阅读说明：本技术 一种用于位移测量的新型感栅及其工作方法 (A kind of novel sense grid and its working method for displacement measurement ) 是由 曹世智 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明的目的是提供一种用于位移测量的新型感栅及其工作方法。本发明的技术方案为：由测量头结构和感栅尺结构组成,并且测量头结构可以在感栅尺结构上进行水平移动,该测量头结构设有主级线圈、四个次级线圈和参考线圈,四个次级线圈之间间隔相同的距离水平均匀分布在主级线圈的内侧,感栅尺结构设有多个感应空隙和一个参考空隙；整个传感器基于变压器的电感原理,通过主级线圈和次级线圈在结构上的重新设计,利用线圈产生的磁力线带来的周期性变化,可以得到精密位移的信息和数据,配合电路方面高频的励磁电流,提高了信号的抗干扰能力和信号质量,克服了传统光栅抗污染能力差以及玻璃载体无法实现的抗冲击和震动的缺陷,实现了精准位移测量。(The object of the present invention is to provide a kind of novel sense grid and its working method for displacement measurement.The technical solution of the present invention is as follows: by measurement header structure and sense grid ruler structure composition, and measuring header structure can be horizontally moved in sense grid ruler structure, the measurement header structure is equipped with primary coils, four secondary wire coil and a reference coils, the identical inside that primary coils are distributed in apart from horizontal homogeneous is spaced between four secondary coils, sense grid ruler structure is equipped with multiple induction gaps and one refers to gap；Entire inductance principle of the sensor based on transformer, pass through the redesign of primary coils and secondary coil in structure, the magnetic line of force bring cyclically-varying generated using coil, the information and data of available accurate displacement, cooperate the exciting current of circuit aspect high frequency, the anti-interference ability and signal quality for improving signal overcome traditional raster contamination resistance difference and the defect of shock resistance and vibration that glass carrier cannot achieve, realize accurate displacement measurement.)

一种用于位移测量的新型感栅及其工作方法

技术领域

本发明涉及工业用精密测量传感器领域，尤其涉及一种用于位移测量的新型感栅及其工作方法。

背景技术

随着数控技术的发展，在机械加工、电子行业和精密测量行业，对精密位移测量提出了很高的需求；位移测量传感器在控制领域类似人类的眼睛，只有对位移有精准的测量，才能完成精准的控制，从而实现精密的加工，提高产品质量以及整个工业生产制造业的水平。

目前采用的位移测量技术主要有激光干涉仪和光栅测量技术；激光干涉仪的测量结果非常精准，其测量结果可以直接溯源到国际米定义的长度标准，但是由于激光波长受到温度、空气湿度、空气压力、空气扰动等许多因素的影响，所以其在工业领域中的使用受到非常多的限制，影响了其在工业领域中的广泛应用。

现在工业领域中使用的比较多的是光栅测量原理，即光栅尺，也称为光栅尺位移传感器或者光栅尺传感器。光栅尺的设计结构是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成；标尺光栅是在玻璃载体上通过光刻的方法刻蚀出一系列周期性的透光与不透光的刻线组成，标尺光栅一般固定在机床固定部件上；而光栅读数头则是装在机床活动部件上，光栅检测装置的关键部分是光栅读数，该光栅读数头内部主要包括光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成；光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头或称硅光电池读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头；其测量原理主要是使用莫尔条纹原理，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹”。当指示光栅和标尺光栅直接有一个相对运动时，莫尔条纹会随着其相对运动，产生一个与标尺光栅上的刻线周期相同的周期性明暗的变化，通过光电传感器对该敏感变化的光学条纹进行光电转换，就可以得到相应的运动位置信息。

光栅尺在工业测量中由于设计结构复杂，所以造价成本都比较高；指示光栅和标尺光栅上都要通过精密的栅格刻蚀技术生产，生产成本很大，所以目前高精度的精密光栅基本被国外垄断；同时，因为指示光栅和标尺光栅的基座材料都是玻璃，所以抗冲击和震动的能力较差，也限制了其在某些场合的使用，因为光栅采用的仍旧是光学原理，所以当指示光栅和标尺光栅上有外界污染，影响了光感应时，其测量结果也会受到很大的影响；如何解决上述问题，让位移测量尽量避免干扰和影响，使得测量的精准度更高，需要对现有的光栅读头以及标尺光栅的结构以及操作方式进行重新改进。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于变压器的电感原理，通过主级线圈和次级线圈在结构上的重新设计，利用线圈产生的磁力线带来的周期性变化，有效的克服了传统光栅抗污染能力的不足，以及玻璃载体无法实现的抗冲击和震动特性，同时大大降低了由于光刻带来的高成本，配合电路方面高频的励磁电流，提高了信号的抗干扰能力，实现了精准位移测量的新型感栅。

