非等齒耦合位移傳感器的研究*

朱 革，郭增強(qiáng)，王先全，羅 靜，袁亞輝

（重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400054）

0 引言

基于文獻(xiàn)［1］中提出的“時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”理論，設(shè)計(jì)了多種用于位移測(cè)量的時(shí)柵位移傳感器，包括測(cè)量角位移和直線位移的傳感器，并且取得了一定的成果。前期研究的時(shí)柵位移傳感器經(jīng)中國(guó)測(cè)試計(jì)量研究院測(cè)試，32對(duì)極可達(dá)±0.8″，24 對(duì)極可達(dá) ±1.0″［2］。通常，傳感器的空間刻線槽越多，極對(duì)數(shù)越多，空間刻劃越細(xì)，傳感器的精度就越高，但是增加開(kāi)槽數(shù)就增加了加工難度?；谶@種現(xiàn)狀在時(shí)柵位移傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，旨在不增加最大開(kāi)槽數(shù)的前提下獲得更多的極對(duì)數(shù)和測(cè)頭數(shù)，從而利于提高測(cè)量的精度［3］。

1 非等齒耦合位移傳感器的原理

由于提出的這種結(jié)構(gòu)是在時(shí)柵位移傳感器基礎(chǔ)上的改進(jìn)，故其原理和時(shí)柵相似，采用控制電機(jī)型的線圈繞組結(jié)構(gòu)，利用定子和轉(zhuǎn)子的線圈繞組的互感隨位置而變化的電磁感應(yīng)原理，將機(jī)械轉(zhuǎn)角精確地轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。所不同的是提出了轉(zhuǎn)子繞組激勵(lì)，定子繞組繞線槽間距為電氣角度非常規(guī)300°的三相感應(yīng)輸出的新結(jié)構(gòu)，這樣其極對(duì)數(shù)為n/2（一周槽數(shù)n），測(cè)頭數(shù)為3n/5，從而使極對(duì)數(shù)和側(cè)頭數(shù)增多［4］。

通過(guò)給傳感器的激勵(lì)繞組施加余弦激勵(lì)信號(hào)（E=Emcosωt），在感應(yīng)繞組上形成包含空間角度α和激勵(lì)信號(hào)頻率ω的感應(yīng)信號(hào)

通過(guò)比較激勵(lì)信號(hào)和感應(yīng)信號(hào)的相位差α，實(shí)現(xiàn)位移（或角度）的檢測(cè)［5］。

圖1是兩相非等節(jié)距時(shí)柵位移傳感器的信號(hào)模型示意圖。在5個(gè)周期內(nèi)，它有均勻分布的6個(gè)測(cè)頭，每個(gè)測(cè)頭間電氣角度為300°。傳感器在E=Emcosωt信號(hào)的激勵(lì)下，其感應(yīng)信號(hào)為

將閉合線圈A，B，C的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別在時(shí)間上延遲0°，120°，240°，然后疊加，即

所得感應(yīng)信號(hào)是與激勵(lì)信號(hào)同頻率的正弦信號(hào)?？梢酝ㄟ^(guò)鑒相，檢測(cè)位移［6］。

圖1 非等齒時(shí)柵傳感器的信號(hào)模型圖Fig 1 Signal model of time grating sensor with unequal-tooth

2 非等齒耦合位移傳感器的結(jié)構(gòu)

為了在不增加最大開(kāi)槽數(shù)的條件下得到更多的極對(duì)數(shù)，本文提出了非等齒耦合位移傳感器的結(jié)構(gòu)，如圖2，（考慮傳感器對(duì)材料導(dǎo)磁性，剩磁的要求和加工工藝及經(jīng)濟(jì)性，采用45鋼作為定轉(zhuǎn)子的材料），在轉(zhuǎn)子和定子上分別均勻開(kāi)取一定數(shù)目的槽，在轉(zhuǎn)子上繞制連續(xù)的一相繞組，定子上繞制三相繞組;在轉(zhuǎn)子上施加余弦激勵(lì)，當(dāng)轉(zhuǎn)子隨轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一個(gè)對(duì)極內(nèi)在轉(zhuǎn)子周?chē)纬?個(gè)周期的正弦磁場(chǎng)，如圖3。由于電磁感應(yīng)作用，在定子的感應(yīng)線圈上就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的三相感應(yīng)信號(hào)，通過(guò)上述的信號(hào)調(diào)理過(guò)程，將感應(yīng)信號(hào)疊加成為可用于測(cè)量的感應(yīng)信號(hào)E=Emsin（ωt－α）［6］。

該傳感器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，定子和轉(zhuǎn)子分別均勻開(kāi)槽，定子槽距和轉(zhuǎn)子槽距分別相等，定子槽距是轉(zhuǎn)子槽距的5/3倍，定子槽數(shù)是轉(zhuǎn)子槽數(shù)的3/5倍。

