本發明屬于精密測量傳感器領域，具體涉及一種拼接式絕對時柵直線位移傳感器。

背景技術：

1、近幾年，隨著制造業的蓬勃發展，對高精密大型制造裝備的需求日益增加，相應對高精度大量程絕對式直線位移測量技術有了更高的要求，需同時具備量程范圍達數米級和高精度，并要求實現大量程范圍內的絕對定位且無測量累計誤差。

2、電磁式絕對時柵直線位移傳感器作為眾多絕對式位移傳感器中的一種，其具有掉電不丟失零點的功能，同時能夠實現高精度測量及絕對定位，在精密位移測量領域獲得了越來越廣泛的應用。但是當前的電磁式絕對時柵直線位移傳感器的動尺基體不能完全覆蓋定尺基體上的線圈，導致定尺基體上的線圈與空中各種電磁波耦合，產生高次諧波干擾，且受限于加工工藝，難以實現單段大量程的傳感器基體制造。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供一種拼接式絕對時柵直線位移傳感器，以減小空中各種電磁波的干擾，并實現測量范圍達到幾米甚至幾十米的大量程絕對直線位移測量。

2、本發明所述的拼接式絕對時柵直線位移傳感器，包括定尺和與定尺正對平行且留有間隙的動尺，所述定尺包括定尺基體，所述動尺包括動尺基體和設在動尺基體上的感應單元，設定x向為測量方向，平行于定尺基體且垂直于x向為y向，垂直于定尺基體方向為z向。

3、所述定尺基體上設置有粗機耦合單元和精機耦合單元。所述粗機耦合單元由m個相互獨立的粗機耦合線圈沿x向等間隔排成一行構成，所述粗機耦合線圈呈平面方形螺旋狀且起始端與終止端相連。所述精機耦合單元由n個相互獨立的精機耦合線圈沿x向等間隔排成另一行構成，所述精機耦合線圈呈平面方形螺旋狀且起始端與終止端相連。精機耦合單元的起始位置與粗機耦合單元的起始位置在y向對齊(即第1個粗機耦合線圈的起始位置與第1個精機耦合線圈的起始位置在y向對齊)。其中，n*w2＝m*w1，w1表示粗機耦合單元的極距，w2表示精機耦合單元的極距，m、n互質，且m＜n，d1表示精機耦合單元的起始位置(即第1個精機耦合線圈的最外匝左端)與定尺基體的左邊緣在x向的距離，d2表示精機耦合單元的終止位置(即第n個精機耦合線圈的最外匝右端)與定尺基體的右邊緣在x向的距離。

4、所述定尺有s個(s≥2)，s個定尺沿x向首尾依次拼接，形成定尺組。

5、所述動尺基體上還設有激勵單元，激勵單元由在y向對齊的正繞平面矩形螺旋線圈和反繞平面矩形螺旋線圈串聯構成。所述感應單元包括位于反繞平面矩形螺旋線圈內且與粗機耦合單元正對的粗機感應單元和位于正繞平面矩形螺旋線圈內且與精機耦合單元正對的精機感應單元。

6、工作時，將傳感器復位，動尺相對定尺組移動，激勵單元中通入激勵信號(余弦激勵信號或者正弦激勵信號)，產生交變氣隙磁場，粗機耦合單元與精機耦合單元在該交變氣隙磁場的作用下產生交變磁場(該交變磁場與激勵單元產生的交變氣隙磁場方向相反)，粗機感應單元與該交變磁場耦合，輸出粗機感應信號，精機感應單元與該交變磁場耦合，輸出精機感應信號，對粗機感應信號和精機感應信號進行處理，解算得到動尺相對定尺的絕對直線位移值。

7、優選的，所述粗機感應單元包括結構相同、相互絕緣且起始端沿x向錯開的粗機第一感應線圈和粗機第二感應線圈；所述精機感應單元包括結構相同、相互絕緣且起始端沿x向錯開的精機第一感應線圈和精機第二感應線圈，粗機第一感應線圈、粗機第二感應線圈、精機第一感應線圈、精機第二感應線圈都由布置于相鄰兩層的導線段通過過孔連接而成。

