1. 绪论
涂布白板纸1.1 本课题的背景、来源及意义
本课题属于重庆市自然科学基金项目——“基于MEMS技术三相感应栅式位移传感器的理论及应用研究（CSTC,2008BB2336）”的相关研究内容。 近代工业与科学技术的迅速发展，随之需要高精度的测量技术和手段产生[1]。精密计量技术是保障产品质量的重要手段，同时也是进行科学研究的重要工具。计量测试是经济、科技与社会发展的重要技术基础，其水平高低已成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一[2]。精密测量技术作为机械工业发展的基础与先决条件，已经被生产发展的历史所确认。高精度精密量仪和高精度精密机床，作为测量母机和工作母机是各种机械获得精度的基础，而它们本身的精度又对长度、角度、几何精度等基础机械技术很依赖[3]。 21世纪作为人类全面进入电子信息化的一个时代，随着人类领域空间和探知的拓展，使人们需要获取电子信息的种类也日益增加，不断要求增强信息处理的能力和加快信息传递的速度，因此要求与之相对应的信息技术中的三大核心技术：信息采集技术——传感技术、信息传递技术——通讯技术和信息处理技术——计算机技术必须跟上人类信息化发展的需要[4]。传感器是人类探知自然界信息的触角，它可以将人们需要探知的各种非电量的信息转化成可测量的电量信息，能为人们认识与控制相应的对象提供很好
醇醚燃料的条件和依据。作为现代信息技术三大核心之一的传感器技术，将是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点[5]。
在我国，一方面，制造业和国防等需要大量高精度和高可靠性的位移测量部件；而另一方面，我国的光栅、感应同步器、磁栅、球栅和容栅等位移测量关键部件，又只能提高大量的中低水平测量部件，这与国外先进水平存在很大的差距。这就造成一个现实：一方面，我们在位移测量领域的竞争中处于劣势，高端产品需要大量进口，失去了巨大的市场；另一方面，国外为了避免位移测量方面的高技术产品使用于军事，对我国进口高技术的产品加以各种限制。 为了改变目前这种现状，采用新技术和新原理研制高精度、高可靠性和环境适应性强的位移传感器，来满足我国的工业生产和国防需要，是我国科研技术人员的责任。毫无疑问，其产品也具有很大的市场。国内外研制的感应同步器、光栅、磁栅、容栅和球栅等高精度位移测量系统，都是采用精密加工和增加刻线密度提高其产品精度。
时栅传感器是一种“提出的不用刻线尺而实现精密角位移测量的新方法和技
术…”，其基本思想是“用时间测量空间”，精度可达±0.8″[6-7]。它同制造电动机一样，在定子和转子上刻槽和绕线圈，其特点是结构简单、加工方便，但精度高。在时栅研究过程中发现，同样条件下，32对极的时栅传感器精度要优于24对极。而同样大小的传感器，若增加对极数，只有增加空间刻线密度。
如何增加刻线密度，进而提高时栅的对极数，一直是我们寻求的目标。
MEMS加工技术是成熟的微细加工技术[8]。它具有微型化、集成化、生产成本低等特点，它是微米级、亚微米级、甚至可达纳米级的微细加工技术。如果用MEMS 加工技术，就会使传感器刻线密度增加、刻线尺寸精确，这更有利于提高传感器的测量精度，同时可以把传感器做得更小，使传感器能更加方面灵活地应用到更多的领域。
本课题从增加刻线密度，提高对极数等方面研究新型栅式位移传感器的设计，以提高位移传感器的精度。
1.2 位移传感器的国内外研究现状
自从1920年传感器起步以来，人们就在不断探索各种新的传感器结构及材料，将物理量转换为电信号，来获得各种条件下的对物理现象更为精确和客观的理性认识。近年来，微处理器技术的飞速发展，陶瓷、光纤、有机材料等新材料的开发，这对传统传感器的技术带来了巨大冲击。现在，新型传感器的开发都大量使用新材料和新工艺，配合微电子技术，正以更高的速度向着功能化、集成化、智能化的方向前进。
随着生产的发展，位移测量器具不断的涌现，测量的精度也在不断的提高。目前，精密的位移测量广
泛采用光栅、感应同步器、磁栅、球栅等。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[9-11]。激光的波长由频率决定，频率是一个时间量，因而时间与空间统一了起来，可算一次飞跃。激光干涉仪是目前在测量长度中精度最高的仪器，也可用在高精度小角度测量中，但是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，才得到广泛应用，它并没能变动工程测量中空间对空间的关系。
