基于PCB线圈磁感应式直线位移传感器研究

基于PCB线圈磁感应式直线位移传感器研究随着我国由制造大国向制造强国的战略转变,传统制造工业向自动化、智能化发展已成为必然趋势。精密测量作为智能制造的基石,同时也是衡量一个国家工业制造水平和科技水平的重要指标。其中,基于电磁感应原理的位移传感器作为精密测量仪器,具有稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、工作环境要求低等优势,广泛应用于工业自动化生产中。但目前市场上大多数高精度的位移传感器价格都比较昂贵,低精度的位移传感器又难以满足现代化制造业对位置传感器提出的高精度与低成本需求。

课题组多年来致力于一种低成本、高精度的磁场式时栅位移传感器研究,但由于传统磁场式时栅受制造工艺的制约,线圈绕组的一致性难以得到保证、生产效率难以提高。针对此现状,将时栅测量技术与较成熟的PCB工艺相结合,本论文开展了基于PCB线圈磁感应式直线位移传感器研究,其主要研究内容如下:(1)通过电磁场理论对平面线圈的磁场分布进行分析,并基于电磁感应原理与时栅传感器设计准则,将感应线圈设计为正弦形状以实现对磁场耦合面积的约束以及对磁场有效面积的充分利用。据此,建立了双列式直线位移传感器测量模型与单列式直线位移传感器测量模型,并对工作原理与系统误差规律进行了理论推导。(2)对两种传感器模型进行3D建模,并利用电磁场有限元仿真软件Ansys Maxwell 进行仿真验证。

根据动尺与定尺在不同气隙间距的仿真结果,分别分析了测量误差的谐波误差分量。结合空间周期重复规律,对两种传感器模型在对极内出现的四次谐波误差采用多极绕组空间偏置移相的方式进行抑制,进而对两种传感器模型进行结构优化,并分别进行了仿真对比验证。(3)采用PCB线圈分别对两种传感器模型的励磁绕组与感应绕组进行设计,利用PCB工艺均制作了传感器样机。并以

EP4CE6E22C8为微处理器设计了传感器的电气系统,主要包括激励源和数据采集两部分的硬件电路与软件程序设计。

在数据采集程序设计中,提出了多路并行双边沿计数方法,用以提高时钟脉冲分辨力,减小量化误差。(4)搭建实验平台,分别对两种传感器样机进行了实验测试、对比验证及误差分析。利用傅氏级数谐波修正方法分别对优化后的传感器样机进行了误差修正实验,实验结果表明:在108mm测量范围内,双列式直线位移

传感器的测量精度为±10μm,单列式直线位移传感器的测量精度为±8μm。