8、優選的，所述粗機第一感應線圈的繞線軌跡為起始位置相同、幅值為a、周期為w1、周期個數為q、相位互差180°的第一正弦曲線和第二正弦曲線；粗機第一感應線圈的沿區間內的第一正弦曲線部分繞制的第二導線段位于e布線層上，粗機第一感應線圈的沿區間內的第一正弦曲線部分繞制的第一導線段和沿區間內的第一正弦曲線部分繞制的第三導線段位于f布線層上；粗機第一感應線圈的沿區間內的第二正弦曲線部分繞制的第五導線段位于f布線層上，粗機第一感應線圈的沿區間內的第二正弦曲線部分繞制的第四導線段和沿區間內的第二正弦曲線部分繞制的第六導線段位于e布線層上，第1根第一導線段的起始端與第1根第四導線段的起始端通過過孔連接，第q根第三導線段的終止端與第q根第六導線段的終止端引線作為粗機第一感應線圈的感應信號輸出端口，形成差分結構；其中，j1依次取0至q-1的所有整數，q≥2，e布線層與f布線層相鄰。

9、由于粗機第二感應線圈的結構與粗機第一感應線圈的結構相同，只是布置時起始端沿x向錯開因此，粗機第二感應線圈也有第一導線段、第二導線段、第三導線段、第四導線段、第五導線段、第六導線段。

10、優選的，所述精機第一感應線圈的繞線軌跡為起始位置相同、幅值為a、周期為w2、周期個數為p、相位互差180°的第三正弦曲線和第四正弦曲線；精機第一感應線圈的沿區間內的第三正弦曲線部分繞制的第八導線段位于e布線層上，精機第一感應線圈的沿區間內的第三正弦曲線部分繞制的第七導線段和沿區間內的第三正弦曲線部分繞制的第九導線段位于f布線層上；精機第一感應線圈的沿區間內的第四正弦曲線部分繞制的第十一導線段位于f布線層上，精機第一感應線圈的沿區間內的第四正弦曲線部分繞制的第十導線段和沿區間內的第四正弦曲線部分繞制的第十二導線段位于e布線層上，第1根第七導線段的起始端與第1根第十導線段的起始端通過過孔連接，第p根第九導線段的終止端與第p根第十二導線段的終止端引線作為精機第一感應線圈的感應信號輸出端口，形成差分結構；其中，j2依次取0至p-1的所有整數，p≥2。

11、由于精機第二感應線圈的結構與精機第一感應線圈的結構相同，只是布置時起始端沿x向錯開因此，精機第二感應線圈也有第七導線段、第八導線段、第九導線段、第十導線段、第十一導線段、第十二導線段。

12、優選的，所述p、q、m、n滿足：roundup()表示向上取整函數，從而既能保證感應信號強度，又不犧牲測量量程。

13、優選的，所述粗機耦合線圈的最外匝在x向的長度等于在y向的寬度為l1，且2a≤l1＜l4；所述精機耦合線圈的最外匝在x向的長度等于在y向的寬度為l2，且2a≤l2＜l4；所述正繞平面矩形螺旋線圈的最內匝與反繞平面矩形螺旋線圈的最內匝在x向的長度都為l3、在y向的寬度都為l4，且l3＞max(q*w1,p*w2)，l4＞2a，max()表示取最大值函數。

14、優選的，所述粗機耦合線圈和精機耦合線圈有兩種繞制方式：第一種，粗機耦合線圈按逆時針由內至外繞制成平面方形螺旋狀，精機耦合線圈按逆時針由內至外繞制成平面方形螺旋狀。第二種，粗機耦合線圈按順時針由外至內繞制成平面方形螺旋狀，精機耦合線圈按順時針由外至內繞制成平面方形螺旋狀。

