一种用于磁栅尺的单场扫描装置及扫描方法制造方法及图纸

一种用于磁栅尺的单场扫描装置，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】
一种用于磁栅尺的单场扫描装置及扫描方法


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

技术介绍

[0002]以光栅尺、磁栅尺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]磁栅尺传感信号质量，是制约磁栅尺精度提升的关键问题之一。传统磁栅尺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)磁栅尺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，降低磁栅尺服役精度。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，造成磁栅尺传感系统失效。

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尺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)，当存在磁栅尺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尺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]一种用于磁栅尺的单场扫描装置，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尺沿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尺栅距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]一种基于磁栅尺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：将读数单元与磁栅尺平行放置，之后将读数单元沿X方向对磁栅尺进行扫描，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为磁栅尺栅距，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，当磁栅尺存在局部污染时，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，磁栅尺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，造成磁栅尺传感系统失效。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，提高了磁栅尺恶劣工况下的服役可靠性。
附图说明
[0025]图1为用于磁栅尺的传统四场扫描感应元件结构图；
[0026]图2为磁栅尺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尺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为磁栅尺局部污染时，传统四场扫描方式输出信号的波形图；
[0031]图7为磁栅尺局部污染时，单场扫描方式输出信号的波形图。
[0032]图中标号：磁栅尺—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]一种用于磁栅尺的单场扫描装置，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和磁栅尺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微阵列5，所述单场扫描霍尔微阵列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尺栅距Λ内，每组扫描探测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于磁栅尺的单场扫描装置，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)和磁栅尺(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微阵列(5)，所述单场扫描霍尔微阵列(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尺栅距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。2.如权利要求1所述的一种用于磁栅尺的单场扫描装置，其特征在于，所述微尺度霍尔元件(6)为线性霍尔元件，尺度为0.1～0.5mm。3.如权利要求1所述的一种用于磁栅尺的单场扫描装置，其特征在于，M为整数，取值为3、4、5或6。4.如权利要求1所述的一种用于磁栅尺的单场扫描装置，其特征在于，N为整数，取值为3或4。5.一种基于权利要求1
‑
4中任意一项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)与磁栅尺(1)平行放置，之后将读数单元(2)沿X...

【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：