時(shí)柵位移傳感器原理介紹

時(shí)柵位移傳感器目錄位移的時(shí)空測(cè)量方法時(shí)柵位移傳感器原理時(shí)柵傳感器系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)1.位移的時(shí)空測(cè)量方法在幾何量計(jì)量中一般以空間量作為基準(zhǔn)，通過(guò)被測(cè)量與基準(zhǔn)量的比較實(shí)現(xiàn)測(cè)量，基準(zhǔn)量與被測(cè)量之間均是空間對(duì)空間的關(guān)系。在20世紀(jì)60年代，國(guó)際上采用激光的波長(zhǎng)來(lái)做位移基準(zhǔn)，研制出了激光干涉儀。激光波長(zhǎng)由頻率決定，頻率是時(shí)間量，因此時(shí)間和空間統(tǒng)一起來(lái)了，可算一次飛躍。激光干涉儀是目前測(cè)量長(zhǎng)度精度最高的儀器，也可用于高精度小角度測(cè)量，但由于激光干涉儀對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格、價(jià)格昂貴，所以只在計(jì)量?jī)x器標(biāo)定時(shí)得到廣泛應(yīng)用，并沒(méi)有能變動(dòng)工程測(cè)量中的空間對(duì)空間關(guān)系。目前，在位移測(cè)量中，為了兼顧分辨率和量程，廣泛采用的是光柵、感應(yīng)同步器、磁柵和容柵等柵式傳感器和碼盤式傳感器。上述幾種位移傳感器中光柵應(yīng)用最廣泛。目前，世界光柵市場(chǎng)基本被德國(guó)海德海因Heidenhain公司和英國(guó)雷尼紹Renishaw公司占領(lǐng)。中國(guó)從德國(guó)進(jìn)口的Heidenhain圓光柵最高精度為±1″（進(jìn)口±0.5″光柵需經(jīng)中、德兩國(guó)政府嚴(yán)格審批，很難購(gòu)到），價(jià)格為4.5萬(wàn)元。光柵技術(shù)雖出現(xiàn)了幾十年，但我國(guó)尚無(wú)能力大批量制造高精度商品化光柵。究其原因，主要是由于光柵制造工藝復(fù)雜，對(duì)相關(guān)配套技術(shù)要求很高。本節(jié)參考了《新型時(shí)柵位移傳感器研究_陳錫侯》P9—P151.位移的時(shí)空測(cè)量方法位移空間測(cè)量實(shí)質(zhì)是被測(cè)空間量與基準(zhǔn)空間量的比對(duì)測(cè)量和累計(jì)；分辨率受限于W的刻劃精度。位移時(shí)間測(cè)量位移可以用一系列高頻率高精度的時(shí)鐘脈沖來(lái)表征；高精度要求被測(cè)物作恒速運(yùn)動(dòng)。時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論按照“用時(shí)間測(cè)量空間”的思路，借助伽里略變換，提出了“帶時(shí)間考查點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)雙坐標(biāo)系”思想，將位置之差變成時(shí)間之差進(jìn)行測(cè)量；1.位移的時(shí)空測(cè)量方法或兩坐標(biāo)系的坐標(biāo)值變換關(guān)系伽利略變換時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論t=0時(shí)，兩坐標(biāo)系原點(diǎn)重合,則t=t時(shí)刻，P點(diǎn)在S的位置是：如事先在S上距離原點(diǎn)任意距離W處設(shè)有一考查點(diǎn)，則可推出P點(diǎn)到達(dá)W點(diǎn)的時(shí)間：如果P點(diǎn)在S′發(fā)生位移

