一种用于磁栅位移传感器的单场扫描装置制造方法及图纸

一种用于磁栅位移传感器的单场扫描装置，由M组扫描探测单元组成，每组扫描探测单元由N个微尺度霍尔元件构成。N个微尺度霍尔元件(编号为A1，A2，...，A

【技术实现步骤摘要】
一种用于磁栅位移传感器的单场扫描装置


[0001]本专利技术涉及精密位移测量
，特别涉及一种用于磁栅位移传感器的单场扫描霍尔传感微阵列。

技术介绍

[0002]以光栅尺、磁栅位移传感器等为代表的大量程精密栅类传感器，是决定制造装备精度的关键传感部件之一。光栅尺的测量精度可达亚微米级，广泛应用于数控机床、电子制造装备、半导体装备等领域。但光栅尺基于光电扫描原理进行测量，对栅尺的局部污染、灰尘、震动等敏感，因此不适用于恶劣工况。
[0003]磁栅尺，又名磁栅位移传感器；磁栅位移传感器基于磁电扫描原理，通过磁感应线圈测头或霍尔元件感知磁场变化来测量位移，相比于光栅尺，其具有相对更好的抗震、耐腐蚀、耐污染等特点，在精度要求不高、服役环境恶劣的场合广泛应用，如冶金、机械、石化等行业。
[0004]磁栅位移传感器传感信号质量，是制约磁栅位移传感器精度提升的关键问题之一。传统磁栅位移传感器采用传统四场扫描的读数方式，如图1所示，通过空间上相互独立的四个感应元件(磁感应线圈测头或霍尔元件)来感知磁场变化，输出四路正余弦传感信号S1～S4。以感应元件1为基准，感应元件2、3、4与感应元件1的间距分别为(L+1/4)Λ、(L+2/4)Λ、(L+3/4)Λ，其中L为整数且L≥1。传统四场扫描方式存在以下技术缺陷：1)磁栅位移传感器的耐污染性虽优于光栅尺，但存在栅尺局部污染时，传感信号质量、特别是四路信号一致性，会受到严重影响，降低磁栅位移传感器服役精度。2)当个别磁感应线圈测头或霍尔元件出现故障时，传感信号会出现很大误差乃至缺失，造成磁栅位移传感器传感系统失效。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种用于磁栅位移传感器的单场扫描装置及扫描方法，相比于传统四场扫描的磁场探测方式(即通过四个独立的磁感应线圈测头或霍尔元件来感知磁场变化)，当存在磁栅位移传感器局部污染或个别感应元件失效时，其依旧可以输出高质量、高可靠性的传感信号，因此可以显著提高磁栅位移传感器的服役精度和可靠性。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]一种用于磁栅位移传感器的单场扫描装置，所述扫描装置包括读数单元和数显装置，所述读数单元和数显装置通过数据线连接；所述读数单元和磁栅位移传感器沿X向平行，两者沿Y向中心对齐且沿Z向间隙为0.3～2mm。所述读数单元的内部为单场扫描霍尔微阵列，所述单场扫描霍尔微阵列由M组扫描探测单元组成，每组扫描探测单元由N个微尺度霍尔元件构成，N个微尺度霍尔元件等间距地分布在一个磁栅位移传感器栅距Λ内，每组扫描探测单元的N个微尺度霍尔元件的编号为A1，A2，...，A
N
，编号相同的微尺度霍尔元件通过一根信号线连接在一起。
[0008]进一步地，所述微尺度霍尔元件为线性霍尔元件，尺度为0.1～0.5mm。
[0009]进一步地，M为整数，取值为3、4、5或6。
[0010]进一步地，N为整数，取值为3或4。
[0011]一种基于磁栅位移传感器的单场扫描装置的扫描方法，所述扫描方法包括如下步骤：
[0012]S1：将读数单元与磁栅位移传感器平行放置，之后将读数单元沿X方向对磁栅位移传感器进行扫描，单场扫描霍尔传感微阵列感知周期性磁场变化，编号为A
i
的微尺度霍尔元件输出信号，该信号的表达式为：
[0013][0014]公式(1)中，ε为信号幅值，Λ为磁栅位移传感器栅距，N为每组扫描探测单元包含的微尺度霍尔元件数量，x为待测位移。
[0015]S2：所述单场扫描霍尔传感微阵列最终输出N路正弦波形电信号，第i路电信号S
i
为所有编号为A
i
的微尺度霍尔元件输出信号I
i
之和：
[0016][0017]公式(2)中，i＝1,2,...N。被测位移量x所引起的相位变化2πx/Λ，反映为单场扫描霍尔传感微阵列输出信号S
i
的强度变化。
[0018]S3：验证信号S
i
的质量：
[0019]当信号S
i
