时栅位移传感技术讲解

1、磁场式时栅位移传感器 位移(直线位移或角位移)测量是最基 本、最普遍的测量。在大量程位移测量中为了 兼顾分辨力和量程，许多传感器采用了栅式结 构，如光栅、磁栅、容栅、齿栅、感应同步器 等，利用其运动过程中某些物理量有规律的周 期性变化而形成沿空间均匀分布的“栅线”从 而可以通过对栅线的计数而得到位移量。 现有的栅式位移传感器，依赖的是基 于超精密机械加工的高精度空间刻划技术，而 栅线数难以进一步提高，只能依靠电子细分， 从而引起成本、可靠性、抗干扰力等方面的问 题，直到时栅位移传感器的诞生。 事实上，对于一个匀速运动的质点， 已经可以借用时间t去测量空间x如下面公式： 式中，Pt为为离散化的时

2、间脉冲。这样我们就可以 理解为：通过常量V已经使得Pt具有空间意义,所以 可以通过对Pt的计数实现对x 的测量。但是客观实 际中大量存在的运动是非匀速的，有时还是间断和 变方向等各种不规则运动，对此式并无实用意义。 T PtVVTVdtx 0 在时栅问世之前，之前的位移传感器 都是基于这个原理做出来的。 传感器按非调制方式工作，每通过一 个栅距W产生一个脉冲Px,对其累积计数再乘以 脉冲当量W 即可得到x。这种方法的测量精度 和分辨力依赖于W,与t和v无关，为此人们追求 刻线更密、更精确。 事实上，“用时间测量空间”的思想 久已有之。在古时候，就有“跑马圈地”的做 法，即用一匹马跑一炷香的时间

3、，代表对所需 要距离的丈量。人们在天文学中更是习惯用光 年来表示距离的量度。 在图中，火车a以速度v在地面行驶， 为测量其位移，带地面上设立一标志杆，依次 对经过的车厢边缘进行观测。这时是以大地为 参照物，按经过的火车数进行累加。特点是： 测量过程不受v和t的影响,过一节车厢累加1; 测量的分辨力受限于车厢的长度W。而在图1- 25b中，我们设想火车a行驶在另一列以匀速V 行驶的具有相同车厢长度的火车b上,并且是以 b为运动参照坐标系,即要测量a相对于b的位移 x。这时在大地上的标志杆应视为设 在另一个静止的坐标系上的一个考查点。测 量方法是：依次考查火车a和b车厢边缘到达标 志杆的时间Ti和

4、To,于是根据图1-25b和c可以 推算出: )( )( 0 000 00 TiToVVdtvdt VdtVdtvdtVdt VdtdtvVW Ti To Ti To Ti TiTiTi TiTo 而这段时间内,a相对于b的位移正是 和累加的公式一样，这里也实现了用时间 脉冲累加来求取空间位移， 火车a的位移为：S=X+V.To （1）这里是对非匀速运动的测量，具有实用意义。 （2）测量需要建立在一个恒速运动的坐标系上， 另有一个静止的坐标系及考查点。 （3）测量与v无关，无论它是变化的、变向的 或是间断的，测量只与被测物在采样当时的位 置有关。 在相对运动的两套坐标系中，一套坐 标系上的位置

5、之差（位移）表现为另一套坐标 系上观察点所观察到的时间之差。因此，为了 实现用时间测量质点P的空间位移，采用静止 和以恒速V 运动的两套坐标系，其中一套坐标 系带有固定的时间考察点。当质点P有位移并 用其中一套坐标系表示，其大小等于P点和该 系参考点分别到达另一套坐标系的时间考查点 的采样时间Ti 和参考时间To 之差与V的乘积， 即x=V(Ti-To)。其中运动坐标系可由以To为 固定周期的时间坐标系配合以W为固定间隔的 空间静止坐标系等效代替!两种坐标系的关系 为V=W/To。 这就是著名的时空坐标转换理论（简称TST 理论）其内涵有三点： （1）建立带时间考查点的相对匀速运动双坐 标系，

6、则一个坐标系上的位置之差（位移）， 表现为另一个坐标系上观察到的时间之差。 （2）通过建立匀速运动坐标系，把对被测物 体的匀速要求，转化为对传感器的匀速要求， 使得用时间测变速运动物体的位移空间成为可 能。 （3）在一个匀速运动坐标系中，时间（时钟 脉冲）具有唯一的空间当量，就是V。 （4）测量属于位置测量，与质点运动速度v 无关。 在TST系统的基础上再辅以时钟脉冲源,微处 理器及相应电路,即构成一个完整的时栅传感 器。 时栅位移传感器原理框图如下图 在时空坐标转换理论下，发明了多种时栅位移传感器，例 如：差频式时栅、单齿式时栅、场式时栅、变耦变压器式时 栅等。今天和大家一起分享其中的一种磁

7、场式时栅。 顾名思义，这种时栅是以磁场产生的匀速坐标系S,如下 图 众所周知，当三相电机中按空间120度均分的 三相定子绕组通以按时间120度均分的三相交 流电流时，在电机的定子线圈和转子线圈之间 的气隙中将形成一个行波磁场，即常说的旋转 磁场，其转速 (K为电机极对数,是 一定值 f为电源频率）称为同步转速。在转子上开一 个槽，埋一根导线作为动测头a在定子线圈空 隙处埋一根导线作为定测头b，降低电源电压 K f V 60 使电机转子自己不转也不发热，而旋转磁场M, 构成W=360度的S匀速坐标系。当它相继掠过 动、定测头导线时，根据右手定则，在两根导 线上将分别感应出电势。当我们以任意速度v

8、 转动转子到任意位置时，转子与参考点（定子 导线）的夹角 wtAUbsin 测头就随转子转动, 动测头和定测头之间产生 相对角位移。该角位移对应于机械转台的角位 移,在动、定测头上分别感应出电势信号, 这 两路信号的频率是一样的, 而相位不同。定测 头信号的初相位是固定的, 动测头信号的初相 位随动测头所处位置的不同而不同这两路信号 的 相位差唯一反映了两测头所处的空间位置差。 高性能比相电路对动定测头的信号进行处理, 两路信号的相位差经测量转换成时间差。 用高频时钟脉冲对该时间差进行分度。高频时 钟脉冲的频率大约在10 MHz以上。每个时钟脉 冲对应一定的角位移, 对脉冲进行计数就可实 现位移测量, 可根据下式 计算出角位移值 )( 360 )()(TjTi T TjTi T W TjTiV 光栅光栅时栅时栅结论结论 最高精度 圆光栅：0.4 对华出口：1 圆时栅：0.8 大致相当 直线光栅：0.5um 对华出口:2um 直线时栅：0.5um 分辨力 圆光栅:1圆时栅：0.1 大大超越 直线光栅:1um直线时栅：0.1um 价格 圆光栅:7.5万圆时栅：2-3万 突出优势 直线光栅：2.5万直线时栅：1-2万 可靠性较差抗干扰能力强