时栅位移传感器原理介绍

时栅位移传感器目录位移的时空测量方法时栅位移传感器原理时栅传感器系统的优势1.位移的时空测量方法在几何量计量中一般以空间量作为基准，通过被测量与基准量的比较实现测量，基准量与被测量之间均是空间对空间的关系。在20世纪60年代，国际上采用激光的波长来做位移基准，研制出了激光干涉仪。激光波长由频率决定，频率是时间量，因此时间和空间统一起来了，可算一次飞跃。激光干涉仪是目前测量长度精度最高的仪器，也可用于高精度小角度测量，但由于激光干涉仪对环境要求严格、价格昂贵，所以只在计量仪器标定时得到广泛应用，并没有能变动工程测量中的空间对空间关系。目前，在位移测量中，为了兼顾分辨率和量程，广泛采用的是光栅、感应同步器、磁栅和容栅等栅式传感器和码盘式传感器。上述几种位移传感器中光栅应用最广泛。目前，世界光栅市场基本被德国海德海因Heidenhain公司和英国雷尼绍Renishaw公司占领。中国从德国进口的Heidenhain圆光栅最高精度为±1″（进口±0.5″光栅需经中、德两国政府严格审批，很难购到），价格为4.5万元。光栅技术虽出现了几十年，但我国尚无能力大批量制造高精度商品化光栅。究其原因，主要是由于光栅制造工艺复杂，对相关配套技术要求很高。本节参考了《新型时栅位移传感器研究_陈锡侯》P9—P151.位移的时空测量方法位移空间测量实质是被测空间量与基准空间量的比对测量和累计；分辨率受限于W的刻划精度。位移时间测量位移可以用一系列高频率高精度的时钟脉冲来表征；高精度要求被测物作恒速运动。时空坐标转换理论按照“用时间测量空间”的思路，借助伽里略变换，提出了“带时间考查点的相对运动双坐标系”思想，将位置之差变成时间之差进行测量；1.位移的时空测量方法或两坐标系的坐标值变换关系伽利略变换时空坐标转换理论t=0时，两坐标系原点重合,则t=t时刻，P点在S的位置是：如事先在S上距离原点任意距离W处设有一考查点，则可推出P点到达W点的时间：如果P点在S′发生位移

x′，P点到达W点的时间将由To变成Ti，而参考点O′到达的时间仍为To，P点在S的位置是：以上P点的位移值与其运动速度方向等参数无关，可用于任意方式运动的物体的位移测量。时空坐标转换理论：在相对运动的两套坐标系中，一套坐标系上的位移表现为另一套上观察点所观察到的时间之差。当质点P有位移并用其中一套坐标系表示，其大小等于P点和该坐标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T0之差与V的乘积，即x＝V（Ti－T0）。其中运动坐标系可由以T0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。时空坐标转换理论（简称TST）意义：（1）把对被测物体的匀速要求，转化为对运动坐标系的匀速要求，或者说是对传感器的匀速要求，于是用时间测量空间成为可能，并可以根据此思想创新设计出各种新型传感器。（2）在这套相对匀速双坐标系中，时钟脉冲ΔT有了唯一确定的空间当量，即ΔT＝W/V。（3）据此方法，机械运动是和空间联系在一起的，电现象则是与时间联系在一起的，时空转换也就是电—机转换，这为人们常说的机电转换、机电一体化打开了新的遐想空间。时栅传感器系统简言之就是用时间来测量位移的一套机电系统；具有固定空间尺度W，固定时间尺度T和固定速度V的。根据建立匀速运动空间S′的不同，时栅测量系统可以分为：机械式----单齿式时栅位移传感器场式----圆分度场式时栅、直线型场式时栅2.时栅位移传感器原理2.时栅位移传感器原理图1在一个基准尺上刻线，栅距为W，运动质点a以任意方向和任意速度v运动，每过一道栅线发一个脉冲，配合辨向计数电路，可得到其位移。为了保证分辨率和精度，必须保证标尺刻线“既要密，又要精”。图2设想一把无限长栅线尺以恒速V运动起来，每一道栅线在经过运动质点a和坐标原点b时，会得到瞬时时刻To和Ti。于是a点相对于b点的位移，成为栅线观测到的时间之差，则位移为

。本节参考了《精密时栅位移传感器研究》2.1单齿式时栅位移传感器图示为针对圆分度测量考虑了一种设计方案如图3所示。采用速度为V的恒速同步电动机，轴上安装一个单齿，用它来构成W=360°的运动标尺。在绕电动机轴线作回转运动的分度转台上安装测头线圈a，其运动反映了被测物体的角位移。另有一固定于底座上的测头线圈b，也就是相当于坐标原点。当电动机带动单齿匀速旋转分别掠过动、定测头a、b时，将分别感应出脉冲序列Pa和Pb，Pb相位保持不动，而Pa相位将随测头a也就是被测物体的转动而移动，于是用时钟脉冲Pt对Pa和Pb之间的相位差进行插补计数，位置差（位移）反映为时间差。由于时钟频率很高，分辨率可以做得很高。2.1单齿式时栅位移传感器缺点：①高精度的恒速V直接影响测

量精度。②时钟信号的频率问题。③旋转机械的存在，安装调整

困难，而且体积较大；④研究只能局限于角位移测量，

对直线位移不合适，因为机

械式的无限长S’坐标无法实

现。解决办法：场式时栅位移传感器原因：恒速的相对运动坐标系由三相电动机的定子线圈和转子线圈之间的气隙中形成的旋转磁场提供。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，当旋转磁场相继掠过动、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，于是达到和单齿式时栅方案完全相同的效果，后续处理系统完全相同。2.2场式时栅位移传感器作直线运动的行波可以“无头无尾”，因此是目前实现前述无限长直线坐标系的最理想方案。直线型场式时栅位移传感器:通电后，行波磁场始于c点、终于d点。每隔时间T，行进距离W，连续不断。在