图。

图4为本实施例中激励单元在定子基体上的布置示意图。

图5为本实施例中某时刻第一激励线圈中的激励电流走向示意图。

图6为本实施例中感应单元的绕线示意图。

图7为本实施例中感应单元在转子基体上的布置示意图。

图8为本实施例中的信号处理原理框图。

具体实施方式

如图1至图8所示，本实施例中的双层正弦补偿式时栅角位移传感器，包括转子1和与转子1正对平行且留有0.4mm气隙(间隙)的定子2。

如图1至图5所示，定子2包括定子基体21、设在定子基体21上的激励单元和覆盖在激励单元上的定子绝缘层22，定子绝缘层22可以避免激励单元裸露。定子基体21的厚度为1mm、外圆直径为70mm，采用非导磁体材料，定子绝缘层22的厚度为0.15mm。

激励单元包括沿周向均匀排布的三个扇区，每个扇区所对的圆心角为107.5°，每个扇区都包括第一激励线圈和第二激励线圈，相邻两个扇区沿周向间隔的圆心角为12.5°(W＝10°)，每个扇区内第一激励线圈与第二激励线圈沿周向间隔的圆心角为7.5°。第一激励线圈由第一导线段23和第二导线段24构成，第一导线段23、第二导线段24分别布于两层且在轴向正对平行，第一导线段23沿曲线

绕制，第二导线段24沿曲线/>

绕制。第二激励线圈由第三导线段25和第四导线段26构成，第三导线段25、第四导线段26分别布于两层且在轴向正对平行，第三导线段25沿曲线/>

绕制，第四导线段26沿曲线/>

绕制。其中，b＞a，第一激励线圈的径向高度为b-a、第二激励线圈的径向高度为b-a，W表示第一激励线圈的周期(也是第二激励线圈的周期)，i依次取0至M-1的所有整数，M表示激励单元的对极数(也等于第一激励线圈的周期个数，也等于第二激励线圈的周期个数)。本实施例中M的取值为5，a＝20mm，b＝30mm。

如图1、图2、图6、图7所示，转子1包括转子基体11、设在转子基体11上的感应单元和覆盖在感应单元上的转子绝缘层12，转子绝缘层12可以避免感应单元裸露，转子绝缘层12、定子绝缘层22还可以隔离激励单元和感应单元，避免二者直接导通。转子基体11的厚度为1mm、外圆直径D＝70mm，采用非导磁体材料，转子绝缘层12的厚度为0.15mm。

感应单元包括感应线圈，感应线圈由第一正弦形线圈13和第二正弦形线圈14串联形成。第一正弦形线圈13为非闭合线圈，且沿曲线

t∈[0，2π]绕制形成，第一正弦形线圈13的起始端与终止端接近但不重合，第二正弦形线圈14的结构与第一正弦形线圈13的结构相同，且同轴绕制，第二正弦形线圈14的起始位置与第一正弦形线圈13的起始位置沿周向错开的圆心角为5°。第一正弦形线圈13和第二正弦形线圈14分别布于两层且在轴向正对平行，第一正弦形线圈13的起始端和第二正弦形线圈14的起始端通过引线连接，第一正弦形线圈13的终止端和第二正弦形线圈14的终止端作为感应信号输出端。其中，R表示曲线f₅的基圆半径，A表示曲线f₅的幅值，n表示第一正弦形线圈13的周期个数，第一正弦形线圈13、第二正弦形线圈14的周期也等于10°(10°也是角位移传感器节距)。本实施例中，R＝25mm，A＝4mm，n＝36。

如图2所示，感应单元与激励单元在轴向上正对平行。第一导线段23中通入激励电流I₁＝I_maxsin(ωt)，第二导线段24中通入激励电流I₂＝-I_maxsin(ωt)，第三导线段25中通入激励电流I₃＝I_maxcos(ωt)(对应于激励信号U₃)，第四导线段26中通入激励电流I₄＝-I_maxcos(ωt)。第一导线段23中通入的激励电流与第二导线段24中通入的激励电流流动方向相反，第三导线段25中通入的激励电流与第四导线段26中通入的激励电流流动方向相反，在每个对极内可形成双层互补型结构，能增强感生磁场强度且提高磁场均匀度。

