时栅位移传感技术

时栅位移传感技术———磁场式时栅位移传感器成员：XXX、XXX概述位移(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。背景分析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。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。小狗移动的距离=栅数x栅距(D=N*H)时栅位移传感技术原理事实上，“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，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。时：时间，或者是时钟脉冲信号栅：栅栏思想实验-火车相对运动测量原理-图

思想实验在图中，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To,于是根据图1-25b和c可以推算出: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。时空坐标转换理论（简称TST理论）在相对运动的两套坐标系中，一套坐标系上的位置之差（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，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转动转子到任意位置时，转子与参考点（定子导线）的夹角而另一路信号：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。如图2所示,时钟脉冲细分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10MHz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

计算出角位移值现实验室磁场式高精度时栅传感器现实验室磁场式高精度时栅传感器参照对象为世界公认最先进的德国海德汉光栅光栅时栅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更为可靠智能化一般高更为先进获奖情况及评价2007年第十届中国专利金奖