（机械电子工程专业论文）柱栅传感器产品化样机研究.pdf

abs tr act abs tract the c o l u 比 旧 s y n s e nsor i s a n e wty ped i g ita i l in e ard i sp l 解 ement sens o r th ato ur u ni versi tyhas de ve fo pedandre se arehe d . l h ro u g hthe s ta ge ofmanufa c tu 代胡 d re se 眼handthe c o l unins邓 c o nce pt i o ns a ll l p l e ， the c o l 切 m ns扣 s e n s o r h asbeen p ro v e d i t p o s s 盆 bi l ityand fe as i b i l ity; t h e dss i gno f t h e who l e c o n t l nuo us侧ndings o f the c o l 理 m ns y n test sam p l e i s a g o o d c 0 ns t ru c t i o n p r oj e c t t hat can c o mp1 e te l y re m o ve the h e ad e ffectc am e dby gr o up 初ndi n gs. t h enov e l 州n d in g ss t ru c t ure o f the c o l 切 m 叮 s yns e 以 扣 r m ake s t h a t c o i unm s ynh asman y s u p e ri orit i e s o f char a c te ri stic to th e l i n e ari nducto s yn t h e b as i c w o r k p ri n c i p l e and the e 泛 st in g s h 0 r la g e s o f th e l i near1 n d u ctos ynare desc ri bed . the paper al s o a n a 】 y ze s th e b as i c workp ri n c i p l e and adv a n ta ge s o f th e c o 加 ync o n c ept i 叨 s amp 】 e andc o l umn s y n t e s t s a! n p l e . b 撰 th e m ， we d i s c us s th e d e s i gne s s e n t i al ， man u fo c t u r e te c h n o 1 o gyan d s l i d i ngand fi x i ngs c al e c o rme ct in g o f c o l u n u 巧 y n se nso r ; we dss i gna n d r n a n u fa c lu r e p ro d uct s a 1 1 p l e . a t the e n do f t he p a per，we exp erim ent andana 1 y zet he se nsorfo r i tss ta ti c c b ar a c t eris ti c top rove th e p ract i c al i tyo f th e s e nse and fe as ib i l i tyo f the p l ans k 即 w o rd: c o l u 叮 n 巧 y ns e n s o r ;s l i d i ng andfi x i n gsc al e c o nne c ti ng; e x per u n e nt resea l c h 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含 其 他人已 经发 表 或 撰写过的 研究 成果， 也 不 包 含为获得 南昌大学 或 其他 教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 ( 手 写 ): 滩 夕 时 签 字 日 期 :卿 年 月 刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解南昌大学 有关保留、 使用学位论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人授权南昌大学可以 将学位论文的 全部或部分内 容编入有关数 据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名( 手 写 ) :盆谷 弋导师签名 ( 手写) : 签 字 日 期 : 问年 月 习日 签 字 日 期 : 砂夕年 了 月 习日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 第一章引言 第一章引言 l l数字式位移传感器发展概况 众所周知，机电一体 化有六大关键技术 机械技术、计算机与信息处理 技术、传感与检测技术、自 动控制技术、伺服传动技术与系统技术，其中最关 键、 最重要的 部分 是传感与 检测技术111 。 