圓形磁耦合截面構(gòu)建的新型時(shí)柵位移傳感器*

王陽(yáng)陽(yáng),陳錫侯,索龍博,湯其富(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)

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圓形磁耦合截面構(gòu)建的新型時(shí)柵位移傳感器*

王陽(yáng)陽(yáng),陳錫侯*,索龍博,湯其富
(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)

現(xiàn)有磁場(chǎng)式時(shí)柵位移傳感器暴露出機(jī)械加工齒槽等分性差和線圈繞制參數(shù)一致性差,導(dǎo)致耦合磁場(chǎng)形成的電信號(hào)質(zhì)量較差的問題。針對(duì)以上問題,提出了一種以圓形截面鐵磁材料替代傳統(tǒng)類矩形截面鐵磁材料構(gòu)建耦合磁場(chǎng)形式的傳感器設(shè)計(jì)方法,該方法采用標(biāo)準(zhǔn)件作為基本陣列導(dǎo)磁單元,并以定制的精密線圈繞組設(shè)計(jì)一種新型的變磁阻式時(shí)柵位移傳感器。文中首先利用有限元軟件ANSYS Maxwell對(duì)理論模型的可行性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,然后通過精度實(shí)驗(yàn)獲取了誤差范圍在±1.3″內(nèi)的誤差曲線,仿真與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型傳感器設(shè)計(jì)方案的可行性。該方法的應(yīng)用規(guī)避了傳統(tǒng)的線切割開槽繞線的機(jī)械加工形式,可以在有效提高電信號(hào)質(zhì)量的同時(shí)大大提高了時(shí)柵的生產(chǎn)效率,有利于時(shí)柵位移傳感器產(chǎn)品化進(jìn)程的推進(jìn)。

時(shí)柵位移傳感器;變磁阻;圓形截面;磁場(chǎng)耦合

在現(xiàn)代工業(yè)中,傳感器作為測(cè)量基本部件被廣泛應(yīng)用于位移量測(cè)量和精密定位中;其要實(shí)現(xiàn)的高精度位移測(cè)量是精密加工、數(shù)控系統(tǒng)、直線伺服電機(jī)、計(jì)量測(cè)量以及國(guó)防軍工等眾多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)[1-2]。其中,應(yīng)用比較廣泛的諸如:光電編碼器、磁柵、容柵等多采用基于空間精密刻劃的機(jī)械制造工藝實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精度保障[3-5]。以國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣的德國(guó)海德漢光柵編碼器為例,其精度在±5″至±0.4″范圍的產(chǎn)品,線數(shù)通常為9 000線～180 000線,精度的實(shí)現(xiàn)很大程度上依賴刻劃精度和水平。鑒于我國(guó)機(jī)械加工水平較低的事實(shí),以及在精密刻劃工藝方面存在嚴(yán)重的技術(shù)短板,國(guó)產(chǎn)高精度光柵的研制實(shí)現(xiàn)較難,為規(guī)避這一技術(shù)難題,一種基于“時(shí)間量測(cè)量空間量”思想[6-8]的新型位移傳感器——時(shí)柵位移傳感器被研究試制。通過時(shí)柵研發(fā)團(tuán)隊(duì)十幾年的技術(shù)積累,在多項(xiàng)國(guó)家自然基金項(xiàng)目的支持下,時(shí)柵位移傳感器實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有,從“粗”到“精”的變化。然而,隨著時(shí)柵位移傳感器產(chǎn)品化進(jìn)程的不斷推進(jìn),各合作單位相繼對(duì)時(shí)柵的高速度、高精度測(cè)量提出了需求。在文獻(xiàn)[9-11]中對(duì)時(shí)柵位移傳感器分別開展了相關(guān)研究,通過歸納發(fā)現(xiàn)作為其基礎(chǔ)研究對(duì)象的傳感器均存在著:整周開槽等分性差和線圈繞制困難及參數(shù)一致性差的問題;傳感器定、轉(zhuǎn)子之間的耦合面積為類長(zhǎng)方形,由此形成的信號(hào)波形為三角波的形式,而非希望的正弦波形式,影響了對(duì)傳感器位移量的精確解析的問題。因此,如何解決上述制約時(shí)柵位移傳感器產(chǎn)品化的關(guān)鍵問題,是當(dāng)前時(shí)柵產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)面臨的一項(xiàng)重要考驗(yàn)。本文擬通過構(gòu)建一種圓形的磁耦合截面來(lái)解決信號(hào)波形正弦性差的問題,通過采用標(biāo)準(zhǔn)件滾針作為基本磁導(dǎo)單元,一方面可以確保各個(gè)磁導(dǎo)單元的一致性,另一方面也可以構(gòu)建出正弦性較好的信號(hào)波形,提高傳感器位移解算精度;裝配式的結(jié)構(gòu)也可以解決線切割等加工工藝下加工效率較低等問題。

