专利名称：高精度磁性位移传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高精度磁性位移传感器，特别是一种基于电磁感应原理，采 用磁带和磁感应元件来产生电磁感应的高精度磁性位移传感器，属于机电设备技术领域。
背景技术：
位移传感器是一种用于测量实物尺寸和机械位移的机电装置。目前，广泛应用于 各种精密触控机床、数字机械制造、电子测量与制造、船舶、纺织、印刷、航空、军工、汽车制 造、试验机、电梯、化工等，是一种应用范围很广的机电装置。目前，应用于位移测量的传感器技术主要有两大类接触类与非接触类。接触类的主要有电阻式直线位移传感器等，目前主要包括金属导体类与电塑料式 位移传感器两种。这类传感器原理简单，制造与应用很成熟，应用广泛，价格低廉，但是不适 合大量程测量，使用寿命短，不适合工业应用，非数字化。非接触类位移传感器有电容式位移传感器、电感式位移传感器、超声波式位移传 感器、激光式位移传感器、电涡流式位移传感器、差动变压器式位移传感器(LVDT)、光栅式 位移传感器、磁尺等。其中电容、电感、超声波、激光、电涡流式位移传感器均仅适用于体积 和量程比较小的应用场所。差动变压器式位移传感器(LVDT)是一种基于电磁感应原理的开磁路弱耦合测量 元件。它采用环氧玻璃布、不锈钢等材料作为线圈骨架，用不同线径的漆包线，在骨架上绕 制一组初级线圈，两组次级线圈。其工作方式依赖于在线圈骨架内铁芯的移动。当初级线圈 供给一定频率的交变电压(激励电压)时，铁芯在线圈内移动就改变了空间的磁场分布，从 而改变了初、次级线圈之间的互感量，次级线圈就产生感应电动势，随着铁芯的位置不同， 互感量也不同，次级产生的感应电动势也不同，这样就将铁芯的位移量(实际的铁芯是通 过测杆与被测物保持相接触，也就是被测物体的位移量)变成了电压信号输出，继而通过 信号放大与处理电路处理该电压信号，并通过输出接口输出相应的测量数据。但由于制造 与使用条件的限制，差动变压器式(LVDT)位移传感器不适合超长制造与应用。光栅尺位移传感器是一种利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移 传感器经常应用于数控的闭环伺服系统中，可用作直线位移或角位移的检测。其测量输出 的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。光栅尺位移传感器是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一半固定在 机床活动部件上，光栅读数头由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成，安 装在机床固定部件上。常见光栅都是基于物理上莫尔条纹的形成原理来进行工作的，其实质就是以光栅 栅距为一把标准尺子对位移量进行测量。高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造、维护困 难，不适合超长应用。另外，由于原理性的问题，光栅尺位移传感器对防尘、防油污、防腐蚀 有很高的要求，而且对有振动和震动的应用场合有一定的局限性。磁尺位置检测装置是由磁性标尺(简称磁尺)、磁头和检测电路组成，其测量原理类似于磁带的录音原理。在非导磁的材料如铜、不锈钢、玻璃或其他合金材料的基体上镀一 层磁性薄膜(常用Ni-Co-P或Fe-Co合金)。测量线位移时，不导磁的物体可以做成尺形 (带形)；测量角位移时，可做成圆柱形。在测量前，先按标准尺度以一定间隔在磁性薄膜上 录制一系列的磁信号，这时的磁性薄膜称为磁栅，测量时，磁栅随位移而移动(或转动)并 用磁头读取(感应)这些移动的磁栅信号，使磁头内的线圈产生感应正弦电动势，对这些电 动势的频率进行计数，就可以测量位移了。但目前数控机床的快速移动的速度已达到24m/ min，磁尺作为测量元件难以跟上这样高的反应速度，使其应用受到限制。有鉴于此，为了提高位移传感器的性能与可靠性，本实用新型提供了一种高精度 磁性位移传感器。
发明内容本实用新型的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种基于电磁感应原 理，采用磁带和磁感应元件来产生电磁感应的高精度磁性位移传感器。本实用新型的目的是通过下述技术方案予以实现的高精度磁性位移传感器，其特征在于包括磁带、磁感应元件、信号放大与处理 电路、数字信号处理器、程序存储器、输出信号转换与接口 ；所述磁带为由N极与S极交替相间构成的磁栅带；该磁带固定于待检测设备上，可 随待检测设备沿着直线运动；所述磁感应元件与磁带相对设置；在该磁感应元件与磁带之间留有一定间隙；该 磁感应元件在与所述磁带的相对运动中产生电磁感应信号；所述信号放大与处理电路与所 述磁感应元件相连接，将该电磁感应信号放大并转换为数字信号；所述信号放大与处理电 路与所述数字信号处理器相连接，将转换后的数字信号发送至所述数字信号处理器；所述 数字信号处理器与所述程序存储器相连，调用在程序存储器中所存储的计算程序来处理所 述数字信号；所述数字信号处理器的输出端与所述输出信号转换与接口电路相连。所述磁带由稀土元素材料制成。所述输出信号转换与接口为同步串行接口、增量电路接口、脉宽调制接口、双向同 步串行接口、串行外设接口、数模转换接口中的一种或是几种的并联组合。本实用新型的有益效果是采用磁带作为标尺的高精度磁性位移传感器，提高了 测量精度和距离，增强了工作可靠性和环境适应能力，多种输出方式选择也拓展了设备的 适用范围。