传感与 检测装置 是系 统的 感受器官， 它 与信息系统的输入端相连，将检测到的信息输送到信息处理部分，是实现自动 控制、自 动调节的关键， 其功能 越强，系统的性能及自 动 化程度就越高。 传感 与检测装置的关键元件是 传感器，其作用是将被测量 ( 包括各种物理量、化学 量和生物量等)变换成系统可识别的、与测量有确定对应关系的有用电信号， 是工程科学与技术领域中人体“ 五官” 的工程模拟物， 扮演着系统信息源的重要角 色。 与计算机技术相比，传感器的发展相对比较缓慢，难以满足现代技术发展 的 要求。科学技术 越发 达，自 动化程度越高， 对传感器的 依赖性就越大。社会 需求是传感器技术发展的强大 动力，随着现代科学 技术， 特别是微电 子技术和 信息产业的飞速发展，传感器在新的技术革命中的地位和作用将更为突出。目 前，国内 外都将 传感器技 术列为 重点发展的高技术， 倍受 重视，传感器的集成 化、 微型化、数 字化、 智能 化发展趋势日 益明显， 新型传 感器大量涌现。甚至 有文献认为， 征服了 传感 器就等于征服了 现代科学技 术12r3) ， 由此可以看出， 大 力 发展传感器的研究对于 机电 一体化技术的发 展来说 ，其意 义是十分 重大的。 l l i数字式长位移传感器的发展 近代工业和科学的 发展，促 使现代 精密机 械和仪器的 移动要求达 到微米级、 亚微米级，甚至 更高， 对测量也提出了新的要求:高 精度、 大量程和数字化。 特别是测量的数字 化， 使得位置测量达到新的 水平， 测量 参数的 数字 化 ( 量化) 使测量和计算技 术得以 结合， 位置测量和数字式传 感器技术的发 展又与数控系 统的 发展紧密 相连. 数控系统发展的 结果是闭环系 统取代开环系统 ( 采用步进 电 机) ， 因而数字式 检测装置 成为闭 环数 控系 统必不可少的 组成部分 位置测 量反馈系统。从 这个意义上说， 数字化是现 代化的 标志， 数字化预示着自 动化 的到来。 第一 章 引言 几十年来， 世界各国 都在致力于发展位置 数字测量技 术， 寻找最理 想的 测量 元件和信息处理技术，到目 前为 止，为人们所公 认并已 得到广泛应用的 是计量 光栅、感应同 步器和 磁栅测量技术，近年来又出 现了容栅 和球栅测量技术。 计量光栅、 感应同步 器、 磁栅和容栅等新 型检测元 件的 先后出现和商品 化是 数显技术发展的代表。 50 年代初，美国 f 刽 rr a n d 公司发明了感应同步器， 用于经 纬仪和导弹制 导系统; 几乎同 时， 英国ferr a n t i 公司将 计量光栅用于数 控仿形铣 床， 并第一次 用短光 栅接长的方法达到了 9 . 1 5 m的量 程， 在当时这 似乎是一个 奇迹; 60 年 代末， 随 着磁带录返技术的发展，日 本s o n y公司的磁栅数 显系统 应运而生，瑞士 s y u/ac公司又推出了最新的容栅数显系统，它在微型化方面 迈出 了决定 性一步， 为小型量具、量仪的数 显化开 辟了 一个广阔的 天地。 这四种检测元件和与之相配的数字系统与原来经典的传感器系统相比，有 如下优点和特点: ( 1)易于实现 位置 / 电 信号的转换。 利用光电 、 磁电 和电 感、 电容 感应原理， 经过简单的信号转换和接口电路后即可用于显示、计算和控制; (2) 高 分 辨率。 直 线位置测量的分辨率可 达。 乃 ollnln ， 最高 可达0. 0 0 0inun ， 角位置测量的分辨率可达 0 夕， ，最高 0 3 矿，故分辨率均很高; ( 3 ) 高精度。 直线位置测量准确度一般可达 0 . 010. 03iyun ( 用于普通机床) ， 最高可 达。 刀 03llun ( 坐标锉床) 。既适合于 一般机床设 备， 也完 全能 满足高精度 机 床、 仪器的要 求。 特别是圆 分度测量， 其分 度准确度一 般可达6 10 ” ， 最高 可达 1 “( 精密转台) ，甚至更高，大大超过传统的机械或光学方法; ( 4 )大量程。 采用接长的方法可以扩大量程，而钢带检测元件的长度也可 以达到 大量程。故小 至精密仪 器， 大至超重型机械 均可采用。 除以上几大特点外，还有安装调整容易、无磨损、寿命长、小型化、组装 化、测量速度高和多功能等特点. l l z感应同步器的发展概况 感应同 步器是一种发明比较早的数字式位置测量传感器，它 应用电磁感 应 原理 把位移量 转换成数字量，按敏感原理分类， 它是一种电磁 感应位置检测 元 件。 感应同 步器具有两个平面形的印刷绕组， 通过两个绕组之间的互 感变化来 检测 其相对位移。 从本质上看，它是一种采用平面绕组的分 解器，最早 研制 成 第一章 引言 1 .2课题来源及前期研究成果 l z . 