時柵位移傳感技術

時柵位移傳感技術———磁場式時柵位移傳感器成員：XXX、XXX概述位移(直線位移或角位移)測量是最基本、最普遍的測量。在大量程位移測量中為了兼顧分辨力和量程，許多傳感器采用了柵式結構，如光柵、磁柵、容柵、齒柵、感應同步器等，利用其運動過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”從而可以通過對柵線的計數而得到位移量。背景分析現有的柵式位移傳感器，依賴的是基于超精密機械加工的高精度空間刻劃技術，而柵線數難以進一步提高，只能依靠電子細分，從而引起成本、可靠性、抗干擾力等方面的問題，直到時柵位移傳感器的誕生。

事實上，對于一個勻速運動的質點，已經可以借用時間t去測量空間x如下面公式：

式中，Pt為為離散化的時間脈沖。這樣我們就可以理解為：通過常量V已經使得Pt具有空間意義,所以可以通過對Pt的計數實現對x的測量。但是客觀實際中大量存在的運動是非勻速的，有時還是間斷和變方向等各種不規(guī)則運動，對此式并無實用意義。在時柵問世之前，之前的位移傳感器都是基于這個原理做出來的。傳感器按非調制方式工作，每通過一個柵距W產生一個脈沖Px,對其累積計數再乘以脈沖當量W即可得到x。這種方法的測量精度和分辨力依賴于W,與t和v無關，為此人們追求刻線更密、更精確。小狗移動的距離=柵數x柵距(D=N*H)時柵位移傳感技術原理事實上，“用時間測量空間”的思想久已有之。在古時候，就有“跑馬圈地”的做法，即用一匹馬跑一炷香的時間，代表對所需要距離的丈量。人們在天文學中更是習慣用光年來表示距離的量度。時：時間，或者是時鐘脈沖信號柵：柵欄思想實驗-火車相對運動測量原理-圖

思想實驗在圖中，火車a以速度v在地面行駛，為測量其位移，帶地面上設立一標志桿，依次對經過的車廂邊緣進行觀測。這時是以大地為參照物，按經過的火車數進行累加。特點是：測量過程不受v和t的影響,過一節(jié)車廂累加1;測量的分辨力受限于車廂的長度W。而在圖1-25b中，我們設想火車a行駛在另一列以勻速V行駛的具有相同車廂長度的火車b上,并且是以b為運動參照坐標系,即要測量a相對于b的位移x。這時在大地上的標志桿應視為設在另一個靜止的坐標系上的一個考查點。測量方法是：依次考查火車a和b車廂邊緣到達標志桿的時間Ti和To,于是根據圖1-25b和c可以推算出:而這段時間內,a相對于b的位移正是和累加的公式一樣，這里也實現了用時間脈沖累加來求取空間位移，火車a的位移為：S=X+V.To（1）這里是對非勻速運動的測量，具有實用意義。（2）測量需要建立在一個恒速運動的坐標系上，另有一個靜止的坐標系及考查點。（3）測量與v無關，無論它是變化的、變向的或是間斷的，測量只與被測物在采樣當時的位置有關。時空坐標轉換理論（簡稱TST理論）在相對運動的兩套坐標系中，一套坐標系上的位置之差（位移）表現為另一套坐標系上觀察點所觀察到的時間之差。因此，為了實現用時間測量質點P的空間位移，采用靜止和以恒速V運動的兩套坐標系，其中一套坐標系帶有固定的時間考察點。當質點P有位移并用其中一套坐標系表示，其大小等于P點和該系參考點分別到達另一套坐標系的時間考查點的采樣時間Ti和參考時間To之差與V的乘積，即x=V(Ti-To)。其中運動坐標系可由以To為固定周期的時間坐標系配合以W為固定間隔的空間靜止坐標系等效代替!兩種坐標系的關系為V=W/To。這就是著名的時空坐標轉換理論（簡稱TST理論）其內涵有三點：（1）建立帶時間考查點的相對勻速運動雙坐標系，則一個坐標系上的位置之差（位移），表現為另一個坐標系上觀察到的時間之差。（2）通過建立勻速運動坐標系，把對被測物體的勻速要求，轉化為對傳感器的勻速要求，使得用時間測變速運動物體的位移空間成為可能。（3）在一個勻速運動坐標系中，時間（時鐘脈沖）具有唯一的空間當量，就是V。（4）測量屬于位置測量，與質點運動速度v無關。在TST系統(tǒng)的基礎上再輔以時鐘脈沖源,微處理器及相應電路,即構成一個完整的時柵傳感器。時柵位移傳感器原理框圖如下圖

在時空坐標轉換理論下，發(fā)明了多種時柵位移傳感器，例如：差頻式時柵、單齒式時柵、場式時柵、變耦變壓器式時柵等。今天和大家一起分享其中的一種—磁場式時柵。顧名思義，這種時柵是以磁場產生的勻速坐標系S’,如下圖眾所周知，當三相電機中按空間120度均分的三相定子繞組通以按時間120度均分的三相交流電流時，在電機的定子線圈和轉子線圈之間的氣隙中將形成一個行波磁場，即常說的旋轉磁場，其轉速(K為電機極對數,是一定值f為電源頻率）稱為同步轉速。在轉子上開一個槽，埋一根導線作為動測頭a在定子線圈空隙處埋一根導線作為定測頭b，降低電源電壓使電機轉子自己不轉也不發(fā)熱，而旋轉磁場M,構成W=360度的S’勻速坐標系。當它相繼掠過動、定測頭導線時，根據右手定則，在兩根導線上將分別感應出電勢。當我們以任意速度v轉動轉子到任意位置時，轉子與參考點（定子導線）的夾角而另一路信號：測頭就隨轉子轉動,動測頭和定測頭之間產生相對角位移。該角位移對應于機械轉臺的角位移,在動、定測頭上分別感應出電勢信號,這兩路信號的頻率是一樣的,而相位不同。定測頭信號的初相位是固定的,動測頭信號的初相位隨動測頭所處位置的不同而不同這兩路信號的相位差唯一反映了兩測頭所處的空間位置差。高性能比相電路對動定測頭的信號進行處理,兩路信號的相位差經測量轉換成時間差。如圖2所示,時鐘脈沖細分用高頻時鐘脈沖對該時間差進行分度。高頻時鐘脈沖的頻率大約在10MHz以上。每個時鐘脈沖對應一定的角位移,對脈沖進行計數就可實現位移測量,可根據下式

計算出角位移值現實驗室磁場式高精度時柵傳感器現實驗室磁場式高精度時柵傳感器參照對象為世界公認最先進的德國海德漢光柵光柵時柵結論最高精度圓光柵：0.4’’對華出口：1’’圓時柵：0.8’’大致相當直線光柵：0.5um對華出口:2um直線時柵：0.5um分辨力圓光柵:1’’圓時柵：0.1’’大大超越直線光柵:1um直線時柵：0.1um價格圓光柵:7.5萬圓時柵：2-3萬突出優(yōu)勢直線光柵：2.5萬直線時柵：1-2萬可靠性較差抗干擾能力強更為可靠智能化一般高更為先進獲獎情況及評價2007年第十屆中國專利金獎