1 原理及模型

1.1 測(cè)量原理

為了建立起時(shí)間量測(cè)量與空間量測(cè)量的關(guān)系,文獻(xiàn)[6]對(duì)時(shí)柵位移傳感器的測(cè)量原理進(jìn)行了進(jìn)一步的闡述。通過引入一個(gè)相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系將位移量可以分別從時(shí)間和空間兩個(gè)角度進(jìn)行描述,實(shí)現(xiàn)了將一個(gè)坐標(biāo)系上的空間位移測(cè)量轉(zhuǎn)換為另一個(gè)坐標(biāo)系上的時(shí)間測(cè)量,即使得時(shí)鐘脈沖具備了空間的意義,如式(1),進(jìn)而通過后續(xù)參數(shù)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)時(shí)柵位移傳感器的測(cè)量模型。

(1)

式中:Px為離散化的位移;Pt為離散化的時(shí)間脈沖;Va為總時(shí)間脈沖下平均速度。

磁場(chǎng)式時(shí)柵位移傳感器,通過構(gòu)建一個(gè)時(shí)間正交與空間正交的磁場(chǎng),利用“電—磁—電”的轉(zhuǎn)換過程將磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)量與位移的映射關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。假設(shè)兩相激勵(lì)源在傳感器感生出的有效磁通量分別為φ1和φ2,為了實(shí)現(xiàn)磁通量在時(shí)間和空間上的正交,構(gòu)建磁通量的函數(shù)形式如式(2)所示:

(2)

上式根據(jù)法拉第定律,經(jīng)過求導(dǎo)運(yùn)算,對(duì)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以表述為:

(3)

式中:令k=-Aω,對(duì)式(3)中的兩路信號(hào)進(jìn)行疊加,獲得的電信號(hào)量與位移量的關(guān)系可表述為式(4)的形式:

E(t,x)=ksin(ωt)·sin(ηx)+kcos(ωt)·cos(ηx)

(4)

式中:ω為磁場(chǎng)的速度;Η為位移量變化速度;K為常數(shù)。

工作過程中,傳感器將被測(cè)位移調(diào)制到一個(gè)如式(4)形式的正弦信號(hào)的相位,如式(5)所示。然后,進(jìn)一步對(duì)該正弦信號(hào)按照如圖1所示的方法進(jìn)行解析,得到被測(cè)位移量。

E(t,x)=kcos(ωt-ηx)

(5)

為了獲取式(7)中的位移量信息,在時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的思想基礎(chǔ)下,以一組以時(shí)間為變量的信號(hào)Sr作為參考信號(hào),將E(t,x)與之做比較大大簡(jiǎn)化處理流程。傳感器的信號(hào)先后經(jīng)過:低通濾波、放大處理、過零比較、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理過程,獲取輸出的方波信號(hào)SO。位移量發(fā)生改變時(shí),SO和Sr信號(hào)發(fā)生相對(duì)變化,以二者的上升沿/下降沿時(shí)刻為檢測(cè)對(duì)象,兩者上升沿/下降沿到來(lái)時(shí)刻的時(shí)間差Δt便于被測(cè)位移對(duì)應(yīng)。被測(cè)位移量與時(shí)間差Δt之間的關(guān)系可表示為式(6)的形式:

x=(n+Δt/T)·xO

(6)