1课题来源 柱栅传感器是我校在对传统的直线式感应同步器使用和深入研究的基础上， 提出并开发的一种新型数字式直线位移传感器， 其基本构想为: 把标准型感应同 步器在宽度方向 沿圆周卷曲成整个圆柱面都有绕组导体的圆柱型感应同步器， 在 保证有效导体长度 ( 即保证测量精度)的同时，减少了传感器的横截面积。 设想的模型化和具体化始于圆柱表面螺旋绕组方案的建立， 并因其绕组结构 特征而成为明显区别于感应同步器的新型传感器。 柱栅的外形呈柱状， 并保持了 与感应同步器、 光栅、 磁栅相同的栅式结构设计思想， 我们将该传感器命名为“ 柱 栅 式 位移 传 感 器 ” ， 简 称 “ 柱 栅 ” ， 并 获国 家实 用 新 型 专 利 ( z l 02 2 3 14 18 乃 ) 110 10 配合微机位移检测数显装置， 柱栅将成为一种新型数字式直线位移传感器。 1 .2. 2前期的主 要研究成果与进展 本学科前期曾 对柱栅及其测量系统进行了开拓性的研究和摸索工作， 并取得 一定的研究成果。 、主要的研究进展和成果 1 、直线式感应同步器位移检测装置; 2 、柱栅位移传感器变换机理的研究: 3 、柱栅概念样机的 研制及其基本特性的实验研究; 4 、基于p c总线的柱栅测量系统研究; 5 、基于p c总线的虚拟式感应同步位移检测仪的研究; 6 、基于u s b 接口的柱栅智能仪表的研究; 7 、全连续式柱栅传感器原理与结构及实验样机的研究. 二、前期 研究结论 通过研制柱栅传感器的概念样机、实验样机，从理论上和实验上论证与验 证了柱栅传感器民敏感结构合理性、有效性、可行性和优越性;进行了柱栅传 感器的激励电路、检测电路和单片机数据处理系统的开发，实现了柱栅测量系 统的基本功能。 第一章 引言 1 .3本课题的研究内容与竞义 l l l本课题的研究目的与内 容 一、研究目的 本课题的研究是对前期基础理论研究的总结与完善，也是对柱栅传感器产 品化技术与方案的探索，是柱栅研究的一个新的发展阶段。 二、 研究内 容 在分析和总结前期柱栅概念样机、试验样机己经取得的阶段性研究成果的 基础上，本课题研究了一种能够同时满足柱栅功能与性能要求，又能够有效控 制降低定滑尺及其绕组的加工难度和生产成本的行之有效的柱栅结构与加工工 艺，使之适合产品化的要求，实验验证柱栅产品样机的结构与制造工艺的合理 性，并分析产品样机能否达到预期的测量精度要求。 1 、 设计并制作了基于刻蚀法的柱栅传感器定尺， 摆脱了概念样机和实验样 机均采用切槽布线法制作柱栅定尺的设计思路，对柱栅定尺的产品化批量生产 工艺进行了有益的探索: 2 、设计并制作了基于柔性电路板 (fp c )的柱栅传感器滑尺，摆脱了概念 样机采用工装布线法以及实验样机采用机切法带来的滑尺制作困难及加工精度 难于控制的问题， 为柱栅滑尺产品化批量生产找到了一条切实可行的技术路线; 3 、 对于柱栅定尺接长技术进行了初步探讨，为后续产品化柱栅解决定尺接 长问题提供了具体的实施方案; 4 、对柱栅产品样机进行的一系列实验证实了该样机基本原理的正确性和可 行性。 l 1 2课题愈义 当今在位移测量领域内广泛应用的技术和产品主要是感应同步器、光栅和 球栅。 光栅耐 环境条件差，怕粉尘、 水和油污、 不能受震动， 使用中 故障率高; 光栅尺价格相对昂贵:玻璃光栅尺的线膨胀系数与机床不一致，易造成测量误 差。球栅尺是采用合金钢管内封装精密钢球，全金属结构、全封闭。不怕震动 和冲击，防水、防油、防尘，可浸泡在水或油中工作，其环境适应能力强;安 装方便，不需要日 常维护;但是球栅价格比较昂贵，虽然近几年随着球栅的大 量使用， 球栅的价格有所下降， 现在l m的球栅尺也至少要五、 六千元。 感应同 第一章 引言 步器的最大优点是制造成本 低， 对工作环境条件要求不高: 缺点是信号处理方 式较复杂，测量精度受到测量方法的限制 ( 传统测量方法的测量精度约为 2 一 5 阿) ;同 时 感 应同 步 器 在安 装过 程中 需要一 个精度很高的 安 装 平面， 增加了 感 应同步器的安装难度。 柱栅传感器是在感应同步器的基础上发展起来的，与感应同步器相比，其 最大不同 在于它几何结构的不同。 它克服了 感应同步器定滑尺安装精度要求高 的缺点;并且在同等尺寸条件下，它的输出感应信号强于感应同步器;它的环 境适应能力、抗干扰、抗污染等方面远远强于光栅;同时柱栅传感器的制作成 本相对球栅来说比较低，所以柱栅传感器的研究具有较高的市场价值。 柱栅传感器在前期经过概念样机、实验样机的研制，充分论证了柱栅传感 器原理的可行性、以及柱栅传感器性能的优越性。但是柱栅概念样机、实验样 机在加工制作过程中工艺复杂、生产效率低、手工制作很难保证加工质量，柱 栅传感器要投放市场，必须要探索一种比较方便、简洁、容易保证加工质量的 工艺方法。所以对于柱栅传感器产品化的加工方法、以及柱栅在使用过程中接 长方法的探索是非常必要的。 同时本项目的研究对象是一种新型数字式直线位移传感器，涉及机械技术、 电子技术、计算机技术及电 磁理论、传感器理论等多个学科，开展对柱栅传感 器及其测试系统的研究，不仅可以建立一种新型的传感器理论与应用体系，而 且对促进多学科交叉、渗透与交流有积极的意义。 