当仅通入激励电流I₁、I₂时，感应线圈中输出的感应信号经滤波放大电路滤波、放大后，得到电动势e_sin：

当仅通入激励电流I₃、I₄时，感应线圈中输出的感应信号经滤波放大电路滤波、放大后，得到电动势e_cos：

如图8所示，测量时，转子1相对于定子2转动，同时通入激励电流I₁、I₂、I₃、I₄，感应线圈中输出的感应信号经滤波放大电路滤波、放大后，得到一路行波信号U_o：

其中，ω为激励信号频率，/>

λ为比例常数，I_max为激励电流幅值，k＝k_φω，θ表示转子1相对于定子2转动的角度(即角位移值)。

行波信号U_o与激励信号U₃同频率，U_o的相位随着感应线圈的运动发生周期性变化，将行波信号U_o与激励信号U₃接入整形电路，整形成方波后，再送入FPGA进行比相、换算，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到转子1相对于定子2转动的角位移值θ。

Claims (4)

1.一种双层正弦补偿式时栅角位移传感器，包括转子(1)和与转子正对平行且留有气隙的定子(2)，所述转子(1)包括转子基体(11)、设在转子基体上的感应单元和覆盖在感应单元上的转子绝缘层(12)，所述定子(2)包括定子基体(21)、设在定子基体上的激励单元和覆盖在激励单元上的定子绝缘层(22)；其特征在于：

所述激励单元包括沿周向均匀排布的三个扇区，每个扇区都包括第一激励线圈和第二激励线圈，相邻两个扇区沿周向间隔的圆心角为

每个扇区内第一激励线圈与第二激励线圈沿周向间隔的圆心角为/>

第一激励线圈由第一导线段(23)和第二导线段(24)构成，第一导线段(23)、第二导线段(24)分别布于两层，第一导线段(23)沿曲线/>

绕制，第二导线段(24)沿曲线/>

绕制；第二激励线圈由第三导线段(25)和第四导线段(26)构成，第三导线段(25)、第四导线段(26)分别布于两层，第三导线段(25)沿曲线/>

绕制，第四导线段(26)沿曲线/>

绕制；其中，b＞a，W表示第一、第二激励线圈的周期，i依次取0至M-1的所有整数，M表示激励单元的对极数；

所述感应单元与激励单元正对平行，感应单元包括感应线圈，感应线圈由第一正弦形线圈(13)和第二正弦形线圈(14)串联形成，第一正弦形线圈(13)和第二正弦形线圈(14)分别布于两层，且其起始端通过引线连接、终止端作为感应信号输出端；

所述第一导线段(23)、第二导线段(24)中分别通入方向相反的正弦激励电流，所述第三导线段(25)、第四导线段(26)中分别通入方向相反的余弦激励电流，当转子(1)相对于定子(2)转动时，感应线圈输出感应信号，经处理得到转子(1)相对于定子(2)的角位移值。

2.根据权利要求1所述的双层正弦补偿式时栅角位移传感器，其特征在于：所述第一正弦形线圈(13)为非闭合线圈，且沿曲线

绕制形成，第一正弦形线圈(13)的起始端与终止端接近但不重合，第二正弦形线圈(14)的结构与第一正弦形线圈(13)的结构相同，且同轴绕制，第二正弦形线圈(14)的起始位置与第一正弦形线圈(13)的起始位置沿周向错开的圆心角为/>

其中，R表示曲线f₅的基圆半径，A表示曲线f₅的幅值，n表示第一正弦形线圈(13)的周期个数。

3.根据权利要求1或2所述的双层正弦补偿式时栅角位移传感器，其特征在于：所述感应线圈输出的感应信号与激励信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，经换算后得到转子(1)相对于定子(2)的角位移值。

4.根据权利要求3所述的双层正弦补偿式时栅角位移传感器，其特征在于：所述感应线圈输出的感应信号先经滤波放大电路滤波、放大后，再与激励信号经整形电路整形成方波，而后再进行比相。

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