x′，P點(diǎn)到達(dá)W點(diǎn)的時(shí)間將由To變成Ti，而參考點(diǎn)O′到達(dá)的時(shí)間仍為To，P點(diǎn)在S的位置是：以上P點(diǎn)的位移值與其運(yùn)動(dòng)速度方向等參數(shù)無(wú)關(guān)，可用于任意方式運(yùn)動(dòng)的物體的位移測(cè)量。時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論：在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩套坐標(biāo)系中，一套坐標(biāo)系上的位移表現(xiàn)為另一套上觀察點(diǎn)所觀察到的時(shí)間之差。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)和該坐標(biāo)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T0之差與V的乘積，即x＝V（Ti－T0）。其中運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系可由以T0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。時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論（簡(jiǎn)稱TST）意義：（1）把對(duì)被測(cè)物體的勻速要求，轉(zhuǎn)化為對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的勻速要求，或者說(shuō)是對(duì)傳感器的勻速要求，于是用時(shí)間測(cè)量空間成為可能，并可以根據(jù)此思想創(chuàng)新設(shè)計(jì)出各種新型傳感器。（2）在這套相對(duì)勻速雙坐標(biāo)系中，時(shí)鐘脈沖ΔT有了唯一確定的空間當(dāng)量，即ΔT＝W/V。（3）據(jù)此方法，機(jī)械運(yùn)動(dòng)是和空間聯(lián)系在一起的，電現(xiàn)象則是與時(shí)間聯(lián)系在一起的，時(shí)空轉(zhuǎn)換也就是電—機(jī)轉(zhuǎn)換，這為人們常說(shuō)的機(jī)電轉(zhuǎn)換、機(jī)電一體化打開(kāi)了新的遐想空間。時(shí)柵傳感器系統(tǒng)簡(jiǎn)言之就是用時(shí)間來(lái)測(cè)量位移的一套機(jī)電系統(tǒng)；具有固定空間尺度W，固定時(shí)間尺度T和固定速度V的。根據(jù)建立勻速運(yùn)動(dòng)空間S′的不同，時(shí)柵測(cè)量系統(tǒng)可以分為：機(jī)械式----單齒式時(shí)柵位移傳感器場(chǎng)式----圓分度場(chǎng)式時(shí)柵、直線型場(chǎng)式時(shí)柵2.時(shí)柵位移傳感器原理2.時(shí)柵位移傳感器原理圖1在一個(gè)基準(zhǔn)尺上刻線，柵距為W，運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)a以任意方向和任意速度v運(yùn)動(dòng)，每過(guò)一道柵線發(fā)一個(gè)脈沖，配合辨向計(jì)數(shù)電路，可得到其位移。為了保證分辨率和精度，必須保證標(biāo)尺刻線“既要密，又要精”。圖2設(shè)想一把無(wú)限長(zhǎng)柵線尺以恒速V運(yùn)動(dòng)起來(lái)，每一道柵線在經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)a和坐標(biāo)原點(diǎn)b時(shí)，會(huì)得到瞬時(shí)時(shí)刻To和Ti。于是a點(diǎn)相對(duì)于b點(diǎn)的位移，成為柵線觀測(cè)到的時(shí)間之差，則位移為

。本節(jié)參考了《精密時(shí)柵位移傳感器研究》2.1單齒式時(shí)柵位移傳感器圖示為針對(duì)圓分度測(cè)量考慮了一種設(shè)計(jì)方案如圖3所示。采用速度為V的恒速同步電動(dòng)機(jī)，軸上安裝一個(gè)單齒，用它來(lái)構(gòu)成W=360°的運(yùn)動(dòng)標(biāo)尺。在繞電動(dòng)機(jī)軸線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的分度轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝測(cè)頭線圈a，其運(yùn)動(dòng)反映了被測(cè)物體的角位移。另有一固定于底座上的測(cè)頭線圈b，也就是相當(dāng)于坐標(biāo)原點(diǎn)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)單齒勻速旋轉(zhuǎn)分別掠過(guò)動(dòng)、定測(cè)頭a、b時(shí)，將分別感應(yīng)出脈沖序列Pa和Pb，Pb相位保持不動(dòng)，而Pa相位將隨測(cè)頭a也就是被測(cè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)而移動(dòng)，于是用時(shí)鐘脈沖Pt對(duì)Pa和Pb之間的相位差進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)數(shù)，位置差（位移）反映為時(shí)間差。由于時(shí)鐘頻率很高，分辨率可以做得很高。2.1單齒式時(shí)柵位移傳感器缺點(diǎn)：①高精度的恒速V直接影響測(cè)

量精度。②時(shí)鐘信號(hào)的頻率問(wèn)題。③旋轉(zhuǎn)機(jī)械的存在，安裝調(diào)整

困難，而且體積較大；④研究只能局限于角位移測(cè)量，

對(duì)直線位移不合適，因?yàn)闄C(jī)

械式的無(wú)限長(zhǎng)S’坐標(biāo)無(wú)法實(shí)

現(xiàn)。解決辦法：場(chǎng)式時(shí)柵位移傳感器原因：恒速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系由三相電動(dòng)機(jī)的定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈之間的氣隙中形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)提供。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，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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)，于是達(dá)到和單齒式時(shí)柵方案完全相同的效果，后續(xù)處理系統(tǒng)完全相同。2.2場(chǎng)式時(shí)柵位移傳感器作直線運(yùn)動(dòng)的行波可以“無(wú)頭無(wú)尾”，因此是目前實(shí)現(xiàn)前述無(wú)限長(zhǎng)直線坐標(biāo)系的最理想方案。直線型場(chǎng)式時(shí)柵位移傳感器:通電后，行波磁場(chǎng)始于c點(diǎn)、終于d點(diǎn)。每隔時(shí)間T，行進(jìn)距離W，連續(xù)不斷。在