一種雙邊傳感型電磁感應式直線位移傳感器

作者：谷星瑩 湯其富 彭東林 翁道纛

 

 

 

       直線位移傳感器作為機床的直線運動和位置反饋部件，在工業領域有著廣泛的應用。目前，工業現場常用的直線位移傳感器可分為光電式 、電場式和磁場式三大類。在工作環境較為惡劣的場合，磁場式直線位移傳感器常被優先采用，作者在研究磁場式直線位移傳感器時發現，動尺與定尺間間隙變化、平行度差等裝配問題對傳感器的測量性能具有明顯的影響，因而在對傳感器的結構進行改進時，提出了文中所述的一種雙邊傳感型電磁感應式直線位移傳感器。該傳感器采用了２ 個相同的動尺，置于定尺兩邊同時傳感，可以有效減小動尺和定尺的裝配問題帶來的影響。

１　傳感器的結構和工作原理

       文中所述的直線位移傳感器基于電磁感應原理設計。傳感器主要由帶激勵線圈的定尺、帶感應線圈的動尺和動尺安裝基體組成。

       定尺上的激勵線圈和動尺上的感應線圈分別在定尺和動尺上周期性分布。其中，激勵線圈分為２ 組，二者的周期起始位置相差１／４ 周期；感應線圈只有１ 組，其周期長度與激勵線圈相同。感應線圈被設計為正弦形狀，目的在于使其接收的磁通量變化服從正弦規律（見下文關于工作原理的介紹）。為了減小動尺與定尺的裝配問題對傳感器測量性能的影響，傳感器采用了雙邊傳感結構。２個相同的動尺嵌入到動尺安裝基體，安裝于定尺的兩邊工作。動尺的結構與裝配方式，使動尺與定尺之間的間隙總和保持不變。當其中一邊的動尺接收的磁通量減小或增加時，另一邊的動尺接收的磁通量增加或減小。在對傳感器輸出的信號處理時，需要將２ 個動尺輸出的感應信號疊加求和。因此，相比于一邊動尺結構，雙邊動尺結構有助于減小傳感器的安裝問題對傳感器輸出信號的影響。

       該傳感器工作時，需要在２ 組激勵線圈中輸入兩相交變信號，使動尺產生隨被測位移發生周期性變化的感應信號 。將被測位移與動尺輸出信號的相位建立線性關系。

２　傳感器的模型和仿真

       為了驗證傳感器結構的可行性，使用有限元仿真軟件對傳感器的模型進行了創建與仿真。仿真模型傳感器結構進行設計，模型的主要參數進行設置。在仿真過程中， 將動尺的仿真步長設置為０．４ ｍｍ，故在傳感器的一個重復結構周期（８ ｍｍ）內取了２０ 個位置點進行仿真。其中，每個點的位置信息都與感應線圈產生的感應信號有特定的線性關系。

       在仿真過程中，針對單邊動尺結構和雙邊動尺結構的傳感器模型，分別設置了定尺與動尺間多種間隙進行仿真，從仿真結果可以看出，采用雙邊動尺結構的傳感器模型，其感應線圈輸出的感應電動勢更強且受動尺與定尺之間的間隙變化影響較小。

根據式（１２）可知，對于２０ 個位置點上的仿真曲線，如果提取同一時刻下曲線對應的數值，則這２０ 個數值將服從正弦規律。提取仿真曲線在同一時刻的數值。將２ 條曲線與標準正弦曲線相比可知，提取出的數據更服從正弦規律，即雙邊動尺結構的傳感器應具有較好的測量性能。

３　傳感器的樣機和實驗

       由于傳感器涉及的線圈均為平面線圈，所以傳感器樣機采用ＰＣＢ 工藝制作激勵線圈和感應線圈。將激勵線圈與感應線圈印制于電路板上，即動尺與定尺皆為包含線圈的電路板。由于較多的重復結構周期數能增強傳感器的多測頭平均效應 ，所以為了得到更好的感應信號，傳感器動尺上的感應線圈被設計為５ 個重復結構周期。

       為了測試傳感器樣機的測量性能。實驗平臺主要由待測傳感器樣機、直線導軌、電機及其驅動系統、信號采集系統等幾部分組成。動尺安裝于導軌的運動部分，定尺垂直安裝于工作臺。在導軌的另一側，以同樣的方式安裝有一套光柵。實驗過程中，以光柵輸出的直線位移量為測量基準量。將傳感器樣機的測量數據與光柵輸出的測量數據相比較，可以得到傳感器樣機的測量誤差。

       為了與仿真實驗保持一致，首先將傳感器樣機的激勵線圈和感應線圈的重復結構周期設計為８ ｍｍ。傳感器樣機在雙邊結構下在一個重復周期內的誤差曲線，重復結構周期為８ ｍｍ時，周期內誤差較大，因而作者又設計了激勵線圈和感應線圈的重復周期為２ ｍｍ 的傳感器樣機。對傳感器樣機在單邊動尺結構（只安裝一邊動尺實現）和雙邊動尺結構下進行了測試。兩種動尺結構下傳感器樣機在一個重復周期內的誤差曲線。與第一個傳感器樣機相比，新設計的傳感器樣機的測量誤差整體上明顯減小，而且雙邊動尺結構下傳感器樣機在一個重復周期內的誤差受動尺與定尺間間隙變化的影響較小。

        傳感器樣機具有一次短周期誤差，且該周期誤差具有較好的規律性。對于圖７ 所示的傳感器樣機測量誤差，分析可知主要來源包括：動尺和定尺ＰＣＢ 制作誤差、傳感器裝配不理想、激勵線圈電纜與感應線圈電纜產生耦合等。除了測試新設計傳感器樣機一個重復周期內的誤差，還測試了其大量程內的性能。在０～３００ ｍｍ 范圍內，２ ｍｍ重復周期的傳感器樣機的誤差。

４　結束語

        該文章提出了一種雙邊傳感型電磁感應式直線位移傳感器，目的在于減小傳感器動尺與定尺間間隙變化、平行度差等裝配問題對傳感器測量性能的影響。文中先后描述了傳感器的結構、工作原理、仿真模型、仿真結果、樣機和實驗結果。傳感器的仿真和實物實驗，不僅驗證了該文章提出的傳感器結構方案具備可行性，而且表明雙邊動尺結構的傳感器在測量性能方面比單邊動尺結構的傳感器具有明顯優勢。

        雖然最終的傳感器樣機測量誤差仍有幾十μｍ，但測量誤差具有較好的規律性。因此，隨著后期的深入研究，通過改進傳感器結構、加工工藝和裝配方式，作者相信可以消除其測量誤差中的規律成分，從而進一步提高該傳感器的測量性能。

 

 

 

 

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