式中:T為參考信號(hào)Sr的周期,n為方波信號(hào)So在測(cè)量范圍內(nèi)變化的周期數(shù),xo為周期T對(duì)應(yīng)的位移量。

1.2 物理模型和數(shù)學(xué)模型

傳統(tǒng)的磁場(chǎng)式時(shí)柵位移傳感器其結(jié)構(gòu)形式如圖2(a)所示。機(jī)械結(jié)構(gòu)上其主要由定、轉(zhuǎn)子及按特定方式繞制的線圈繞組所構(gòu)成;制造工藝方面其主要采用線切割電腐蝕等分開槽的形式進(jìn)行加工。由于,線切割機(jī)電腐蝕加工存在著諸如:加工效率低、機(jī)械等分性差、表面成型質(zhì)量差等工藝弊端[12-13]。因而,本文提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)滾針均勻排列方法所構(gòu)建的新型時(shí)柵位移傳感器,其結(jié)構(gòu)形式如圖2(b)所示。

圖2 兩種磁場(chǎng)式時(shí)柵模型示意圖

標(biāo)準(zhǔn)滾針構(gòu)建的磁場(chǎng)式時(shí)柵,在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面采用加工一致性好、精度等級(jí)高的標(biāo)準(zhǔn)滾柱滾針替代傳統(tǒng)齒槽加工;選用定制的精密線圈繞組代替粗糙的手動(dòng)繞線工藝;借鑒磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的工作機(jī)理[14-15],通過信號(hào)疊加的方法將已經(jīng)構(gòu)建的兩路關(guān)于時(shí)間變量t和空間變量x的拍頻駐波合成所需電行波信號(hào)。在圖2(b)中,為底層定子上的空間正交的線圈繞組分別施加兩相正交的正余弦交流激勵(lì)信號(hào),進(jìn)而構(gòu)成空間和時(shí)間上的雙重正交。通過轉(zhuǎn)子位置的變化,在定、轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生一個(gè)隨激勵(lì)信號(hào)變化的空間磁場(chǎng)。隨著轉(zhuǎn)子位置的變化定子上感應(yīng)線圈中磁通量變化形式發(fā)生相應(yīng)改變。在對(duì)應(yīng)的感應(yīng)線圈中將感生出兩個(gè)相同頻率的時(shí)間正交信號(hào),對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行疊加合成出包含著轉(zhuǎn)子位置信息和時(shí)間信息量的電行波信號(hào),再通過圖1所示解析方法實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。在文獻(xiàn)[16]和文獻(xiàn)[17]中分別對(duì)時(shí)柵的波動(dòng)方程和行波產(chǎn)生進(jìn)行了清晰的闡述,其公式如式(7)所示。

(7)

當(dāng)給兩相激勵(lì)線圈分別通入sin(ωt)和cos(ωt)兩路正交信號(hào)時(shí),對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行疊加處理,在圖2所示的定子感應(yīng)線圈中,合成總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出信號(hào)將產(chǎn)生式(8)所示:

E=Ki·sin(ωt-pθ)

(8)

式(7)和式(8)中:N1,N2為激勵(lì)和感應(yīng)線圈匝數(shù);Λ為氣隙磁導(dǎo);P為傳感器對(duì)極數(shù);θ為角位移量。

1.3 磁耦合面積分析

本文中提出的磁場(chǎng)式時(shí)柵,其定轉(zhuǎn)子在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中,在同一投影平面內(nèi)二者之間的滾針截面耦合變化如圖3所示,通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以將其耦合面積S耦合,進(jìn)行如式(9)的表述,在式中最后耦合面積的影響因素主要由夾角α決定。

(9)

圖3 同一投影平面定轉(zhuǎn)子耦合示意

傳統(tǒng)的磁場(chǎng)式時(shí)柵位移傳感器和標(biāo)準(zhǔn)滾針為實(shí)現(xiàn)載體的圓耦合面積型時(shí)柵其安裝形式如圖2所示,在圓周運(yùn)動(dòng)過程中,定、轉(zhuǎn)子單元間磁場(chǎng)的面積耦合變化表現(xiàn)為圖4(a)的形式。

