一種平面二維時(shí)柵位移傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種平面二維時(shí)柵位移傳感器，由上下平行相對(duì)布置的定陣面和動(dòng)陣面兩部分構(gòu)成。定陣面由定陣面基體和布置于定陣面基體表面的激勵(lì)線圈組成；動(dòng)陣面由動(dòng)陣面基體和布置于動(dòng)陣面基體表面的感應(yīng)線圈組成。采用單個(gè)動(dòng)陣面通過(guò)電磁感應(yīng)原理獲取定陣面不同位置處的磁信號(hào)，利用時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論，將磁信號(hào)(空間信息)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)(時(shí)間信息)進(jìn)行處理，從而得到平面二維空間位移量。本發(fā)明不需要垂直安裝兩個(gè)直線位移傳感器，不需要復(fù)雜工藝制備的二元光學(xué)器件，不需要復(fù)雜的光路設(shè)計(jì)，采用普通的半導(dǎo)體加工工藝制備動(dòng)陣面和定陣面，因而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、抗油污粉塵和沖擊振動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種平面二維時(shí)柵位移傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于精密測(cè)量傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種平面二維時(shí)柵位移傳感器。【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有關(guān)于平面二維位移量測(cè)量的傳感器分為兩種，一種是在平面上相對(duì)互差90°垂直安裝兩個(gè)直線位移傳感器分別獲取平面二維直線位移量，另一種是采用單一傳感器同時(shí)獲取平面兩個(gè)維度的位移量。垂直安裝兩個(gè)直線位移傳感器會(huì)給測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)阿貝誤差，而且裝夾定位精度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，同時(shí)占據(jù)較大空間，不利于小空間測(cè)量?，F(xiàn)有的平面二維位移傳感器包括二維光柵和二維容柵，其中二維光柵的測(cè)量精度依賴于二元光學(xué)器件的制造精度，復(fù)雜的光路設(shè)計(jì)和制造工藝使成本較高。同時(shí)二維光柵抗油污粉塵和沖擊振動(dòng)能力較差。二維容柵測(cè)量量程較小，且由于電容介電常數(shù)易受外界環(huán)境中的溫度、濕度、油污粉塵等影響，因此傳感器防護(hù)能力較差。
[0003]近年來(lái)出現(xiàn)了一種以時(shí)鐘脈沖作為測(cè)量基準(zhǔn)的時(shí)柵位移傳感器，能在低刻化精度的條件下實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。但目前的時(shí)柵位移傳感器只能進(jìn)行一維空間量(直線位移或角位移)的測(cè)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)平面二維直線位移測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種用于平面二維位移測(cè)量的時(shí)柵位移傳感器。
[0005]所述一種平面二維時(shí)柵位移傳感器，由上下平行相對(duì)布置的定陣面和動(dòng)陣面兩部分構(gòu)成。定陣面由定陣面基體和布置于定陣面基體表面的激勵(lì)線圈組成；動(dòng)陣面由動(dòng)陣面基體和布置于動(dòng)陣面基體表面的感應(yīng)線圈組成。
[0006]所述激勵(lì)線圈由4組激勵(lì)線圈組成，它們分別布置在相互絕緣的四層中。每組激勵(lì)線圈都由單層或多層相同激勵(lì)線圈線陣構(gòu)成，激勵(lì)線圈線陣由多個(gè)相同激勵(lì)線圈單元沿一個(gè)方向依次排列串聯(lián)構(gòu)成，其中相鄰兩個(gè)激勵(lì)線圈單元的中心距為一個(gè)極距，用W表示。任意兩組激勵(lì)線圈的激勵(lì)線圈線陣沿同一方向排列(如X方向)，另外兩組激勵(lì)線圈的激勵(lì)線圈線陣沿與之垂直的方向排列(如Y方向)。沿同一方向排列的激勵(lì)線圈單元的極距相同；沿不同方向排列的激勵(lì)線圈單元的極距可以相同也可以不同。即激勵(lì)線圈中沿X方向排列的兩組激勵(lì)線圈單元的極距相同，沿Y方向排列的兩組激勵(lì)線圈單元的極距相同；但是沿X方向排列的兩組激勵(lì)線圈的極距和沿Y方向排列的兩組激勵(lì)線圈的極距可以相同也可以不同。
[0007]所述激勵(lì)線圈中由激勵(lì)線圈單元沿X方向并排排列依次串聯(lián)構(gòu)成的兩組激勵(lì)線圈的激勵(lì)線圈線陣起始位置沿X方向錯(cuò)開W/4;另外兩組激勵(lì)線圈的激勵(lì)線圈線陣起始位置沿Y方向錯(cuò)開W/4。
[0008]所述激勵(lì)線圈單元由尺寸、匝數(shù)均相同的I個(gè)正繞(如順時(shí)針繞制)平面矩形螺旋激勵(lì)線圈和I個(gè)反繞(如逆時(shí)針繞制)平面矩形螺旋激勵(lì)線圈并排排列、首尾相接構(gòu)成。正繞平面矩形螺旋激勵(lì)線圈和反繞平面矩形螺旋激勵(lì)線圈的中心距為半個(gè)極距(W/2)。沿排列方向，正繞或反繞平面矩形螺旋激勵(lì)線圈由外到內(nèi)的第m匝線圈與線圈中心的距
離為:
【權(quán)利要求】