圖2 非等齒耦合位移傳感器的結(jié)構(gòu)Fig 2 Structure of the displacement sensor with unequal-tooth coupling

圖3 傳感器的展開(kāi)示意圖與磁場(chǎng)沿空間分布Fig 3 Unfold illustration of sensor and magnetic-field distribution

此種結(jié)構(gòu)在最大開(kāi)槽數(shù)相同時(shí)與其他電磁感應(yīng)傳感器相比獲得的極對(duì)數(shù)和測(cè)頭數(shù)是不同的。在最大開(kāi)槽數(shù)一定的情況下，非等齒耦合位移傳感器的極對(duì)數(shù)可以達(dá)到感應(yīng)同步器采用印刷電路式的極對(duì)數(shù)，并且測(cè)頭數(shù)要比感應(yīng)同步器多。故在同一直徑的圓上，加工最大開(kāi)槽數(shù)相同，非等齒耦合位移傳感器可以得到較多的極對(duì)數(shù)和測(cè)頭數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

待標(biāo)定傳感器最大開(kāi)槽數(shù)為360（定轉(zhuǎn)子槽數(shù)分別為216，360）。以高精度光柵為基準(zhǔn)，傳感器和光柵通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)的中心軸相聯(lián)接，傳感器和光柵的外殼固定在機(jī)架上。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光柵和傳感器以同樣的角度轉(zhuǎn)動(dòng)［5，6］。利用光柵作為標(biāo)準(zhǔn)，每轉(zhuǎn)一個(gè)角度，分別讀出光柵和傳感器的角度值，兩者的差值就是傳感器的誤差（本實(shí)驗(yàn)取一對(duì)極內(nèi)0°～10°，每 0.2°取一個(gè)點(diǎn)）。多次測(cè)量，取一組誤差數(shù)據(jù):

（5.9，－1.5，6.0，－ 1.7，5.9，－ 2.2，6.5，－ 2.5，6.3，－3.1，6.1，－5.1，4.9，－4.7，4.1，－ 3.8，5.2，－ 3.3，4.3，－2.2，3.0，－3.2，4.8，－ 5.1，4.2，－ 5.5，3.7，－ 5.3，3.3，－6.3，2.7，－5.0，1.3，－ 4.2，2.2，－ 4.9，2.1，－ 3.2，2.7，－5.0，1.3，－4.2，2.2，－ 3.4，1.5，－ 3.2，1.3，－ 3.6，1.8，－2.9），利用工具軟件對(duì)誤差數(shù)據(jù)處理得到傳感器的角位移誤差曲線如圖4所示?？梢?jiàn)傳感器的角位移誤差在±6.5″。而最大開(kāi)槽數(shù)為360（定轉(zhuǎn)子槽數(shù)分別為360，120）的三相時(shí)柵的角位移誤差在±4″，擬合后的誤差在±0.8″。

由于實(shí)驗(yàn)采用的信號(hào)處理電路是基于三相時(shí)柵的信號(hào)處理電路，故其精度與時(shí)柵相比有一定差距。

4 結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)和分析表明:該傳感器可以在不增加最大開(kāi)槽數(shù)的情況下最大限度增加極對(duì)數(shù)和測(cè)頭數(shù)，達(dá)到感應(yīng)同步器采用印刷電路式的極對(duì)數(shù)，從而利于提高測(cè)量精度。另外，在相同直徑的圓周上，最大開(kāi)槽數(shù)相同時(shí)非等齒耦合位移得到的極對(duì)數(shù)和測(cè)頭數(shù)要多的多。

圖4 測(cè)量誤差Fig 4 Measurement error

雖然目前精度較三相時(shí)柵位移傳感器偏低，但通過(guò)優(yōu)化信號(hào)處理電路和其他參數(shù)優(yōu)化改進(jìn)，可以得到比時(shí)柵更高的測(cè)量精度，具有一定的研究前景。

［1］彭東林，劉成康.時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論與時(shí)柵位移傳感器研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2000（4）:340－342.

［2］彭東林，張興紅，劉小康，等.場(chǎng)式時(shí)柵位移傳感器研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2003，24（3）:329 －331.

［3］李 謀.位置檢測(cè)與數(shù)顯技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［4］胡虔生，胡敏強(qiáng).電機(jī)學(xué)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2009.

［5］陳錫侯.新型時(shí)柵位移傳感器研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2007:44－47.

［6］王先全，吳 敏，彭東林，等.兩相非等節(jié)距時(shí)柵位移傳感器［J］.西南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，31（5）:162 －167.

［7］強(qiáng)錫富.傳感器［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994.