圖4 耦合面積耦合示意及其變化波形曲線

圖7 模型仿真輸出信號(hào)曲線

為了更加直觀的獲取兩種形式耦合面積變化的對(duì)比,假定傳統(tǒng)磁場(chǎng)式時(shí)柵位移傳感器耦合面為邊長(zhǎng)是4 mm的正方形,而本文設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)滾針截面直徑也為4 mm,則通過等間隔計(jì)算不同位置下定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)耦合的面積,可以得出其面積變化如圖4(b)所示。由式(6)可知,傳感器定、轉(zhuǎn)子間耦合面積變化理想上為正弦形式。然而,傳統(tǒng)的磁場(chǎng)式傳感器相應(yīng)的耦合面積變化呈三角波形式,與正弦形式有一定差距,而新型傳感器相應(yīng)的耦合面積變化與正弦形式相近。另外,在實(shí)際的傳感器設(shè)計(jì)過程中,對(duì)于相同的對(duì)極數(shù)要求,與這種采用標(biāo)準(zhǔn)滾針陣列的新型時(shí)柵相比,傳統(tǒng)磁場(chǎng)式時(shí)柵定轉(zhuǎn)子其齒槽需要加工更小才能達(dá)到對(duì)極數(shù)要求。因此,由氣隙磁導(dǎo)公式可以知道耦合面積的大小決定了磁場(chǎng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱,本文提出的新型傳感器結(jié)構(gòu)在理論上其電行波信號(hào)強(qiáng)度更好。另一方面,由于標(biāo)準(zhǔn)件滾針的加工一致性等工藝因素其工作截面相較于類矩形開槽加工的耦合截面一致性更好,對(duì)于原始精度的保證更具優(yōu)勢(shì)。

1.4 仿真模型

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所構(gòu)建的時(shí)柵位移傳感器模型的正確性,采用三維設(shè)計(jì)軟件Unigraphics NX和有限元分析軟件ANSYS Maxwell對(duì)傳感器模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過導(dǎo)入U(xiǎn)nigraphics NX所建立的三維立體模型,對(duì)其進(jìn)行諸如:求解類型設(shè)置、材料屬性定義、激勵(lì)設(shè)置、繞組方向設(shè)定、網(wǎng)格劃分、施加邊界條件等一系列設(shè)置。仿真模型YZ平面視圖如圖5所示,主要由定、轉(zhuǎn)子、作為定轉(zhuǎn)子組件的標(biāo)準(zhǔn)滾針、感應(yīng)線圈及兩相時(shí)空正交的激勵(lì)線圈所組成。其中,定轉(zhuǎn)子的滾針齒數(shù)比例為4∶5,且分別在圓周上等間隔布置;感應(yīng)線圈采用逐齒反向繞制,激勵(lì)線圈則構(gòu)建空間正交的布置方式,如圖6所示。該仿真模型中,定轉(zhuǎn)子的滾針半徑皆為1 mm,齒數(shù)安裝4∶5的形式在同一直徑尺寸均勻分布,滾針長(zhǎng)度為3 mm。