光栅是目前应用最为广泛的栅式传感器，它精度高，技术成熟。光栅技术的基础是莫尔条纹，在1874年，英国物理学家L.Rayleigh第一次揭示出了莫尔条纹的科学与工程价值。但直到1950年，计量光栅在位置测量领域中的实际应用比较少，这主要是由于光栅的价格昂贵和电子计数技术仍处于初始阶段。但从此计量光栅技术的发展从两个方向得以展开——制造廉价的光栅和研究适用的光学电子系统。在制造廉价计量光栅这方面，在1950年，英国国家NPL物理实验室，Merton提出了制造廉价的大尺寸炫耀衍射光栅的新方法，也就是著名的Merton-NPL法中的塑料复
制工艺。采用该方法，可以生产出来便宜的明胶光栅。而1950年，德国Heidenhain 首创的DIADUR复制工艺，即在玻璃基板上，蒸发镀铬的光栅的复制工艺，这才能制造出高精度，并且廉价的光栅刻度尺，这时，光栅计量仪器才被用户所接受，进入了商品市场。在1960年，MPL的Burch和Sayce，稍后，MEL——英国国家工程实验室的Kilebride，他提出用母光栅制造，来进行任意长度制造的照相复制法，该照相光栅，既可以复制在透明基板上作反射光栅来使用，又可以复制在金属基板上作反射光
栅来使用。而且因为莫尔条纹的平均作用，制造出的照相光栅的精度比母光栅的精度要高。这一方法适合制造栅距比较大的幅值光栅，即黑白光栅。上述两种光栅的复制工艺出现，使大量生产廉价的计量光栅成为可能。
计量光栅是利用莫尔现象来实现对长度、角度等几何量的测量。莫尔条纹是光栅进行测量的基础，虽然，不同形式的光栅产生的莫尔条纹形式也有所不同，但最终都是将位移的变化转化为莫尔条纹光强的周期性变化。在光栅传感器内部，有主光栅和指示光栅两块光栅。主光栅作为测量的基准部件，而指示光栅作为取信号来用。工作时，将主光栅和指示光栅的刻线面相对放置，二者之间留有极小的间隙。相叠合后就组成了光栅付，然后将其放置在光源和透镜形成的平行光束的光路中。当移动主光栅时，透过光栅付的光就会作明暗相间的变化，这种作用就如同闸门一样，形成光闸莫尔条纹。光栅具有原理简单、测量范围大、测量精度高、易于实现自动化测量和数字显示等优点。
我国计量光栅的研究开始于1960年左右，之后有不少单位做了大量的工作，在光栅的制造和应用等方面开展了多项研究。在机床、仪器、计量测试等方面也取得了许多成果。随着数显和数控技术的推广应用，计量光栅技术在我国也将进一步得到更广泛的应用[11-12]。
感应同步器也是得到广泛应用的位移传感器之一，它的技术发展已很成熟。它是利用两个平面形绕组的互感随相互位置的不同而变化的原理而构成的。利用电磁耦合的原理，将测量位移或转角变成电信
号。它包括直线型和圆形感应同步器，直线型的结构包括定尺和滑尺，圆形包括定子和转子。在定子和转子上，用印刷线路制成平面型线圈绕组，它们的节距是相同的。向转子通以交流激磁电压，则在转子中产生激磁电流，绕组周围就会产生按正弦规律变化的磁场，由于电磁感应，在定子上感出感应电压，当定子和转子间产生相对位移时，由于电磁耦合变化，使定子上的感应电压随位移的变化而变化。可以将它看作一个耦合系数随相对位移而变化的变压器，其输出的电动势与位移具有正弦、余弦的关系。利用电路对感应电动势进行适当的处理，就能把被测位移显示出来。颗粒冷却塔
这种利用电磁感应的位置检测元件，是50年代美国Farrand公司应美国空军提出的要求而发明的。从本质上来看，它是一种采用平面形绕组的分解器，最早研制成功的
感应同步器是旋转型的，其直径为127mm，具有108个对极的圆感应同步器。这个圆感应同步器，成功地用在导弹制导设备的跟踪系统当中，当时，准确度为5″，重复精度为1″，灵敏度为0.25″。
历经50多年的应用与发展，感应同步器测量系统已经成为一种很重要的、应用很广的位置检测系统。Farrand公司目前仍是感应同步器生产的主要厂家，该公司感应同步器的水平在世界上一直处于领先地位，所生产的标准型直线感应同步器准确度达±1µm，分辨力为0.03um；其生产出的圆感应同步器的准确度可达±0.5″，分辨率为0.36″。带式感应同步器采用长达2m的玻璃母板，移位方式精密定位感光与滚压法粘制铜箔，自动腐蚀的工艺而制成，最长可达30m。