存在非理想特征时，就会引入位移测量误差。信号S
i
的质量，用李沙育图形来表示，理想李沙育图形是一个中心在原点的圆形，即李沙育圆，当存在非理想信号特征时，李沙育图形会偏离名义李沙育圆，若李沙育图形未偏离名义李沙育圆，则证明不存在非理想信号特征。
[0020]S4：通过对输出信号S
i
进行反正切细分、线性化细分等解调算法处理，获得被测位移值x。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0022]1)本专利技术提出的单场扫描霍尔传感微阵列，实质是把用于感知磁场变化的霍尔元件在空间彼此混合，最终输出的传感信号由多个具有不同空间位置、相同相位关系的微尺度霍尔元件共同产生，相比与现有技术(即采用相互独立的分离传感元件来探测磁场变化)，其具有误差均化效应。
[0023]2)现有分离传感元件探测方式，当磁栅位移传感器存在局部污染时，输出信号质量、特别是多路信号一致性会受到严重影响。本专利技术的单场扫描霍尔传感微阵列，通过多个微尺度霍尔元件输出信号的平均作用，磁栅位移传感器局部污染对输出信号质量及多路信号一致性的影响极为有限，进而保证了服役精度。
[0024]3)现有分离传感元件探测方式，当个别磁感应线圈测头或霍尔元件出现故障时，造成磁栅位移传感器传感系统失效。本专利技术的单场扫描霍尔传感微阵列，当个别微尺度霍尔元件出现故障时，其它组微尺度霍尔元件依旧可以准确输出传感信号，提高了磁栅位移传感器恶劣工况下的服役可靠性。
附图说明
[0025]图1为用于磁栅位移传感器的传统四场扫描感应元件结构图；
[0026]图2为磁栅位移传感器和读数单元的安装位置关系；
[0027]图3为本专利技术的用于磁栅位移传感器的单场扫描霍尔微阵列结构图；
[0028]图4为单场扫描霍尔微阵列的结构图，其中：Λ＝2mm，M＝4，N＝4；
[0029]图5为单场扫描霍尔微阵列的输出信号波形及其李沙育图；
[0030]图6为磁栅位移传感器局部污染时，传统四场扫描方式输出信号的波形图；
[0031]图7为磁栅位移传感器局部污染时，单场扫描方式输出信号的波形图。
[0032]图中标号：磁栅位移传感器—1；读数单元—2；数显单元—3；感应元件—4；单场扫描霍尔微阵列—5；微尺度霍尔元件—6。
具体实施方式
[0033]下面对本专利技术的实施示例作详细说明，本实施示例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0034]一种用于磁栅位移传感器的单场扫描装置，如图2
‑
3所示，所述扫描装置包括读数单元2和数显装置3，所述读数单元2和数显装置3通过数据线连接；所述读数单元2和磁栅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于磁栅位移传感器的单场扫描装置，其特征在于，所述扫描装置包括读数单元(2)和数显装置(3)，所述读数单元(2)和数显装置(3)通过数据线连接；所述读数单元(2)和磁栅位移传感器(1)沿X向平行，两者沿Y向中心对齐且沿Z向间隙为0.3～2mm；所述读数单元(2)的内部为单场扫描霍尔传感微阵列(5)，所述单场扫描霍尔传感微阵列(5)由M组扫描探测单元组成，每组扫描探测单元由N个微尺度霍尔元件(6)构成，N个微尺度霍尔元件(6)等间距地分布在一个磁栅位移传感器栅距Λ内，每组扫描探测单元的N个微尺度霍尔元件的编号为A1，A2，...，A
N
，编号相同的微尺度霍尔元件(6)通过一根信号线连接在一起；所述微尺度霍尔元件(6)为线性霍尔元件，尺度为0.1～0.5mm；M为整数，取值为3、4、5或6；N为整数，取值为3或4。2.一种基于权利要求1所述的单场扫描装置的扫描方法，其特征在于，所述扫描方法包括如下步骤：S1：将读数单元(2)与磁栅位移传感器(1)平行放置，之后将读数单元(2)沿X方向对磁栅位移传感器(1)进行扫描，单场扫描霍尔传感微阵列(5)感知周期性磁场变化，编号为A
...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶国永，季冲，刘旭玲，张亚琳，金少搏，王辉，安小宇，夏瑞雪，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：