圖5 仿真模型示意圖

圖6 定轉(zhuǎn)子繞組形式

1.5 仿真驗(yàn)證與分析

在仿真設(shè)置中,通過為傳感器施加一相信號(hào)幅值為5 V、頻率為400 Hz的正弦激勵(lì),獲取系列感應(yīng)信號(hào)曲線,如圖7(a)所示,在圖7(b)中給出了單相激勵(lì)作用下電壓幅值變化曲線,其與圖4(c)的變化趨勢(shì)一致,通過與文獻(xiàn)[11]中場(chǎng)式時(shí)柵感應(yīng)信號(hào)幅值變化曲線的對(duì)比,顯示其正弦特性更好。在圖7(a)中,輸出的感應(yīng)信號(hào)幅值變化區(qū)間在±150 mV之間,幅值變化形式如圖7所示,可見其正弦性與理論分析結(jié)果比較接近。另外,在為傳感器施加正交的兩相激勵(lì)后,感應(yīng)信號(hào)輸出一系列幅值相近,相位隨位移變化的曲線,如圖7(c)所示。理論上,感應(yīng)信號(hào)輸出的曲線相位應(yīng)與設(shè)置的轉(zhuǎn)子角位移呈線性關(guān)系。從圖7(d)中相位變化Δθ,通過比對(duì)發(fā)現(xiàn)其變化比較均勻,說明其與轉(zhuǎn)子角位移間的線性關(guān)系較好。另外,通過傅里葉分析對(duì)圖2(a)中的傳統(tǒng)場(chǎng)式時(shí)柵感應(yīng)電壓與圖7(b)中的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉分解,獲取圖8所示的結(jié)果,兩種傳感器中的三次誤差成分尤為明顯,分別占其基波幅值的8.6%和17.5%。其中,各奇次諧波成分的對(duì)比中,采用圓形截面積的新型時(shí)柵其抑制奇次諧波的效果更為明顯,可以有效提高傳感器原始信號(hào)的質(zhì)量。

圖8 兩種不同制式時(shí)柵FFT頻譜分析

圖10 3種不同時(shí)刻駐波信號(hào)波形

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理樣機(jī)如圖9(a)所示,其中,定、轉(zhuǎn)子按照4∶5的齒數(shù)比例均勻布置滾針排列,滾針數(shù)量分別為72和90,其余參數(shù)見表1。在定子層上為滾針嵌套定制的兩相正交激勵(lì)繞組及感應(yīng)繞組,線圈繞組的方向及連接由PCB串接板實(shí)現(xiàn)。

表1 傳感器參數(shù)

圖9 精度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 駐波與行波信號(hào)測(cè)試

傳感器的駐波形成實(shí)驗(yàn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件構(gòu)建的新型時(shí)柵傳感器原理,利用兩路駐波合成一路行波的方法得到所需的測(cè)量信號(hào)。通過為激勵(lì)線圈施加單相激勵(lì)信號(hào),同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子并用示波器抓取感應(yīng)信號(hào)的變化情況,如圖10所示,其中,上端的黃色信號(hào)波形曲線為輸入的參考激勵(lì)信號(hào),綠色曲線為實(shí)際感應(yīng)出的駐波信號(hào)。伴隨著轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng),在一個(gè)對(duì)極內(nèi),感應(yīng)信號(hào)的幅值變化由正的最大變?yōu)榱?再變到負(fù)的最大,其變化規(guī)律符合駐波的變化情況。

行波信號(hào)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是在駐波實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,為獲取最終測(cè)量所需的行波信號(hào),需要為傳感器定子激勵(lì)線圈施加兩路相位相差90°的激勵(lì)信號(hào)。用示波器觀察行波信號(hào)的變化情況,隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)行波信號(hào)的變化情況,由圖11所示,黃色曲線為A相激勵(lì)信號(hào),綠色曲線為不同時(shí)刻的感應(yīng)行波信號(hào)。由圖11可以看出在不同時(shí)刻,隨著子的轉(zhuǎn)動(dòng),行波信號(hào)在時(shí)間軸上進(jìn)行移動(dòng),相位發(fā)生變化。

圖11 3種不同時(shí)刻信號(hào)波形

圖12 采樣誤差數(shù)據(jù)曲線

2.3 精度實(shí)驗(yàn)