1 .4本章小结 数字式位移传感器的种类很多，各种大位移数字式传感器的发展也相当 快， 使得数字式位移传感器的市场竞争激烈。柱栅是大位移数字式传感器中的又一 品种，其既保持了 感应同 步器价格低廉的优势，又可克服后者体积较大的缺点。 由于柱栅的滑尺呈封闭结构，能够获得更好的磁屏蔽效果;柱栅的定尺以简支 梁形式，安装在机床或其他测量机构上，安装也更加简单、方便、降低了安装 要求。 柱栅传感器的结构还在改进和成熟之中，本课题对产品样机的研究、制作 与实验研究，是为柱栅最终实 现产品化进行的必要的和有益的 探索。 第二章 柱栅工 作原理及其概念样机、 实验样机 第二章 柱栅工作原理及其概念样机、实验样机 柱栅传感器源于对直线式感应同步器的改进设想。 本章首先简单介绍直线 式感应同步器的基本工作原理， 在此基础上详细论述柱栅的基本工作原理、柱 栅概念样机和实验样机。 2. 1直线感应同步器的基本工作原理 2. l i直线式感应同步器总体结构 现有感应同步器分为直线式感应同步器和旋转式感应同步器两大类。 直线式 感应同步器根据结构尺寸不同分为标准型、窄型、小型、三通道型、带型和组 装式等， 但它们的基本结构都一样。标准型直线式感应同步器结构如图2 . 1 。 1 一 从板2 一 绝缘层3 一 绕组4 一 屏蔽层 图2 . 1 直线式感应同 步器结构示意图 直线式感应同 步器的定、 滑尺由 基板1 、 绝缘层2 、 绕组3 、 屏蔽层4 构成， 定尺由 基板、绝缘层、绕组构成，绝缘层覆盖在定滑尺绕组的内外表面上。为 了保持和安装设备的材料的热膨胀系数的一致性， 通常感应同步器的基板多采 用导磁系数高，矫顽磁力小的优质碳素钢 ( 巧号或加号钢) ;在军用或宇航产 品中，为了降低非线性的影响，多采用硬铝合金; 特殊情况下，也有用玻璃作 为基板的。 平面绕组多 用厚 度较小的电 解铜箔，以 绝缘粘合剂将它粘贴到基板 上后，腐蚀出矩形曲折绕组。再在其表面上复以 保护、屏蔽层。定尺绕组表面 涂敷耐 切削 液的 涂 层， 滑尺 绕组 表面贴一 层带 绝缘 层的 铝箔 起静电 屏蔽 作用 ll o 在测量时， 定、 滑尺的 安装方式和相对安装位置如图2. 1 所示。 假定直线式 感应同步器安装在车床上时，感应同步器的定尺与车床的导轨母线保持平行， 滑尺安装在溜板箱上。定、滑尺之间保持均匀的狭小间隙。 第二章 柱栅工作原理及其概念样机、实验样机 2. l 2感应同 步器的基本工作原理 感应同步器可采用滑尺激励， 也可以采用定尺激励。 图2. 2 为感应同步器的 工作原理示意图。 激 励电 滑尺绕组 尺 绕 图2. 2感应同步器工作原 理示意图 滑尺绕组用正弦电 压激励时，将产生同频率的交变磁通， 通过定、滑尺绕 组之间的电磁祸合，定尺绕组产生同频率的感应电动势。感应电动势幅值除与 激励频率、祸合长度、激励电流和两绕组的间隙有关外，还与两绕组的相对位 置有关。 将滑尺绕组与定尺绕组简化如图2. 3 所示， a 、b 、c 、d 、e五点表示在不 同时刻，滑尺相对定尺移动时所处的不同位置，两绕组之间的相对位置的规律 性变化，会通过电磁感应关系表现在感应电动势上，从而获得模拟感应电动势 信号，可用于数显装置的信号处理112】 。 定 1尺 a 点 一嘛偏喻一喻 滑尺的位置 图2 3两绕组相对位置与感应同 步器电 动势的 关系 5 一正弦绕组:c 一余弦绕组 假定采用定 尺激励， 滑尺输出的方式， 不难看出， 滑尺输出的幅值随 滑尺 相对定尺的位移x 有关， 在理想情况下可以 得到如图2. 4 所示的正弦波和余弦波 的波形，这就是著名的感应同步器输出信号的“ 空间正弦性，o 第二章 柱栅工作原理及其概念样机、实验样机 图2. 4理想情况下滑尺绕组输出波形图 2. 1 .3直线式感应同步器的绕组结构 定尺和滑尺绕组均为 “ 几” 字形折线结构， 定尺绕组为连续式绕组113。图2 . 1 中，滑尺绕组的垂直导体 ( 也称为有效导体) 产生的感应电动势可用于测量定 滑尺间的相对位移，为有效信号;而滑尺绕组的端部导体 ( 折返部分的水平导 体)也会产生感应电动势，其大小与定、滑尺相对位置变化的对应关系更加复 杂，这部分的感应电动势视作干扰信号，应当尽量减少和避免。因而滑尺绕组 采用分段式结构 ( 其目的在于抵消绕组端部产生的附加感应电动势，以利于提 高测量精度) . 滑尺的分段绕组由z k组导体组组成，每组又由m根有效导体及 相应的端部反向串联构成。图2. 5 为滑尺绕组连结示意图。 定 尺 绕 组(崎 头 表 示 某 一 瞬 时 的 电 沈 方 向 ) 尺 s i n 绕 组 图2. 5滑尺两相绕组反向串接原理图 由于滑尺中同 相相邻两个u形绕组，相距半个周期的奇数倍，为了抵消绕 组端部产生的附加感应电动势，同相u形绕组必须反向串接， 但是这样一来却 增加了制造的复杂性，焊接点较多的问题比较突出 ( 图中的小圆圈表示焊点) 。 