基于微线圈的全数字式涡流栅传感器

基于微线圈的全数字式涡流栅传感器

技术领域

本发明涉及的是一种位移测量技术领域的传感器，具体是一种基于微线圈的全数 字式涡流栅传感器。

背景技术

目前，制造业作对各种在线检测手段也提出了越来越高的要求，除了高精度、非接 触、数字化等测量性能要求之外，对于防护性能的要求也是与日俱增，以期适应各种恶劣的 制造业工作环境。在制造业现场最具代表的就是具有防水功能的电子数显卡尺，这是一种 量大面广的常规量具，市场容量巨大、应用广泛。目前，能够真正在测量原理上达到IP67防 护级别的防水性电子数显卡尺生产商主要有日本Mitutoyo（以其独特的电感传感器为核心 构成）、瑞士Sylvac（以原创的感应同步器传感器为核心）、瑞士Tesa（以磁阻传感器为核 心）。

“涡流栅”是一种全新的防水型大量程绝对位移传感器，它的工作原理是基于横 向电涡流效应的栅式位移传感器，传感器有定尺和动尺两部分组成，二者面对面叠合在一 起，并保持有一定间隙；定尺上布置有若干反射导体，动尺上布置有若干微线圈和电路；利 用线圈与反射导体之间的横向位移产生的信号变化，实现位移的绝对测量，防水等级可达 IP67。

第一代涡流栅是一种模拟式位移传感器（具有误差平均效应的涡流栅绝对位置传 感器，CN101324420），传感器设置两个测量码道，每个码道的反射导体为均匀分布，每个码 道上布置4个线圈、成差动布局；所有8个线圈采用LC振荡器激励和调频电路输出8路频率信 号，经过计算形成4路差动信号；每个码道的4路信号计算出该码道的相位，然后利用两路信 号的相位差计算位移。这种模拟式涡流栅传感器的主要问题是：线圈与反射导体均采用PCB 工艺制作，制造精度无法保证，因而定位精度不高，测量误差较大。另一方面，由于传感器内 部存在模拟信号，抗干扰能力较弱，性能不稳定。

第二代涡流栅是一种模数混合式传感器（组合编码式涡流栅绝对位置传感器， CN101806575A），传感器也是设置两个码道，一个是测量码道，另一个是编码码道；在定尺 上，测量码道的反射导体为均匀分布，布置4个线圈、成差动布局，编码码道反射导体为按照 一维循环编码规律分布；在动尺上，对应两个码道分别布置若干个线圈，所有线圈均采用LC 振荡器激励和调频电路输出频率信号。编码码道利用一维循环编码实现传感器在一定区间 内的粗定位（即位移值的大数），测量码道利用差动线圈的输出信号的相位计算出传感器在 这个定位区间内的准确位移（即位移值的小数）。这种方法的定位精度有所提高，但是同样 由于受PCB制造工艺和模拟信号的限制，测量码道的测量依然误差较大，可靠性不够高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有涡流栅传感器存在的PCB制造精度低、模拟信号抗干 扰能力差的弊端，提出一种基于微线圈的全数字式涡流栅传感器。

本发明的涡流栅传感器的线圈采用MEMS工艺制作，而且采用大量微线圈组成绝对 编码形式，实现大量程位移的测量。本发明的涡流栅传感器制造精度极高、全数字化，具有 精度高、可靠性强、系统简单、成本低、性价比高、实用性强，可以成为第三代涡流栅传感器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的涡流栅传感器由定尺和动尺两部分组成，二者面对面叠合在一起，并保持有 一定间隙；定尺上布置若干反射导体，动尺上布置有若干线圈和电路；当动尺相对于定尺移 动时，线圈在反射导体中产生的电涡流效应产生周期性的强弱变化，并输出相应的电信号， 电路通过计算可以得出位移测量结果。

本发明的涡流栅传感器的特殊之处在于，所述的线圈和反射导体是布置在多个码 道之上的，码道数大于2，而且线圈和反射导体是按照绝对编码的方法和码制进行布置的， 从而实现位移的绝对编码，实现了数字式位移传感器。

本发明的定尺的特殊之处在于，所述的定尺采用PCB工艺制作，具有足够的长度， 以满足测量范围的需求。定尺表面利用敷铜制作有多个反射导体，与定尺成为一体。

本发明的反射导体的特殊之处在于，所述的多个反射导体沿定尺宽度方向均匀分 布成多个码道，各码道之间的距离相同。在每个码道上多个反射导体沿定尺长度方向按照 一定的码制规律布置，每个码道是编码的一位。

本发明的动尺的特殊之处在于，所述的动尺同样采用PCB工艺制作，具有一定的长 度。定尺表面嵌入多个微线圈，通过在反射导体上产生的电涡流效应获取电信号。动尺制作 有电路，位于微线圈的一侧，与动尺成为一体，为微线圈提供激励信号，同时产生输出电信 号，并通过计算得出位移测量结果。

本发明的线圈的特殊之处在于，所述的线圈是采用MEMS工艺制作的微型线圈，尺 寸小，从而可以实现传感器的多码道（码道数远远大于2）。而且微线圈的匝数多，制造精度 高，有利于提高测量精度。

本发明的线圈的特殊之处还在于，所述的线圈的数量与码道数相同，沿动尺宽度 方向均匀拍成一列分布，线圈的间距与码道的间距一致，每个线圈对应一个码道。

本发明的电路的特殊之处在于，所述的电路由多个振荡器、整形电路和处理器组 成。振荡器采用LC振荡器为所有线圈提供激励，振荡器的数量与线圈的数量相同。振荡器输 出电平信号，当某个码道上的某个线圈与该码道上的某个反射导体相对时，电涡流最强，振 荡器输出高电平；当某个码道上的某个线圈处于该码道上的某两个反射导体之间时，电涡 流最弱，振荡器输出低电平。振荡器输出的电平经过整形电路后转换为数字1或0，并送入处 理器进行处理和计算。当动尺相对于定尺移动时，振荡器不断输出高电平与低电平，经过整 形电路之后转换为数字1与0，从而回避了模拟信号，实现了全数字式涡流栅传感器。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

[图1为本发明的全数字式涡流栅传感器组成示意图；

图2为本发明的全数字式涡流栅传感器结构布局三维示意图；

图3为本发明的采用二进制码的5位码道的反射导体排列分布示意图；

图4为本发明的利用MEMS工艺制作的单层15匝矩形线圈示意图；

图5为本发明的传感器电路组成原理示意图。图中，1为定尺，2为动尺，3为反射导体，4 为线圈，5为电路，6为振荡器，7为整形电路，8为处理器；

图6为摘要附图。