時柵位移傳感器原理介紹

時柵位移傳感器目錄位移的時空測量方法時柵位移傳感器原理時柵傳感器系統(tǒng)的優(yōu)勢1.位移的時空測量方法在幾何量計量中一般以空間量作為基準(zhǔn)，通過被測量與基準(zhǔn)量的比較實現(xiàn)測量，基準(zhǔn)量與被測量之間均是空間對空間的關(guān)系。在20世紀(jì)60年代，國際上采用激光的波長來做位移基準(zhǔn)，研制出了激光干涉儀。激光波長由頻率決定，頻率是時間量，因此時間和空間統(tǒng)一起來了，可算一次飛躍。激光干涉儀是目前測量長度精度最高的儀器，也可用于高精度小角度測量，但由于激光干涉儀對環(huán)境要求嚴(yán)格、價格昂貴，所以只在計量儀器標(biāo)定時得到廣泛應(yīng)用，并沒有能變動工程測量中的空間對空間關(guān)系。目前，在位移測量中，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，世界光柵市場基本被德國海德海因Heidenhain公司和英國雷尼紹Renishaw公司占領(lǐng)。中國從德國進(jìn)口的Heidenhain圓光柵最高精度為±1″（進(jìn)口±0.5″光柵需經(jīng)中、德兩國政府嚴(yán)格審批，很難購到），價格為4.5萬元。光柵技術(shù)雖出現(xiàn)了幾十年，但我國尚無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，對相關(guān)配套技術(shù)要求很高。本節(jié)參考了《新型時柵位移傳感器研究_陳錫侯》P9—P151.位移的時空測量方法位移空間測量實質(zhì)是被測空間量與基準(zhǔn)空間量的比對測量和累計；分辨率受限于W的刻劃精度。位移時間測量位移可以用一系列高頻率高精度的時鐘脈沖來表征；高精度要求被測物作恒速運動。時空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論按照“用時間測量空間”的思路，借助伽里略變換，提出了“帶時間考查點的相對運動雙坐標(biāo)系”思想，將位置之差變成時間之差進(jìn)行測量；1.位移的時空測量方法或兩坐標(biāo)系的坐標(biāo)值變換關(guān)系伽利略變換時空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論t=0時，兩坐標(biāo)系原點重合,則t=t時刻，P點在S的位置是：如事先在S上距離原點任意距離W處設(shè)有一考查點，則可推出P點到達(dá)W點的時間：如果P點在S′發(fā)生位移

x′，P點到達(dá)W點的時間將由To變成Ti，而參考點O′到達(dá)的時間仍為To，P點在S的位置是：以上P點的位移值與其運動速度方向等參數(shù)無關(guān)，可用于任意方式運動的物體的位移測量。時空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論：在相對運動的兩套坐標(biāo)系中，一套坐標(biāo)系上的位移表現(xiàn)為另一套上觀察點所觀察到的時間之差。當(dāng)質(zhì)點P有位移并用其中一套坐標(biāo)系表示，其大小等于P點和該坐標(biāo)系參考點分別到達(dá)另一套坐標(biāo)系的時間考查點的采樣時間Ti和參考時間T0之差與V的乘積，即x＝V（Ti－T0）。其中運動坐標(biāo)系可由以T0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。時空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論（簡稱TST）意義：（1）把對被測物體的勻速要求，轉(zhuǎn)化為對運動坐標(biāo)系的勻速要求，或者說是對傳感器的勻速要求，于是用時間測量空間成為可能，并可以根據(jù)此思想創(chuàng)新設(shè)計出各種新型傳感器。（2）在這套相對勻速雙坐標(biāo)系中，時鐘脈沖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)械運動是和空間聯(lián)系在一起的，電現(xiàn)象則是與時間聯(lián)系在一起的，時空轉(zhuǎn)換也就是電—機(jī)轉(zhuǎn)換，這為人們常說的機(jī)電轉(zhuǎn)換、機(jī)電一體化打開了新的遐想空間。時柵傳感器系統(tǒng)簡言之就是用時間來測量位移的一套機(jī)電系統(tǒng)；具有固定空間尺度W，固定時間尺度T和固定速度V的。根據(jù)建立勻速運動空間S′的不同，時柵測量系統(tǒng)可以分為：機(jī)械式----單齒式時柵位移傳感器場式----圓分度場式時柵、直線型場式時柵2.時柵位移傳感器原理2.時柵位移傳感器原理圖1在一個基準(zhǔn)尺上刻線，柵距為W，運動質(zhì)點a以任意方向和任意速度v運動，每過一道柵線發(fā)一個脈沖，配合辨向計數(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)想一把無限長柵線尺以恒速V運動起來，每一道柵線在經(jīng)過運動質(zhì)點a和坐標(biāo)原點b時，會得到瞬時時刻To和Ti。于是a點相對于b點的位移，成為柵線觀測到的時間之差，則位移為

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

量精度。②時鐘信號的頻率問題。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量，

對直線位移不合適，因為機(jī)

械式的無限長S’坐標(biāo)無法實

現(xiàn)。解決辦法：場式時柵位移傳感器原因：恒速的相對運動坐標(biāo)系由三相電動機(jī)的定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈之間的氣隙中形成的旋轉(zhuǎn)磁場提供。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，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場相繼掠過動、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，于是達(dá)到和單齒式時柵方案完全相同的效果，后續(xù)處理系統(tǒng)完全相同。2.2場式時柵位移傳感器作直線運動的行波可以“無頭無尾”，因此是目前實現(xiàn)前述無限長直線坐標(biāo)系的最理想方案。直線型場式時柵位移傳感器:通電后，行波磁場始于c點、終于d點。每隔時間T，行進(jìn)距離W，連續(xù)不斷。在