另外，有效导体部分与水平导体部分的直角连接会造成该处电 磁场的畸变，从 第二章 柱栅工作原理及其概念样机、实验样机 而增加感应电动势的谐波分量; 尽管感应同步器的滑尺二相绕组采用了杂合布 置的 格局， 从理论上讲能 够在一定 程度上降低对定滑尺的 加工和安装的 平行度 的要求，但在实际应用中，安装对测量结果的影响依然是非常大的。 2. 1 .4感应同步器运行方式 感应同 步器有四种基本运行方式， 即连续绕组激磁或分段绕组激磁与鉴相 方式或鉴福方式的组合。 、分段绕组激磁，连续绕组输出 如图2 .6所示， 分段绕组 接至函 数电 源， 连续 绕组输出电 压凡。 1 、鉴相方式 这时图2. 6 中的函数电源为一两相电源: u 月 =u . cos 口 t u ， =u .s i n 口 t (2. 1) 或 ( 2 . 2 ) 根据叠加原理，可得: 一 会 (s “ 。sa 一“ 5一 ， 二 瓮 5，恤 一 ， (2一 3) 一 ， 劲亡 co s 二 sin ) (2. 4) = 鬓 介 05 “ 一 5，一 ， = 黔 一 由以上两式可以看出:连续绕组输出电动势的幅值不变。而时间相位等于 位移， 所以 测定了 相位也就测得了 位移， 这种方式称为鉴相方式。 2 、鉴幅方式 这时图2. 6 中的函数电 源为一函数发生器， 为a 、 b绕组提供的两电压， 在 第二章 柱栅工作原理及其概念样机、 实验样机 时间上同相位， 在幅值上随某一可知变量尹 。 作正、 “ ， = 呱 s i n 叽 s in 四 u ， = 一 呱cos 妈 s in 耐 或 余弦函数关系变化，即: ( 2 . 5 ) u， = us in俨 d u ， =一 u cos 解 。 ( 2 . 6 ) 同上可得: 心 2= u.孟 一 _ 一 龟 s ui k，、 ， 。 co s a 一 c os ， 。 5 运 a ) 伪 5 。 ， (2. 乃 。 ， 运 (a一 梦 。 ) 期 u-凡 e : = ， u t-_ 一jl 丁 es峥i n 人， 梦 。 cosa 一 co s * 。 5 、 。 ) (2. 8) . u.j、 = 少 可 m 姆 一 少 ” ， 由以上两式可以看出，连续绕组的输出电动势具有不变的相位，而其大小 则随 位移与 可知变量之差 作正弦函 数 变化。 如果改 变可 知变量， 使输出电 动 势 为零，这时的可知变量也就是要测的机械位置。这种运行方式称为鉴幅方式。 图2 . 6分段绕组激磁运行方式 图2 . 7连续绕组激磁方式 二、连续绕组激磁，分段绕组输出 如图2. 7 所示，连续绕组接在激磁电 源上，分段绕组接至信号变换器。 1 、鉴相方式 这时图2 7中的信号变换器为一移相电 路。 移相器的作用是将a相电动势在 第二章 柱栅_ 作原理及其概念样机、实验样机 时间上移相十 耐 2 ，然后与 b相电动势相加，作为输出电压。则输出电压瞬时值 为: u _ .(们1 赵， =一一i c o s 口 万5 1 11口+c o 别口 下+一 i c o s 叮 1 一凡l、2 )j (2. 9 ) u _ .1 = 丈5 ，n 哗一 a ， 复数输出电压为: u义= e ， + j e ， ，k 。 (c 。 5。 一 ， 5，一 ， = 昔 一 (2. 1 0 ) 2 、鉴幅方式 此时图2. 7 中的 信号变换器为一函数变压器或分压器， 其作用是将a 、 b绕 组的输出电 势分别 按可知变换怖的正、 余弦函数变压， 然后相减成输出 信号。 输出电压瞬时值为: u sc= e ， s i n 俨 。 一 e a cos 笋 d = 一 会 一(c 。s a s， 梦 一 ，一 笋 ( 2 . 1 1 ) = 三 k. co s 。 ， s in (a一 俨 。 ) 复数输出电压为: u尤 =e， s i n梦。 eac o ，梦n . u 了 一 1叭 幻 5 k. ( 2 . 1 2 ) a s in 班 。 一 s in aco s 笋 。 ) . u. 了、 = j， 二 一 sl n飞 俘 一尹。， 。 综上所述: 尽管激磁和输出方式不同 ( 一为连续绕组激磁，分段绕组输出， 另一为分段绕组激磁，连续绕组输出) ，但当同为鉴幅或鉴相方式时，其作用及 输出结果是一样的。 第二章 柱栅工作原理及其概念样机、实验样机 2. 2柱栅的原理及设计 2. 2. 1柱栅的基本结构 柱栅结构示意模型如图2. 5 ，也由定尺和滑尺两部分组成. 其定尺为一长圆 柱体，定尺绕组为单相连续绕组，位于定尺的外圆柱表面;其滑尺为一套在定 尺圆柱表面并可与定尺进行相对滑动的空心短圆柱体，滑尺绕组为两相绕组， 位于滑尺的内圆柱表面。 泪 以 目 在泪套内) 图2 名柱栅模型图 2. 2. 2柱栅概念样机的介绍 柱栅研究初期，设计制作了一台柱栅概念样机用于验证柱栅理论。该概念 样机由 定尺和滑尺组成。 图2. 9 是圆 柱型柱栅整机基本模型11 4 。 该柱栅概念样机 的结构简述如下: 图2. 9柱栅概念样机结构 一、柱栅概念样机的定尺绕组 定尺绕组是在外径 小 20 圆钢的外圆表面缠绕漆包线，绕制出双螺旋绕组， 螺距为z lnm ， 导程为4 nun ， 两条螺旋线构成了定尺绕组的正向电流绕组和反向 电流绕组，具体的长度由位移测量范围要求来确定，对柱栅概念样机而言，其 第二章 柱栅工作原理及其概念样机、实验样机 主要目 的 用于 验证柱栅的 工作原理， 从加土 方便的角度考虑， 选择长 度为 3 5 0 mm。 