朱 革，郭增強，王先全，羅 靜，袁亞輝

（重慶理工大學機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400054）

0 引言

基于文獻［1］中提出的“時空坐標轉(zhuǎn)換”理論，設(shè)計了多種用于位移測量的時柵位移傳感器，包括測量角位移和直線位移的傳感器，并且取得了一定的成果。前期研究的時柵位移傳感器經(jīng)中國測試計量研究院測試，32對極可達±0.8″，24 對極可達 ±1.0″［2］。通常，傳感器的空間刻線槽越多，極對數(shù)越多，空間刻劃越細，傳感器的精度就越高，但是增加開槽數(shù)就增加了加工難度?；谶@種現(xiàn)狀在時柵位移傳感器的基礎(chǔ)上進行改進，旨在不增加最大開槽數(shù)的前提下獲得更多的極對數(shù)和測頭數(shù)，從而利于提高測量的精度［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)是在時柵位移傳感器基礎(chǔ)上的改進，故其原理和時柵相似，采用控制電機型的線圈繞組結(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原理，將機械轉(zhuǎn)角精確地轉(zhuǎn)換成電信號。所不同的是提出了轉(zhuǎn)子繞組激勵，定子繞組繞線槽間距為電氣角度非常規(guī)300°的三相感應輸出的新結(jié)構(gòu)，這樣其極對數(shù)為n/2（一周槽數(shù)n），測頭數(shù)為3n/5，從而使極對數(shù)和側(cè)頭數(shù)增多［4］。

通過給傳感器的激勵繞組施加余弦激勵信號（E=Emcosωt），在感應繞組上形成包含空間角度α和激勵信號頻率ω的感應信號

通過比較激勵信號和感應信號的相位差α，實現(xiàn)位移（或角度）的檢測［5］。

圖1是兩相非等節(jié)距時柵位移傳感器的信號模型示意圖。在5個周期內(nèi)，它有均勻分布的6個測頭，每個測頭間電氣角度為300°。傳感器在E=Emcosωt信號的激勵下，其感應信號為

將閉合線圈A，B，C的感應電動勢分別在時間上延遲0°，120°，240°，然后疊加，即

所得感應信號是與激勵信號同頻率的正弦信號?？梢酝ㄟ^鑒相，檢測位移［6］。

圖1 非等齒時柵傳感器的信號模型圖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槽數(shù)的條件下得到更多的極對數(shù)，本文提出了非等齒耦合位移傳感器的結(jié)構(gòu)，如圖2，（考慮傳感器對材料導磁性，剩磁的要求和加工工藝及經(jīng)濟性，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，當轉(zhuǎn)子隨轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時，一個對極內(nèi)在轉(zhuǎn)子周圍形成5個周期的正弦磁場，如圖3。由于電磁感應作用，在定子的感應線圈上就會產(chǎn)生相應的三相感應信號，通過上述的信號調(diào)理過程，將感應信號疊加成為可用于測量的感應信號E=Emsin（ωt－α）［6］。

該傳感器結(jié)構(gòu)的特點是，定子和轉(zhuǎn)子分別均勻開槽，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 傳感器的展開示意圖與磁場沿空間分布Fig 3 Unfold illustration of sensor and magnetic-field distribution

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

3 實驗測量結(jié)果

待標定傳感器最大開槽數(shù)為360（定轉(zhuǎn)子槽數(shù)分別為216，360）。以高精度光柵為基準，傳感器和光柵通過轉(zhuǎn)臺的中心軸相聯(lián)接，傳感器和光柵的外殼固定在機架上。當轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時，光柵和傳感器以同樣的角度轉(zhuǎn)動［5，6］。利用光柵作為標準，每轉(zhuǎn)一個角度，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（本實驗取一對極內(nèi)0°～10°，每 0.2°取一個點）。多次測量，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?？梢妭鞲衅鞯慕俏灰普`差在±6.5″。而最大開槽數(shù)為360（定轉(zhuǎn)子槽數(shù)分別為360，120）的三相時柵的角位移誤差在±4″，擬合后的誤差在±0.8″。

由于實驗采用的信號處理電路是基于三相時柵的信號處理電路，故其精度與時柵相比有一定差距。

4 結(jié)論

通過上述實驗和分析表明:該傳感器可以在不增加最大開槽數(shù)的情況下最大限度增加極對數(shù)和測頭數(shù)，達到感應同步器采用印刷電路式的極對數(shù)，從而利于提高測量精度。另外，在相同直徑的圓周上，最大開槽數(shù)相同時非等齒耦合位移得到的極對數(shù)和測頭數(shù)要多的多。

圖4 測量誤差Fig 4 Measurement error

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

［1］彭東林，劉成康.時空坐標轉(zhuǎn)換理論與時柵位移傳感器研究［J］.儀器儀表學報，2000（4）:340－342.

［2］彭東林，張興紅，劉小康，等.場式時柵位移傳感器研究［J］.儀器儀表學報，2003，24（3）:329 －331.

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

［4］胡虔生，胡敏強.電機學［M］.北京:中國電力出版社，2009.

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

［6］王先全，吳 敏，彭東林，等.兩相非等節(jié)距時柵位移傳感器［J］.西南大學學報:自然科學版，2009，31（5）:162 －167.

［7］強錫富.傳感器［M］.2版.北京:機械工業(yè)出版社，1994.