精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在圖9(b)所示的實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)上進(jìn)行,該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括:作為測(cè)量基準(zhǔn)的光柵、硬件電路、測(cè)試軟件參數(shù)設(shè)置模塊、工業(yè)計(jì)算機(jī)、電機(jī)及控制系統(tǒng)等。在精度實(shí)驗(yàn)過程中,電機(jī)控制單元控制直驅(qū)電機(jī)帶動(dòng)同軸安裝的光柵和待測(cè)傳感器的轉(zhuǎn)子同步運(yùn)動(dòng),硬件電路將光柵和被測(cè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)同步采集,并發(fā)送至計(jì)算機(jī)中進(jìn)行記錄和處理。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用標(biāo)稱精度為±1″的德國(guó)海德漢RON886型光柵作為測(cè)量母儀,先后對(duì)新型傳感器開展整周(0°～360°)范圍的一系列動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。傳感器的原始測(cè)量誤差如12(a)所示,其誤差具有周期重復(fù)性,單個(gè)周期誤差如圖12(b)所示。通過將傳感器的測(cè)量誤差在軟件中進(jìn)行修正,最終新型傳感器的測(cè)量精度在整周測(cè)量范圍內(nèi)可以達(dá)到±1.3″以內(nèi)。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于圓磁耦合截面構(gòu)建傳感的方法,并采用了常用的標(biāo)準(zhǔn)件滾針作為基本陳列元件。另外,文中對(duì)新型的時(shí)柵角位移傳感器的測(cè)量原理進(jìn)行了闡述,并開展了模型建立、仿真工作及精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。通過仿真實(shí)驗(yàn)、波形驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及精度實(shí)驗(yàn)對(duì)該傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證,通過對(duì)整周范圍內(nèi)信號(hào)變化的周期的分析,其符合磁場(chǎng)式時(shí)柵的輸出特性。通過誤差修正技術(shù),誤差成分中含有的一次和二次諧波成分可以有效的進(jìn)行抑制,減少橢圓和偏心引起的測(cè)量誤差。

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)件滾針?biāo)鶚?gòu)建的圓形磁耦合面基本陣元的新型時(shí)柵位移傳感器,較開槽繞線工藝加工的磁場(chǎng)式時(shí)柵位移傳感器在對(duì)極一致性、等分性、信號(hào)正弦性、諧波成分減少等方面皆有所提高。同時(shí),因其摒棄了線切割加工開槽和人工繞線的工藝,使得傳感器的加工效率大大提高,進(jìn)而降低了傳感器的制造成本,為時(shí)柵位移傳感器的產(chǎn)品化提供了一個(gè)新的設(shè)計(jì)思路。

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王陽(yáng)陽(yáng)(1986-),男,吉林農(nóng)安人,重慶理工大學(xué)精密儀器及機(jī)械專業(yè)碩士研究生,主要研究方向?yàn)橹悄軆x器設(shè)計(jì)及精密測(cè)量技術(shù),why_go@163.com;

陳錫侯(1975-)男,福建漳州人教授,先后于2004年、2007年獲得重慶大學(xué)碩士學(xué)位和博士學(xué)位,現(xiàn)為重慶理工大學(xué)教授,主要研究方向?yàn)榫軠y(cè)量與智能傳感器,cxh0458@163.com;

索龍博(1988-),男,陜西寶雞人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù)與儀器,546393674@qq.com。

A Novel Time-Grating Displacement Sensor Based on the Circular Magnetic Coupling Cross Section*

WANG Yangyang,CHEN Xihou*,SUO Longbo,TANG Qifu
(Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment,Ministry of Education, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

There exist some problems on the current magnetic-field time-grating displacement sensor,such as the unequal interval of tooth and slot,the inconsistent parameters of coils and the poor quality of electrical signals formed by the coupling magnetic field. To solve the above problems,a new method to design sensor is presented that it uses the ferromagnetic material with a circular cross section to replace the traditional ferromagnetic material with rectangular section to build the coupling magnetic field. The method adapts the standard parts as the basic array permeability units,supplemented by customized precision winding to design a new variable reluctance time grating displacement sensor. Firstly,the feasibility simulation of the theoretical model is verified by the finite element software ANSYS Maxwell. Then,the error curve of error range within±1.3 arc-sec is obtained by the precision experiment. The simulation and practical experiments verify the feasibility of new sensors. The application of this method evade the mechanical processing form of slotting by traditional linear cutting and wiring,greatly improve the quality of output signal and production efficiency,at the same time is good to promoting the transition progress of the time grating sensor.

time-grating;circular cross section;variable reluctance;coupling magnetic field

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51605062,51675071);重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYS15218);重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1600940)

2016-09-21 修改日期:2016-11-28

TP216

A

1004-1699(2017)04-0512-07

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.005