当 对定尺激磁时， 激磁电 流就从双头螺旋绕组中一个螺旋绕组流入， 由另一 个螺旋绕组流出， 从宏观上讲，铁芯中的总磁通相互抵消， 不致在柱栅的基体铁 芯中产生磁饱和或大的磁滞。定尺绕组感抗低，可以看成是纯电阻元件，即: 电压的相位与电流的相位一致。其概念样机的定尺绕组的结构如图2 . 10所示 。 图2 . 10 样机定尺绕组结构图 二、柱栅概念样机的滑尺绕组 概念样机的滑尺绕组由 正弦绕组和余弦绕组组成，而正 ( 余) 弦绕组由正 ( 余) 弦正向电 流绕组和正 ( 余) 弦反向电 流绕组构成11 5 。 通过绕线方式加工 出滑尺的两个双螺旋绕组。正、余弦绕组交替间隔均匀分布，以降低定滑尺配 合锥度或间隙偏差的影响。 滑尺绕组的导程是6 11 1 月 1 ，螺距为3 11 ” 1 1 。即:滑尺同 相绕组的相邻导体的轴向间隔均为 6 n l 1 1 ，正弦绕组的导体间隔均匀地余弦绕组 的相邻导体之间的 位置处， 则两相绕组相邻导体的轴向间隔为3 llun ，即:滑尺 绕组的节距为 3 i l l n l 。图2 . 11是滑尺的某一相绕组 ( 正弦或者余弦绕组) 。 移 以 动 以 沂 弃 毕 羊 毕 一热 口 口 甘 日 份 图2 . 11 柱栅概念样机某一相绕组的结构图 由于定尺绕组的极距fz nun ， 滑尺绕组节距为定尺绕组极距的 1 .5倍，满 足感应同步器的正交原则11 司 : 入 气. ( 肚1)/2 .因此， 滑尺两相绕组产生的感应 电 动势必定正交， 相位相差为 士 9 0 。 。 三、柱栅概念样机的运行机理 为了简化分析，用恒定交变电流对定尺激磁，滑尺在定尺上以 恒定的速度 沿轴向移动，产生感应电动势。图2 . 12是柱栅概念样机定、滑尺绕组沿圆周方 向的展开的工作原理示意图。 第二章 柱栅工作原理及其概念样机、实验样机 il llll 4ivvvivn姻仪xxi 一乍 、:如仁、 、 一 ， 允 - . 4 :. 飞 . ix舒 .、 犯 一 一 丫 一 .- .-件.， -定尺连续绕组正向电流导体。 。 。 。 。 。定尺连续绕组的反向电流导体 滑尺a相绕组正向电流导体一 - 一滑尺a相绕组反向电流导体 一 一滑尺b相绕组正向电流导体一 一一滑尺b相绕组反向电流导体 图2 . 12 柱栅概念样机工作原理示意图 其工作原理分析如下: 1 、假设在某时，滑尺a相绕组的正向电流导体 ( 图中1 、5 导体)中心与 定尺连续绕组反向电流导体 ( 1 、姗)中心对齐，此刻它们之间的祸合最大， 则穿过导体1 ， 5 的磁通量最大 ( 不妨设为正的最大) ， 由于导体1 、 5 是串联的， 所以它们的感应电动势是叠加增强的:滑尺a相绕组的反向电 流导体 (3、7) 的中心与定尺连续绕组的正向电 流导体 ( w、x)中心对齐，穿过导体3 、7 的 磁通量是负的最大的，并且产生的感应电动势也是叠加增强的;由于 a相绕组 的正向电流导体和反向电流导体反向串联的，所以导体 1 、3 和导体 3 、7产生 的感应电 动势是叠加增强的。 注意到a 、 b 相绕组相邻导体的距离为3 /2r( r 为 定尺极距) ， 此时b相绕组的正、 反向电 流导体的中心与定尺连续绕组相应的正、 反向电流导体之间的空隙中心对齐， b相绕组与定尺连续绕组的祸合最小， 穿过 b相绕组的磁通量为零 ( 理论值) : l 7 第二章 柱栅工作原理及其概念样机、实验样机 2 、滑尺向右移动1 /2r 时，滑尺a相绕组占 据定尺连续绕组正、反向电流 导体之间的空隙的中间 位置，此时穿过滑尺a相绕组的磁通量幅值最小:而滑 尺b相绕组正， 反向电流导体的中心与定尺绕组正、 反向电流导体的中心对齐， 则穿过b相绕组的磁通量为负的最大; 3 、滑尺继续向右移动1 /2r 时，滑尺a相绕组正，反向电流导体的中心与 定尺连续绕组正、反向电流导体的中心对齐，则为穿过a相绕组的磁通量为负 的最大;而滑尺b相绕组正，反向电流导体的中心占据定尺连续绕组正、反向 电流导体之间的空隙的中间位置，此时穿过b相绕组的磁通量的幅值最小; 4 、滑尺继续向 右移动1 12r ，穿过a相绕组的磁通量变为零，穿过b相绕 组的磁通量为正的最大; 5 、 滑尺继 续向 右移 动1 /2 t 时， 回 到了 ( a) 的 状态。 随 着滑 尺 在定 尺的 单向 轴 向匀速移动，滑尺a( b )相的电动势呈余弦 ( 正弦) 规律变化。 四、柱栅概念样机的基本实验 通过该台概念样机进行了一些基本参数实验，如基本波形实验、正交性试 验、幅值关系曲线实验、电压传送比 ( v tr )实验、定滑尺间隙与感应电动势 关系实验、激磁信号频率与感应输出电动势关系实验等等。实验结果验证了柱 栅传感器基本思路的正确性与合理性。 五、柱栅概念样机绕组的优点 1 、 柱栅样机实现了定尺绕组的连续化， 消除了感应同步器具有的端部效应， 柱栅的定尺绕组是螺旋结构，适合在机床上加工，制作工艺大为简化，精度也 容易保证。