本发明的技术方案为：一种用于位移测量的新型感栅，其特征在于：由测量头结构和感栅尺结构组成，所述测量头结构位于感栅尺结构的上部，所述测量头与感栅尺为活动连接，所述测量头结构上还设有主级线圈、四个次级线圈和参考线圈，所述主级线圈位于测量头结构的内侧，所述主级线圈与测量头结构为固定连接，所述四个次级线圈之间间隔相同的距离水平均匀分布在主级线圈的内侧，所述四个次级线圈均与主级线圈为固定连接，所述参考线圈位于主级线圈的一侧，所述参考线圈与测量头结构为固定连接，所述感栅尺结构上还设有多个感应空隙和一个参考空隙，所述多个感应空隙之间间隔相同的距离水平均匀分布在感栅尺结构的内侧，所述多个感应空隙均与感栅尺结构为固定连接，所述参考空隙位于多个感应空隙的一侧，所述参考空隙与感栅尺结构为固定连接。

进一步，所述主级线圈通过微多层技术在测量头结构上刻蚀出。

进一步，所述四个次级线圈通过微多层技术在主级线圈的内侧刻蚀出相互之间在电磁感应相位上相差90度的次级线圈。

进一步，所述参考线圈通过微多层技术在测量头结构上刻蚀出，所述参考线圈的大小与次级线圈的大小相同。

进一步，所述感栅尺结构为殷钢尺条。

进一步，所述多个感应空隙为利用激光切割的方法刻蚀出一系列的刻线间距相等的线性镂空结构。

进一步，所述参考空隙同样采用激光切割的方法刻蚀出的线性镂空结构。

进一步，所述测量头结构内侧的主级线圈与感栅尺结构内侧的多个感应空隙的测量方向对齐。

进一步，所述测量头结构内侧的参考线圈与感栅尺结构内侧的参考空隙的测量方向对齐。

其使用方法：

一、当主级线圈中通入一个高频的交变电流时，通常采用励磁电流，在主级线圈的周围就会形成一个交变的磁场；

二、次级线圈切割这个磁场的磁力线后，在次级线圈内产生稳定的电压；

三、当测量头结构沿感栅尺结构做相对运动时，由于感栅尺结构采用殷钢尺条，它属于铁磁性材料，所以周期性的切割的殷钢和切割后的空隙会对主级线圈产生的磁力线带来周期性的变化；

四、次级线圈产生的这个周期性变化的电压反应了测量头结构通过感栅尺结构的位移，通过对这个电压信号的处理，可以得到测量头结构相对感栅尺结构的精密位移的信息和数据；

五、在主级线圈中通入的励磁电流使用的是高于2MHz的高频交变电流，这样在次级线圈产生的变化电压后面接入一个高通滤波器，可以有效的去除因为周边电磁干扰或者机械扰动带来的干扰信号和噪声信号，提高了信号质量的同时增加了测量精度。

本发明的有益效果在于：该测量传感器主要是由测量头结构和感栅尺结构两大部件组成，整个传感器结构简单、使用方便，基于变压器的电感原理，通过主级线圈和次级线圈在结构上的重新设计和特殊结构，配合殷钢材质作为感栅尺条的铁磁性，利用线圈产生的磁力线带来的周期性变化，可以得到测量头结构相对感栅尺结构的精密位移的信息和数据；在主级线圈中通入的励磁电流使用的是高于2MHz的高频交变电流，这样在次级线圈产生的变化电压后面接入一个高通滤波器，可以有效的去除因为周边电磁干扰或者机械扰动带来的干扰信号和噪声信号，提高了信号质量同时增加了测量精度，同时由于电磁信号不受粉尘、油污等污染的影响，大大扩展了其在工业领域中的应用，适用于各种冷却液的数控机床以及含有较多粉尘污染的加工零件测量领域，有效的克服了传统光栅抗污染能力的不足，以及玻璃载体无法实现的抗冲击和震动特性，同时大大降低了由于光刻带来的高成本，实现了精准位移测量。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为本发明的线圈磁力线状态示意图。