图1为高精度磁性位移传感器原理图。
具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。如前所述，现有各类位移传感器在测量性能、可靠性与环境适应能力等各方面均 不可兼顾。鉴于此，本实用新型基于电磁感应原理，采用磁带和磁感应元件产生电磁感应， 设计出了一种高精度磁性位移传感器在各方面均有良好表现。[0023]图1为高精度磁性位移传感器的原理图。如图所示，该高精度磁性位移传感器包 括磁带11、磁感应元件12、信号放大与处理电路2、数字信号处理器3、程序存储器4、输出 信号转换与接口电路5。磁带11是由N极与S极交替相间构成的磁栅带，由稀土元素材料制造而成。磁带 11被固定于机器的某直线平面上，该平面可以沿着直线方向做双向运动。磁感应元件12与 信号放大与处理电路2相固定，并与磁带11的磁栅平面带有一定间隙。由于二者的相互运 动，进而产生电磁感应信号，该电信号在经过信号放大与处理电路2进行放大插补运算后， 经过数字信号处理器3调用程序存储器4中的程序，将运动位移转化为相关的电信号。根 据系统配置的不同，再经过输出信号转换与接口 5处理，转换为所需的位移电信号。其中输 出信号转换与接口 5可以使同步串行接口、增量电路接口、脉宽调制接口、双向同步串行接 口、串行外设接口、数模转换接口中的一种或是几种的并联组合。现有码盘的物理分辨率低，1 μ m分辨率算是高精度，如果要制造物理高分辨率的 光栅，不仅体积大，技术难度高，成本高，而且对制造装置的技术要求与成本也很高。而磁带 制作简单，录磁、消磁和安装调整都较方便，精度可达0. Ιμπι，免维护，使用寿命长。磁带本 身可以做的很长，从而大大增加了测量距离，本实用新型的测量距离通常可达100米。由于 磁性位移传感器原理上的优势，其在抗震防震性能、环境适应能力上要优于光栅尺位移传 感器。现有磁性位移传感器通常采用磁头来读取(感应)磁栅信号，由于在工作时磁头与 磁尺相互接触，因而会有磨损，且很难提高其反应速度，而本实用新型采用磁感应元件来产 生感应电动势，有效的避免了这一弊端，并大大提高了测量速度，目前可达20m/s。综上所述，本实用新型基于电磁感应原理，采用磁带和磁感应元件来产生电磁感 应所设计的高精度磁性位移传感器，具有精度高、可靠性强、适应能力强等特点。本领一般 技术人员在此设计思想之下所做任何不具有创造性的改造均应视为在本实用新型的保护 范围之内。
权利要求1.高精度磁性位移传感器，其特征在于包括磁带、磁感应元件、信号放大与处理电 路、数字信号处理器、程序存储器、输出信号转换与接口 ；所述磁带为由N极与S极交替相间构成的磁栅带；该磁带固定于待检测设备上，可随待 检测设备沿着直线运动；所述磁感应元件与磁带相对设置；在该磁感应元件与磁带之间留有一定间隙；该磁感 应元件在与所述磁带的相对运动中产生电磁感应信号；所述信号放大与处理电路与所述磁 感应元件相连接，将该电磁感应信号放大并转换为数字信号；所述信号放大与处理电路与 所述数字信号处理器相连接，将转换后的数字信号发送至所述数字信号处理器；所述数字 信号处理器与所述程序存储器相连；所述数字信号处理器的输出端与所述输出信号转换与 接口电路相连。
2.如权利要求1所述的高精度磁性位移传感器，其特征在于所述磁带由稀土元素材 料制成。
3.如权利要求1所述的高精度磁性位移传感器，其特征在于所述输出信号转换与接 口为同步串行接口、增量电路接口、脉宽调制接口、双向同步串行接口、串行外设接口、数模 转换接口中的一种或是几种的并联组合。
专利摘要本实用新型提供了一种高精度磁性位移传感器，包括磁带、磁感应元件、信号放大与处理电路、数字信号处理器、程序存储器、输出信号转换与接口；所述磁带为由N极与S极交替相间构成的磁栅带；该磁带固定于待检测设备上；所述磁感应元件与磁带相对设置；该磁感应元件在与所述磁带的相对运动中产生电磁感应信号；所述信号放大与处理电路与所述磁感应元件相连接；所述信号放大与处理电路与所述数字信号处理器相连接；所述数字信号处理器的输出端与所述输出信号转换与接口电路相连。该高精度磁性位移传感器采用了磁带和磁感应元件来产生电磁感应，有效提高了位移传感器的测量性能、可靠性与环境适应能力。
文档编号G01B7/02GK201787917SQ20102022698
公开日2011年4月6日 申请日期2010年6月9日 优先权日2010年6月9日
发明者李新华 申请人:李新华