滑尺绕组采用的是纠结式结构，实现了 绕组的无焊点制作。 2 、滑尺绕组采用了 斜导体结构，斜导体有利于提高传感器的空间正弦性。 六、柱栅概念样机绕组的不足 概念样机的滑尺绕组采用的分段连续纠结式结构存在明显的不足:滑尺的 正、余弦组 ( 包括两相正、反向绕组)交错布置，两相绕组的正反向绕组在每 个导程处纠结以 交换位置，因此滑尺绕组时需要在专用的绕线模具进行绕制， 绕线工作量大，尺寸与位置精度难于保证，既不利于柱栅的产品化，也不利于 控制与提高柱栅的测量精度。 2. 2. 3柱栅实验样机的介绍 定滑尺绕组是柱栅传感器的关键敏感部件，其性能直接影响到柱栅的测量 第三章 柱栅产品样机结 构设 计及制作 第三章柱栅产品样机结构设计及制作 总结本课题前期研究的成果与经验， 柱栅产品 样机的 设计目 标拟定为: 1 、柱栅定尺绕组采用柱栅实验样机中 提出的全连续六螺旋绕组结构， 滑尺 绕组采用四螺旋绕组结构; 2 、适合批量生产、工艺性好、加工精度容易保证，加工成本比较低的定滑 尺结构; 3 、柱栅定尺基体的结构要便于柱栅定尺的接长。 柱栅传感器结构简图如图3 . 1 所示，定滑尺由 基体1 、 绝缘层2 、绕组3 构 成，屏蔽层4 在定尺绕组上。 滑尺 八放大 乙勺jl 1 一 基体2 一 绝缘层3 一 绕组4 一 屏蔽层 图3 . 1柱栅传感器结构简图 3. 1非金属刷镀和热喷涂技术 3. l i非金属刷镀技术概述 非金属刷镀技术是先用某种表面处理工艺， 在非金属表面施加一层金属或 非金属导电 层，然后在其表面导电层上用电刷镀工艺刷镀所需要的金属镀层， 从而达到耐磨、防腐、装饰等目 的，是电刷镀和其他表面处理技术相结合的产 物119 1 . 非金 属刷 镀的 基体材料主要有以 下非金 属材料: 瓷器、 陶瓷、 玻 璃、 石 器、水泥制品、石膏制品、各种塑料、 木器、 竹器、 石墨等。非金属刷镀技术 具有以下特点: 1 、非金属材料表面金属化方法繁多，原理、 材料、 工艺、 设备各异， 可根 第三章 柱栅产品样机结构设计及制作 据不同基体材料，不同的使用要求，选用不同的表面金属化处理方法。 2 、非金属材料表面金属化的目的是为以后进行的电刷镀做准备，只需表面 金属化层导电良好，就达到了主要目的。所以金属化层一般很薄约几个微米， 同时要求其和基体结合良 好，表层致密，表面粗燥度低。 3 、从非金属材料表面金属化层形成过程来看，金属化层与基体的结合机理 主要是机械结合.当然随工艺的不同，分别伴有一定的扩散、固溶、 化学作用。 非金属刷镀过程中，非金属材料表面的金属化尤其重要，它决定了整个刷 镀过 程的 成功与否， 常见的 非 金属 材料金 属 化 工艺 有【2 0: 1 、除油:其目 的是除去镀件表面的油污，提高镀层的结合力。非金属表面 除油溶液可分为酸性除油溶液和碱性除油溶液， 有时 还可以 用电 解除油 ( 又称为 电 化学 除油 ) : 2 、表面粗化: 是非金属表面金属化最为重要的工序，对镀层的结合力及平 整性有很大的影响。常用的粗化的方法有三种:机械粗化、有机溶剂粗化、化 学粗化。在实际应用中根据镀件材料、形状复杂度、产品使用条件等因素采用 不同粗化方法。通过实践和理论研究证明，机械粗化，有机溶剂粗化，化学粗 化获得的镀层结合力依次增强; 3 、敏化:是将粗化过的镀件置于含有敏化剂的溶液中进行浸渍，或用刷拭 的方法在镀件表面涂刷敏化液，以便在工件表面吸附一层容易被还原的物质， 保证在活化处理时通过还原反应形成一层金属膜。敏化剂一般采用二氯化锡的 酸性金属， 有时根据二价锡的络合碱性溶液。 其他还有就是酸性或碱性的锡盐， 钦、错、牡的化合物; 4 、活化:是将经过敏化处理后的非金属制品浸入含有某种贵金属离子的活 化液中 ( 或不经过敏化处理而直接用胶态把活化液活化) ，在其表面形成一层很 薄而且具有催化作用的金属层。经过敏化处理的镀件，表面上吸附了还原剂， 需要在含有氧化剂的溶液中进行反应， 使金属离子还原成金属，在镀件表面形 成“ 催化中心” ， 以便在随后的化学沉积中加速反应。 常用活化剂有离子型活化液: 硝酸银和氯化把，而胶态把活化液用于一些表面材料的直接活化; 5 、化学镀:其目的是在非金属表面形成一层导电的金属层，从而为刷镀金 属镀层打下基础。化学镀是非金属材料金属化的最后一道工序。化学镀是利用 化学还原的方法，在镀件表面的催化膜上沉积一层金属。化学镀只是解决电刷 第三章 柱栅产品 样机结构设计及制作 镀的底层问题，所以常用化学镀铜和化学镀镍。 非金属刷镀技术的 基本工艺流程如图3 .2所示121 。 图1 2非金属刷镀技术的基本工艺过程流程图 1 1 .2等离子喷涂技术概述 等离子喷涂是将金属 或非金属)粉末通过非转移型等离子弧焰流中加热 到熔化或半熔化状态，并随同等离子焰流，以高速喷射并沉积到预先经过处理 过的工件表面上，从而形成一种具有特殊性能的涂层。 等离子喷涂基本工作原 理 如 图 3. 3 所 示 122 1 . 24 第三章 柱栅产品样机结构设计及制作 班 粉 末 1 . 阴极; 5 .喷涂层; 2 . 