在20世纪70年代中期，我国自主研制出了圆感应同步器和直线感应同步器，并且形成了年产数万块的生产能力。目前，生产感应同步器的主要厂家有上海水平仪厂、武汉重型机床研究所、昆明机床厂和广州机床研究所等。感应同步器在数显系统的应用方面，开发出了包括镗床、坐标镗床、磨床、铣床、车床、龙门铣床等，多种机床的数显机床新产品，改造了现有各种机床设备数万台。机床的坐标定位准确度达±0.003mm/m，分度准确度达±（1″～2″）/360°，而接长长度可达16m。感应同步器的数显系统还能用于仪器仪表、航空航天和计量领域许多方面。作为数控机床位置闭环的测量元件，感应同步器在我国也将得到广泛的应用。
1958年，在布达佩斯举行的第四届国际计量和测试大会上，捷克工程师K.sepanek第一次向世界介绍了一种新型基准测尺——磁栅和它在测量技术中应用试验研究的情况。次年秋，在布尔诺举行的国际博览会上展出了用于测量齿轮和机床传动链精度的IMO系列磁栅式测量仪，它由捷克布拉格机床研究所与TOS公司共同研制成功。自此，一种新型测量技术——磁栅技术，便正式宣告问世。60年代初期，英国Syeks公司宣布，已经取得捷克的磁栅式测量装置专利，并且生产出了与捷克IMO装置极其类似的Temac系统。在60年代，IMO装置与Temac装置作为最新型的测量装置被许多国家采用，在提高圆分度精度与角度测量技术方面也取得显著的成绩。
目前，圆磁栅的角节距一般为几分至几十分，长磁栅常用的磁信号的节距一般是0.05mm和0.02mm两种。磁栅对环境条件要求比较低，并且对周围磁场有很强的抗干扰能力，在油污、粉尘较多的地方也
使用有较好的稳定性。
我国对磁栅检测技术研究也较早，在1961年上海机床厂试制成功了刻制圆磁栅的大型录磁机，并且能刻出±1″的圆形磁栅。1963年，重庆机床厂和北京机床研究所联合研制成功类似于捷克IMO-S型或英国TemacMM型的DZ-1型差频模拟式的机床传动链传动精度测量装置。自60年代中期，随着激光技术的应用推广，上海机床厂、汉江机床厂、上海机床研究所和北京市机床研究所，先后研制成功1m和3m
激光录磁机。70年代初，北京机床研究所与上海机床研究所在宁江机床厂、上海机床厂等单位合作下，研制成功了类似于日本SONY磁尺公司的磁栅数显产品，汉江机床厂也研制成功了磁栅式丝杠动态精度检查仪，并陆续提供给国内的用户使用。但是由于种种原因，磁栅市场逐渐萎缩了，目前国内已经很难到一家录制磁栅的单位。
表1.1 位移测量指标
直线测量圆分度测量
分辨率精度分辨率精度电子智能印章
一般最高一般最高一般最高一般最高
10~30um3um 0.5″ 0.1″6″~10″1″~0.5″1um 0.1um
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，测量指标情况如表1.1所示[13]。在上述几种位移传感器中，光栅的应用最为广泛。目前，世界光栅市场基本被德国Heidenhain公司和Renishaw公司所占领。由于技术上的限制，中国很难进口到国外高精度的光栅。光栅技术虽然出现了几十年时间，但我国目前尚无能力大批量制造高精度商品化的光栅。究其原因，主要是光栅制造工艺比较复杂，对相关配套的技术要求也很高。
改变目前这种现状，要利用新技术和新原理研制高精度、高可靠性和环境适应性强的位移传感器，来满足我国工业生产、国防需要。毫无疑问，其产品也具有巨大的市场，社会影响也将是巨大的。
1.3 本文的主要研究内容
为提高栅式位移传感器的精度，作者研究了时栅和感应同步器的工艺和测量原理，设计出一款新型的基于MEMS技术工艺的栅式位移传感器，提出了新的方法和应用技术。本文共分以下几个部分来介绍研究内容：
①几种常用的位移传感器测量原理
分别介绍了光栅、感应同步器和时栅的测量原理，为进一步研究新型栅式位移传感器提供理论依据。
保安接线排②新型栅式位移传感器的关键技术
（1）研究感应同步器的工作原理和结构，设计了一款新型栅式位移传感器。
（2）详细论述了新型位移传感器结构的设计，并详细介绍了绕组结构基于Tanner Pro设计软件进行绘制和基于MEMS技术的加工工艺。
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