1.一種平面二維時(shí)柵位移傳感器，包括上下平行相對(duì)布置的定陣面(I)和動(dòng)陣面(2)，其特征在于: 所述定陣面(I)由定陣面基體和布置于定陣面基體表面的激勵(lì)線圈組成；所述激勵(lì)線圈具有四組，分別為第一組激勵(lì)線圈(11)、第二組激勵(lì)線圈(12)、第三組激勵(lì)線圈(13)和第四組激勵(lì)線圈(14)，它們分別布置在相互絕緣的四層中；每組激勵(lì)線圈都由單層或多層完全相同的激勵(lì)線圈線陣構(gòu)成，其中激勵(lì)線圈線陣由多個(gè)相同激勵(lì)線圈單元沿一個(gè)方向依次排列串聯(lián)構(gòu)成，且相鄰兩個(gè)激勵(lì)線圈單元的中心距為一個(gè)極距W ;其中任意兩組激勵(lì)線圈的激勵(lì)線圈線陣沿X方向排列，且激勵(lì)線圈線陣的起始位置沿X方向錯(cuò)開W/4 ;另外兩組激勵(lì)線圈的激勵(lì)線圈線陣沿與之垂直的Y方向排列，且激勵(lì)線圈線陣的起始位置沿Y方向錯(cuò)開W/4 ； 所述動(dòng)陣面(2)為單個(gè)，由動(dòng)陣面基體和布置于動(dòng)陣面基體表面的感應(yīng)線圈組成；感應(yīng)線圈由第一感應(yīng)線圈單元(21)和第二感應(yīng)線圈單元(22)沿X方向并排排列構(gòu)成，兩個(gè)感應(yīng)線圈單元中心距為W/2;第一感應(yīng)線圈單元(21)由尺寸、匝數(shù)均相同的兩個(gè)正繞平面矩形感應(yīng)線圈沿Y方向依次排列串聯(lián)構(gòu)成；第二感應(yīng)線圈單元(22)由尺寸、匝數(shù)均相同的I個(gè)正繞平面矩形感應(yīng)線圈 和I個(gè)反繞平面矩形感應(yīng)線圈沿Y方向依次排列串聯(lián)構(gòu)成；定陣面(I)的四組激勵(lì)線圈分別接交流激勵(lì)電流，在定陣面表面產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為四組激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度之和；當(dāng)動(dòng)陣面(2)與定陣面(I)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，第一感應(yīng)線圈單元(21)和第二感應(yīng)線圈單元(22)分別感應(yīng)出幅值恒定相位移動(dòng)的感應(yīng)信號(hào)，將兩路感應(yīng)信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)分別進(jìn)行鑒相處理，相位差由插補(bǔ)的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)表示，經(jīng)換算后得到動(dòng)陣面相對(duì)于定陣面在X方向和Y方向的直線位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面二維時(shí)柵位移傳感器，其特征是:所述激勵(lì)線圈單元由尺寸、匝數(shù)均相同的I個(gè)正繞平面矩形螺旋激勵(lì)線圈和I個(gè)反繞平面矩形螺旋激勵(lì)線圈并排排列、首尾相接構(gòu)成；正繞平面矩形螺旋激勵(lì)線圈和反繞平面矩形螺旋激勵(lì)線圈的中心距為半個(gè)極距，即W/2 ;沿排列方向，正繞或反繞平面矩形螺旋激勵(lì)線圈由內(nèi)到外的第m匝
W Wm線圈與線圈中心的距離為:7一7arcsm(^7)，其中m = I, 2，η, η為正繞或反繞平
4 2π Ii + I面矩形螺旋激勵(lì)線圈的總匝數(shù)；正繞平面矩形螺旋激勵(lì)線圈和反繞平面矩形螺旋激勵(lì)線圈
WI的最外阻間距為:一 arcsin(-:)?,
πη +1
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面二維時(shí)柵位移傳感器，其特征是:所述激勵(lì)線圈中排列方向相同的兩組激勵(lì)線圈分別連接頻率相同、相角相差90°的交流激勵(lì)電信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面二維時(shí)柵位移傳感器，其特征是:所述激勵(lì)線圈中沿同一方向排列的激勵(lì)線圈單元的極距相同；沿不同方向排列的激勵(lì)線圈極距可以相同也可以不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面二維時(shí)柵位移傳感器，其特征是:所述第一感應(yīng)線圈單元(21)和第二感應(yīng)線圈單元(22)中分別包含的兩個(gè)平面矩形感應(yīng)線圈最外匝間距為ψI—arcsin(-),中心距為 W/2。πη + I
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面二維時(shí)柵位移傳感器，其特征是:第一感應(yīng)線圈單元和第二感應(yīng)線圈單元之間的中心距為(2p+l)W/2時(shí)，其中P為0、1、2...，每個(gè)感應(yīng)線圈單元中的兩個(gè)平面矩形感應(yīng)線圈之間的中心距為qW/2，其中q為0、1、2...。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或5或6所述的平面二維時(shí)柵位移傳感器，其特征是:所述第一感應(yīng)線圈單元(21)和第二感應(yīng)線圈單元(22)中的正繞或反繞平面矩形感應(yīng)線圈可以為單匝或多匝，可以為單層或多層串聯(lián)；當(dāng)為多層串聯(lián)排布時(shí)，各層感應(yīng)線圈沿垂直于動(dòng)陣面的方向依次上下布置且各層感應(yīng)線圈的中心連線垂直于動(dòng)陣面，中間由絕緣材料間隔。
【文檔編號(hào)】G01B7/02GK104019734SQ201410275459
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】武亮, 彭東林, 陳錫候, 魯進(jìn), 湯其富, 鄭方燕 申請(qǐng)人:重慶理工大學(xué)