阴极夹头:1 绝缘体: 6.工件:7. 等离子 焰流: 或喷嘴; 民 等离 子弧。 图3. 3等离子喷涂工作原 理图 为了 提高涂层与基材间的结合强度， 基材表面的 预处理是一个重 要的影响 因素，甚至关系到喷涂工艺 过程的成败， 所谓的 待喷涂表面的制备通常是指表 面净化、预加工、粗化等内容: 1 、 表面净化: 喷涂前必须 将喷涂净 化， 彻底清除附 着在表面的 油污、油漆、 氧化物等，显露出新的金属表面。清除油污通常采用溶剂洗净，常用溶剂有三 氯乙烯、 全氯乙烯等， 有时也可用汽油或洗涤剂 ( 苛性钠、碳酸钠、磷酸钠等) ; 清除氧化物可 采用砂 轮、砂 纸、 钢丝刷、 喷砂等方法。 在金属喷涂中 常用喷砂 来清除氧化物: 2 、 预加工: 预加工是另 一种表面制备方法， 通常适用于 恢复零 件尺寸 喷涂、 自 熔性合金喷涂和陶瓷 喷涂时的厚涂层的情况下， 而一般防 腐蚀涂层较少 采用; 3 、 粗化:粗化的目 的 不仅是为了 使工 件表 面活化， 使之显露出新的 金属表 面， 提高 涂层与工 件表面间 的结合强 度，而且由 于 粗化后表面凸凹不平，可打 乱涂层部分收 缩应力的 方向 ，减少沿工件表面方向的 应力， 从而使涂层与工件 表面间的结合强 度高 于光滑表面的结合强 度 。 常用的粗 化方法有: 喷砂粗化、 镍拉毛粗化、 机械加工粗化。 在等离子喷涂过程中， 要严格控制离 子气体 种类、 流量、电弧功率、送粉 量、 喷涂距离和移动速度等工艺参数。 所获得的 等离子喷涂涂层往往需要切削 第三章 柱栅产品 样机结构设计 及制作 加 工才能满足尺 寸精度与表面粗糙度等要求。当 等离子喷涂层硬度比 较低和加 工 余量比 较大的 情况下， 涂层适宜选用车、 铣、 刨等加工方法，由 于等离子喷 涂内 含有弥散 性的 高硬度和高耐磨性能的 粉末颗粒和金属氧化物，对切削刀具 材 料提出了高 硬度、 高耐磨、耐高温等综合性能 要求。 常用刀具为:硬质合金 刀 具， 同 时 其 主 偏 角 控 制 在3 00 度以 内 ， 前 角r 一 般 为00 一 80 。 当 等离 子 喷 涂 层 的硬度比较高和加工余量比较小的情况下，涂层选用磨削加工的方法比较适宜。 常 用的砂轮为 氧化铝和碳 化硅砂轮， 砂轮的粒 度在4 矿一 6 扩之间。 磨削外圆时， 砂轮线速 度一 般在30 40米/ 秒之间， 磨削进给量 在众 0 030. 0 05毫米 之间; 磨 削内 孔时， 砂轮线速 度一般在1828米/ 秒之间， 磨削进给量在0 .0 02一0 . 0 05毫 米之间，工 件的 线速度 根据直径大小而定， 一 般选择在25 40转/ 分 之间 123 一 1 。 3. 2粘结剂 粘接剂又称勃合剂、胶豁剂，简称胶。它是一种能够把两种同类或不同类 的材料紧密地结合在一起的物质。采用胶豁剂将各种材料或部件连接起来的技 术称为粘接技术。 粘接效果的 优劣取决于粘接技术的 三要素: 胶薪剂、 被粘接 材料和粘接工艺 技术过程125 的 种类很多，分 类方法也很多按应用 性能来分，可 以 分为: 结构胶， 胶接强度较高， 用于受力 较大的结构 件胶接; 非结构 胶， 胶接强度较低， 用于 非受力部位或构件; 密封胶， 起密 封作用; 浸渗胶， 渗透 性好，能浸渗 铸件等， 堵塞微孔、砂眼; 功能 胶， 具有特殊功能， 如导 电、导磁、导热、耐超低温、应变及点焊胶接等，以及具有特殊的固化反应， 如厌氧性、热熔性、光敏性、压敏性等. 在柱 栅样机为 满足加工要求， 所选粘结剂 应具 备如下性能: 绝缘性; 固 化后， 胶的硬度高、 强度高、 韧性好、抗 剥离强度高; 固 化时间不宜过 短， 以 使装配操作过程有充分的时间。为此我们选用了环氧树脂作为绝缘材料和外 面的保护层，以及滑尺基体和滑尺绕组的粘结。 环氧树脂优良 的物理机械和电 绝缘性能、 与各种材料的 粘接性能、以 及其 使用工艺的灵活性是其他热固性塑料所不具备的。环氧树脂的不同品种有以下 共性:耐化学品性能优良，尤其是耐酸性和耐碱性;漆膜附着力强，特别是对 金 属; 具有较好的 耐热性和电 绝缘性; 漆膜保护色较好。 环氧树脂的胶粘剂产 品除了 对聚烯烃等非极性塑料粘接性不好之外， 对于各种金属材料， 如:铝、 钢、铁、铜:非金属材料如玻璃、木材、混凝土等;以及热固性塑料如酚醛树 第三章 柱栅产品样机结构设计及制作 脂、氨基、不饱和聚脂等都有优良的粘接性能，因此有万能胶之称.另外环氧 树脂粘接剂的流动性好，固化时间较长。环氧胶粘剂是结构胶粘剂的重要 品种12 6 1 。 3. 3定尺的研制 1 1 1定尺绕组导体宽度计算 定尺绕组电流密度用傅立叶级数表示为: j( x) = 艺 州 x) = 艺jv sin *(3. 1) 式中 : 人 ( x)一谐波电 流密 度;人 一谐波电 流 密度幅 值;， 一空间 谐 波次 数， ， 一 1 ， 3 ， 5 ，. ; * 一 转 换 系 数 ， * 一 义 ; 2 洪 ， ， 、 _ _， j v = 丫r云j 吸 不 j ” n v 凡 口 不 二 t飞 es 寸 丛5 访 ， 二 s in 话 丘= 刀 、