图3为本发明的测量头经过感栅尺的磁力线周期性变化状态示意图。

其中：1、测量头结构 2、主级线圈 3、次级线圈

4、参考线圈 5、感栅尺结构 6、感应空隙

7、参考空隙

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做出简要说明。

如图1、图2、图3所示一种用于位移测量的新型感栅及其工作方法，其特征在于：由测量头结构1和感栅尺结构5组成，所述测量头结构1位于感栅尺结构5的上部，所述测量头1与感栅尺5为活动连接，所述测量头结构1上还设有主级线圈2、四个次级线圈3和参考线圈4，所述主级线圈2位于测量头结构1的内侧，所述主级线圈2与测量头结构1为固定连接，所述主级线圈2通过微多层技术在测量头结构1上刻蚀出，所述四个次级线圈3之间间隔相同的距离水平均匀分布在主级线圈2的内侧，所述四个次级线圈3均与主级线圈2为固定连接，所述四个次级线圈3通过微多层技术在主级线圈2的内侧刻蚀出相互之间在电磁感应相位上相差90度的次级线圈3，所述参考线圈4位于主级线圈2的一侧，所述参考线圈4与测量头结构1为固定连接，所述参考线圈4通过微多层技术在测量头结构1上刻蚀出，所述参考线圈4的大小与次级线圈3的大小相同，所述感栅尺结构5上还设有多个感应空隙6和一个参考空隙7，所述多个感应空隙6之间间隔相同的距离水平均匀分布在感栅尺结构5的内侧，所述多个感应空隙6均与感栅尺结构5为固定连接，所述参考空隙7位于多个感应空隙6的一侧，所述参考空隙7与感栅尺结构5为固定连接，所述感栅尺结构5为殷钢尺条，所述多个感应空隙6为利用激光切割的方法刻蚀出一系列的刻线间距相等的线性镂空结构，所述参考空隙7同样采用激光切割的方法刻蚀出的线性镂空结构，所述测量头结构1内侧的主级线圈2与感栅尺结构5内侧的多个感应空隙6的测量方向对齐，所述测量头结构1内侧的参考线圈4与感栅尺结构5内侧的参考空隙7的测量方向对齐，其工作方式为：一、当主级线圈2中通入一个高频的交变电流时，通常采用励磁电流，在主级线圈2的周围就会形成一个交变的磁场；二、次级线圈3切割这个磁场的磁力线后，在次级线圈3内产生稳定的电压；三、当测量头结构1沿感栅尺结构5做相对运动时，由于感栅尺结构5采用殷钢尺条，它属于铁磁性材料，所以周期性的切割的殷钢和切割后的空隙会对主级线圈2产生的磁力线带来周期性的变化；四、次级线圈2产生的这个周期性变化的电压反应了测量头结构1通过感栅尺结构5的位移，通过对这个电压信号的处理，可以得到测量头结构1相对感栅尺结构5的精密位移的信息和数据；五、在主级线圈2中通入的励磁电流使用的是高于2MHz的高频交变电流，这样在次级线圈3产生的变化电压后面接入一个高通滤波器，可以有效的去除因为周边电磁干扰或者机械扰动带来的干扰信号和噪声信号，提高了信号质量的同时增加了测量精度。

工作方式：该测量传感器主要是由测量头结构1和感栅尺结构5两大部件组成，其中，在测量头结构1的内侧还设有主级线圈2、四个次级线圈3和参考线圈4，而主级线圈2通过微多层技术在测量头结构1上刻蚀出，四个次级线圈3通过微多层技术在主级线圈2的内侧刻蚀出相互之间在电磁感应相位上相差90度的次级线圈3，并且这四个次级线圈3之间间隔相同的距离水平均匀分布在主级线圈2的内侧，参考线圈4也是通过微多层技术在测量头结构1上刻蚀出，并且参考线圈4的大小与次级线圈3的大小相同，在感栅尺结构5上还设有多个感应空隙6和一个参考空隙7，多个感应空隙6为利用激光切割的方法刻蚀出一系列的刻线间距相等的线性镂空结构，参考空隙7同样采用激光切割的方法刻蚀出的线性镂空结构；在对齐方面，测量头结构1内侧的主级线圈2与感栅尺结构5内侧的多个感应空隙6的测量方向对齐，而测量头结构1内侧的参考线圈4与感栅尺结构5内侧的参考空隙7的测量方向对齐；在使用时，首先，主级线圈2中通入一个高频的交变电流时，通常采用励磁电流，在主级线圈2的周围就会形成一个交变的磁场；这时，次级线圈3切割这个磁场的磁力线后，在次级线圈3内产生稳定的电压；然后，当测量头结构1沿感栅尺结构5做相对运动时，由于感栅尺结构5采用殷钢尺条，它属于铁磁性材料，所以周期性的切割的殷钢和切割后的空隙会对主级线圈2产生的磁力线带来周期性的变化；接着，次级线圈2产生的这个周期性变化的电压反应了测量头结构1通过感栅尺结构5的位移，通过对这个电压信号的处理，可以得到测量头结构1相对感栅尺结构5的精密位移的信息和数据；此外，在主级线圈2中通入的励磁电流使用的是高于2MHz的高频交变电流，这样在次级线圈3产生的变化电压后面接入一个高通滤波器，可以有效的去除因为周边电磁干扰或者机械扰动带来的干扰信号和噪声信号，提高了信号质量同时增加了测量精度，同时由于电磁信号不受粉尘、油污等污染的影响，大大扩展了其在工业领域中的应用，适用于各种冷却液的数控机床以及含有较多粉尘污染的加工零件测量领域；除此之外，测量头结构1内侧的参考线圈4与感栅尺结构5内侧的参考空隙7配合使用，属于单独的执行单元，可以用于信号的测试以及用于自检信号的参考，其信号输出的作用也是用于自检和自测，来判定测量头结构1和感栅尺结构5是否正常运转；整个传感器结构简单、使用方便，基于变压器的电感原理，通过主级线圈和次级线圈在结构上的重新设计，利用线圈产生的磁力线带来的周期性变化，有效的克服了传统光栅抗污染能力的不足，以及玻璃载体无法实现的抗冲击和震动特性，同时大大降低了由于光刻带来的高成本，配合电路方面高频的励磁电流，提高了信号的抗干扰能力，实现了精准位移测量。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶部”、“底部”、“端部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。