一种双边传感型电磁感应式直线位移传感器

一种双边传感型电磁感应式直线位移传感器

作者：谷星莹 汤其富 彭东林 翁道纛

 

 

 

       直线位移传感器作为机床的直线运动和位置反馈部件，在工业领域有着广泛的应用。目前，工业现场常用的直线位移传感器可分为光电式 、电场式和磁场式三大类。在工作环境较为恶劣的场合，磁场式直线位移传感器常被优先采用，作者在研究磁场式直线位移传感器时发现，动尺与定尺间间隙变化、平行度差等装配问题对传感器的测量性能具有明显的影响，因而在对传感器的结构进行改进时，提出了文中所述的一种双边传感型电磁感应式直线位移传感器。该传感器采用了２ 个相同的动尺，置于定尺两边同时传感，可以有效减小动尺和定尺的装配问题带来的影响。

１　传感器的结构和工作原理

       文中所述的直线位移传感器基于电磁感应原理设计。传感器主要由带激励线圈的定尺、带感应线圈的动尺和动尺安装基体组成。

       定尺上的激励线圈和动尺上的感应线圈分别在定尺和动尺上周期性分布。其中，激励线圈分为２ 组，二者的周期起始位置相差１／４ 周期；感应线圈只有１ 组，其周期长度与激励线圈相同。感应线圈被设计为正弦形状，目的在于使其接收的磁通量变化服从正弦规律（见下文关于工作原理的介绍）。为了减小动尺与定尺的装配问题对传感器测量性能的影响，传感器采用了双边传感结构。２个相同的动尺嵌入到动尺安装基体，安装于定尺的两边工作。动尺的结构与装配方式，使动尺与定尺之间的间隙总和保持不变。当其中一边的动尺接收的磁通量减小或增加时，另一边的动尺接收的磁通量增加或减小。在对传感器输出的信号处理时，需要将２ 个动尺输出的感应信号叠加求和。因此，相比于一边动尺结构，双边动尺结构有助于减小传感器的安装问题对传感器输出信号的影响。

       该传感器工作时，需要在２ 组激励线圈中输入两相交变信号，使动尺产生随被测位移发生周期性变化的感应信号 。将被测位移与动尺输出信号的相位建立线性关系。

２　传感器的模型和仿真

       为了验证传感器结构的可行性，使用有限元仿真软件对传感器的模型进行了创建与仿真。仿真模型传感器结构进行设计，模型的主要参数进行设置。在仿真过程中， 将动尺的仿真步长设置为０．４ ｍｍ，故在传感器的一个重复结构周期（８ ｍｍ）内取了２０ 个位置点进行仿真。其中，每个点的位置信息都与感应线圈产生的感应信号有特定的线性关系。

       在仿真过程中，针对单边动尺结构和双边动尺结构的传感器模型，分别设置了定尺与动尺间多种间隙进行仿真，从仿真结果可以看出，采用双边动尺结构的传感器模型，其感应线圈输出的感应电动势更强且受动尺与定尺之间的间隙变化影响较小。

根据式（１２）可知，对于２０ 个位置点上的仿真曲线，如果提取同一时刻下曲线对应的数值，则这２０ 个数值将服从正弦规律。提取仿真曲线在同一时刻的数值。将２ 条曲线与标准正弦曲线相比可知，提取出的数据更服从正弦规律，即双边动尺结构的传感器应具有较好的测量性能。

３　传感器的样机和实验

       由于传感器涉及的线圈均为平面线圈，所以传感器样机采用ＰＣＢ 工艺制作激励线圈和感应线圈。将激励线圈与感应线圈印制于电路板上，即动尺与定尺皆为包含线圈的电路板。由于较多的重复结构周期数能增强传感器的多测头平均效应 ，所以为了得到更好的感应信号，传感器动尺上的感应线圈被设计为５ 个重复结构周期。

       为了测试传感器样机的测量性能。实验平台主要由待测传感器样机、直线导轨、电机及其驱动系统、信号采集系统等几部分组成。动尺安装于导轨的运动部分，定尺垂直安装于工作台。在导轨的另一侧，以同样的方式安装有一套光栅。实验过程中，以光栅输出的直线位移量为测量基准量。将传感器样机的测量数据与光栅输出的测量数据相比较，可以得到传感器样机的测量误差。

       为了与仿真实验保持一致，首先将传感器样机的激励线圈和感应线圈的重复结构周期设计为８ ｍｍ。传感器样机在双边结构下在一个重复周期内的误差曲线，重复结构周期为８ ｍｍ时，周期内误差较大，因而作者又设计了激励线圈和感应线圈的重复周期为２ ｍｍ 的传感器样机。对传感器样机在单边动尺结构（只安装一边动尺实现）和双边动尺结构下进行了测试。两种动尺结构下传感器样机在一个重复周期内的误差曲线。与第一个传感器样机相比，新设计的传感器样机的测量误差整体上明显减小，而且双边动尺结构下传感器样机在一个重复周期内的误差受动尺与定尺间间隙变化的影响较小。

        传感器样机具有一次短周期误差，且该周期误差具有较好的规律性。对于图７ 所示的传感器样机测量误差，分析可知主要来源包括：动尺和定尺ＰＣＢ 制作误差、传感器装配不理想、激励线圈电缆与感应线圈电缆产生耦合等。除了测试新设计传感器样机一个重复周期内的误差，还测试了其大量程内的性能。在０～３００ ｍｍ 范围内，２ ｍｍ重复周期的传感器样机的误差。

４　结束语

        该文章提出了一种双边传感型电磁感应式直线位移传感器，目的在于减小传感器动尺与定尺间间隙变化、平行度差等装配问题对传感器测量性能的影响。文中先后描述了传感器的结构、工作原理、仿真模型、仿真结果、样机和实验结果。传感器的仿真和实物实验，不仅验证了该文章提出的传感器结构方案具备可行性，而且表明双边动尺结构的传感器在测量性能方面比单边动尺结构的传感器具有明显优势。

        虽然最终的传感器样机测量误差仍有几十μｍ，但测量误差具有较好的规律性。因此，随着后期的深入研究，通过改进传感器结构、加工工艺和装配方式，作者相信可以消除其测量误差中的规律成分，从而进一步提高该传感器的测量性能。

 

 

 

 

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