[发明专利]一种时栅角位移传感器

说明书

技术领域

本发明属于精密测量传感器技术领域，具体涉及一种时栅角位移传感器。

背景技术

精密角位移测量通常采用各类角位移传感器，如光栅、齿栅、容栅等等。它们主要通过两个途径来提高测量分辨力：一是提高空间刻划密度，减小空间栅距；二是提高电子细分倍数。近年来出现了一种基于电磁感应原理的时栅角位移传感器，与上述角位移传感器不同，时栅角位移传感器采用时钟脉冲作为测量基准，因此其分辨力一方面取决于传感器的空间极距，另一方面也取决于插补时钟脉冲的空间当量；由于插补时钟脉冲的空间当量可以取极小，故时栅角位移传感器在较大的空间极距下也实现了高分辨力位移测量。但若需进一步提高其分辨力，只能通过减小空间极距或者增加传感器的极对数的方式实现，比如CN2909178Y公开的一种多极平面绕组时栅角位移传感器，其采用无铁芯多极平面绕组，通过增加传感器的极对数的方式来提高旋转磁场的线性，能减干扰和高频失真，提高时栅角位移传感器的精度及分辨力，但是其成本较高。

CN102425987A公开了一种基于交变电场的时栅角位移传感器，其采用差动平板电容式结构，利用电场耦合原理获取信号来测量角位移，功耗低、重量轻、成本低，但是其分辨力仍不够高。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单的时栅角位移传感器，以在不增加刻线精密度或者传感器极对数的情况下，将测量分辨力提高一倍。

本发明所述的时栅角位移传感器，包括定子和转子，所述定子由定子基体和两个相同的传感单元构成，定子基体为中心开轴孔的导磁圆柱体，定子基体采用导磁材料制作，两个传感单元平行且互不干扰的设在定子基体的上、下端面，传感单元包括激励线圈和感应线圈；定子基体具有足够的高度，能保证设在其上、下端面的两个传感单元互不影响(即其中一个传感单元的激励线圈产生的磁场不会在另一个传感单元的感应线圈中感应出电信号，或者感应出的电信号极小，可以被忽略)，定子基体的高度一般不低于5mm。

所述激励线圈采用“∞”字形绕线方式绕线，即激励线圈由一起始点开始沿圆周顺时针方向或逆时针方向绕出，两端沿两条交错为N个“∞”字形的周期为Φ的曲线分别绕线，绕完整个圆周后分别引出，形成激励线圈绕线轨迹(即沿圆周方向的N个“∞”字形连续的绕线轨迹)，所述起始点是两条周期为Φ的曲线的第一个交点，两条周期为Φ的曲线都是分段函数，其中一条周期为Φ的曲线用极坐标方程表示为：

另一条周期为Φ的曲线用极坐标方程表示为：

式中，N表示传感器的极对数，Φ表示一个周期对应的圆心角，其等于传感器的极距，i依次取值0至N-1中的所有整数(即i＝0,1,2,3,…,N-1)，A表示激励线圈绕线轨迹正弦部分的幅值，R表示激励线圈绕线轨迹所沿圆周的半径(即r₁曲线与r₂曲线的2N+1个交错点所在圆周的半径)，R＞A。在给激励线圈通激励电流时，激励线圈能产生按正弦规律变化的磁场。

所述感应线圈的绕线方式与激励线圈的绕线方式相同，感应线圈绕线轨迹为激励线圈绕线轨迹沿圆周顺时针方向或逆时针方向旋转圆心角后的曲线；设在定子基体上端面的传感单元的感应线圈与设在定子基体下端面的传感单元的感应线圈串联。

所述转子由上转子基体、下转子基体、支撑柱和两个相同的导磁单元构成，上转子基体与下转子基体结构相同，都为中心开轴孔的非导磁的圆盘体，上转子基体、下转子基体都采用非导磁材料制作，支撑柱为扇环柱体，其内圆弧直径大于定子基体的外径，支撑柱的上端面与上转子基体垂直连接，支撑柱的下端面与下转子基体垂直连接，连接后形成侧面开口的框形结构，且支撑柱与上、下转子基体的轴心线重合，两个导磁单元分别嵌在上、下转子基体上且相互平行，导磁单元由一个导磁体或者由m个相同的导磁体绕上转子基体或者下转子基体的轴心线等间距排列构成，其中1＜m≤2N，导磁体为扇环柱体；在由m个导磁体构成的导磁单元中，各个导磁体的上端面或者下端面位于同一平面内，相邻两个导磁体的中心所夹圆心角等于每个导磁体的圆心角β满足：每个导磁体的外圆弧半径大于R+A，内圆弧半径小于R-A，以保证产生准确可靠的感应信号。由m个导磁体构成的导磁单元能产生较大的磁场强度，能使感应线圈输出的感应信号更强。