時柵位移傳感技術(shù)講解

1、磁場式時柵位移傳感器 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(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(shù)而得到位移量。 現(xiàn)有的柵式位移傳感器，依賴的是基 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 題，直到時柵位移傳感器的誕生。 事實上，對于一個勻速運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)， 已經(jīng)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

2、間脈沖。這樣我們就可以 理解為：通過常量V已經(jīng)使得Pt具有空間意義,所以 可以通過對Pt的計數(shù)實現(xiàn)對x 的測量。但是客觀實 際中大量存在的運(yùn)動是非勻速的，有時還是間斷和 變方向等各種不規(guī)則運(yùn)動，對此式并無實用意義。 T PtVVTVdtx 0 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(diào)制方式工作，每通過一 個柵距W產(chǎn)生一個脈沖Px,對其累積計數(shù)再乘以 脈沖當(dāng)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(guān)，為此人們追求 刻線更密、更精確。 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

3、，代表對所需 要距離的丈量。人們在天文學(xué)中更是習(xí)慣用光 年來表示距離的量度。 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(shè)立一標(biāo)志桿，依次 對經(jīng)過的車廂邊緣進(jìn)行觀測。這時是以大地為 參照物，按經(jīng)過的火車數(shù)進(jìn)行累加。特點(diǎn)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(shè)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(yùn)動參照坐標(biāo)系,即要測量a相對于b的位移 x。這時在大地上的標(biāo)志桿應(yīng)視為設(shè) 在另一個靜止的坐標(biāo)系上的一個考查點(diǎn)。測 量方法是：依次考查火車a和b車廂邊緣到達(dá)標(biāo) 志桿的時間Ti和

4、To,于是根據(jù)圖1-25b和c可以 推算出: )( )( 0 000 00 TiToVVdtvdt VdtVdtvdtVdt VdtdtvVW Ti To Ti To Ti TiTiTi TiTo 而這段時間內(nèi),a相對于b的位移正是 和累加的公式一樣，這里也實現(xiàn)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(yùn)動的測量，具有實用意義。 （2）測量需要建立在一個恒速運(yùn)動的坐標(biāo)系上， 另有一個靜止的坐標(biāo)系及考查點(diǎn)。 （3）測量與v無關(guān)，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(dāng)時的位 置有關(guān)。 在相對運(yùn)動的兩套坐標(biāo)系中，一套坐 標(biāo)系上的位置

5、之差（位移）表現(xiàn)為另一套坐標(biāo) 系上觀察點(diǎn)所觀察到的時間之差。因此，為了 實現(xiàn)用時間測量質(zhì)點(diǎn)P的空間位移，采用靜止 和以恒速V 運(yùn)動的兩套坐標(biāo)系，其中一套坐標(biāo) 系帶有固定的時間考察點(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)系的時間考查點(diǎn) 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(yùn)動坐標(biāo)系可由以To為 固定周期的時間坐標(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。 這就是著名的時空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論（簡稱TST 理論）其內(nèi)涵有三點(diǎn)： （1）建立帶時間考查點(diǎn)的相對勻速運(yùn)動雙坐 標(biāo)系，

6、則一個坐標(biāo)系上的位置之差（位移）， 表現(xiàn)為另一個坐標(biāo)系上觀察到的時間之差。 （2）通過建立勻速運(yùn)動坐標(biāo)系，把對被測物 體的勻速要求，轉(zhuǎn)化為對傳感器的勻速要求， 使得用時間測變速運(yùn)動物體的位移空間成為可 能。 （3）在一個勻速運(yùn)動坐標(biāo)系中，時間（時鐘 脈沖）具有唯一的空間當(dāng)量，就是V。 （4）測量屬于位置測量，與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動速度v 無關(guān)。 在TST系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再輔以時鐘脈沖源,微處 理器及相應(yīng)電路,即構(gòu)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(biāo)轉(zhuǎn)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

7、場式時柵。 顧名思義，這種時柵是以磁場產(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間120度均分的三相交 流電流時，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行波磁場，即常說的旋轉(zhuǎn) 磁場，其轉(zhuǎn)速 (K為電機(jī)極對數(shù),是 一定值 f為電源頻率）稱為同步轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)子上開一 個槽，埋一根導(dǎo)線作為動測頭a在定子線圈空 隙處埋一根導(dǎo)線作為定測頭b，降低電源電壓 K f V 60 使電機(jī)轉(zhuǎn)子自己不轉(zhuǎn)也不發(fā)熱，而旋轉(zhuǎn)磁場M, 構(gòu)成W=360度的S勻速坐標(biāo)系。當(dāng)它相繼掠過 動、定測頭導(dǎo)線時，根據(jù)右手定則，在兩根導(dǎo) 線上將分別感應(yīng)出電勢。當(dāng)我們以任意速度v

8、 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子到任意位置時，轉(zhuǎn)子與參考點(diǎn)（定子 導(dǎo)線）的夾角 wtAUbsin 測頭就隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動, 動測頭和定測頭之間產(chǎn)生 相對角位移。該角位移對應(yīng)于機(jī)械轉(zhuǎn)臺的角位 移,在動、定測頭上分別感應(yīng)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(jìn)行處理, 兩路信號的相位差經(jīng)測量轉(zhuǎn)換成時間差。 用高頻時鐘脈沖對該時間差進(jìn)行分度。高頻時 鐘脈沖的頻率大約在10 MHz以上。每個時鐘脈 沖對應(yīng)一定的角位移, 對脈沖進(jìn)行計數(shù)就可實 現(xiàn)位移測量, 可根據(jù)下式 計算出角位移值 )( 360 )()(TjTi T TjTi T W TjTiV 光柵光柵時柵時柵結(jié)論結(jié)論 最高精度 圓光柵：0.4 對華出口：1 圓時柵：0.8 大致相當(dāng) 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(qiáng)