15、優選的，所述正繞平面矩形螺旋線圈和反繞平面矩形螺旋線圈有兩種繞制方式：第一種，正繞平面矩形螺旋線圈按逆時針由外至內繞制，反繞平面矩形螺旋線圈按順時針由內至外繞制，正繞平面矩形螺旋線圈的起始端與反繞平面矩形螺旋線圈的終止端相連，正繞平面矩形螺旋線圈的終止端與反繞平面矩形螺旋線圈的起始端引線作為激勵信號輸入端口。第二種，正繞平面矩形螺旋線圈按順時針由內至外繞制，反繞平面矩形螺旋線圈按逆時針由外至內繞制，正繞平面矩形螺旋線圈的終止端與反繞平面矩形螺旋線圈的起始端相連，正繞平面矩形螺旋線圈的起始端與反繞平面矩形螺旋線圈的終止端引線作為激勵信號輸入端口。

16、優選的，對粗機感應信號和精機感應信號進行處理，解算得到動尺相對定尺的絕對直線位移值的方式包括：

17、將i號定尺上的精機耦合單元的起始位置與i+1號定尺上的精機耦合單元的起始位置之間的位移的編碼設為i，i依次取1至s-1的所有整數，將s號定尺上的精機耦合單元的起始位置與終止位置之間的位移的編碼設為s。

18、對粗機感應信號進行處理，得到相位差對精機感應信號進行處理，得到相位差

19、對相位差進行換算，得到當前粗機增量位移δx′t，對相位差進行換算，得到當前精機增量位移δxt。

20、利用當前粗機增量位移δx′t、當前精機增量位移δxt進行對極定位，得到動尺在當前定尺上所經過的精機耦合單元的對極數v。

21、利用當前粗機增量位移δx′t、當前精機增量位移δxt，計算當前精機感應單元的起始端(即精機第一感應線圈的最左端)所處位置對應的編碼k，其中，1≤k≤s。

22、利用公式：xabs＝(k-1)*n*w2+v*w2+δxt，計算得到動尺相對定尺組的絕對直線位移值xabs。

23、優選的，利用當前粗機增量位移δx′t、當前精機增量位移δxt，計算當前精機感應單元的起始端所處位置對應的編碼k的方式為：

24、若當前位移差δx″t在區間[-6，+6]內，且上一次位移差δx″t-1在區間[-6+gn，6+gn]內，則使所述編碼k累加1(即k＝k+1)。

25、若當前位移差δx″t在區間[-6+gn，6+gn]內，且上一次位移差δx″t-1在區間[-6，+6]內，則使所述編碼k累減1(即k＝k-1)。

26、其中，k的初始值等于1；當δx′t≥δxt-6時，δx″t＝δx′t-δxt；當δx′t＜δxt-6時，δx″t＝w1+δx′t-δxt；當δx′t-1≥δxt-1-6時，δx＂t-1＝δx′t-1-δxt-1；當δx′t-1＜δxt-1-6時，δx′t-1＝w1+δx′t-1-δxt-1；δx′t-1表示上一次粗機增量位移，δxt-1表示上一次精機增量位移，6表示預設的誤差限，gn表示第m個粗機耦合線圈的最外匝左端與第n個精機耦合線圈的最外匝左端在x向的距離，6、gn都為已知參數。

27、優選的，對粗機感應信號進行處理，得到相位差的方式為：

28、將粗機第一感應線圈輸出的粗機感應信號v1經第一帶通濾波器濾波、第一放大電路放大后，得到第一駐波信號e1；將粗機第二感應線圈輸出的粗機感應信號v2經第二帶通濾波器濾波、第二放大電路放大后，得到第二駐波信號e2。

29、將第一駐波信號e1與調制信號i1相乘，然后經第一低通濾波器濾波、第五放大電路放大后，得到第一電信號u1；將第二駐波信號e2與調制信號i1相乘，然后經第二低通濾波器濾波、第六放大電路放大后，得到第二電信號u2。

30、將第二電信號u2與第一電信號u1相除，并對相除結果求反正切，得到相位差

31、優選的，對精機感應信號進行處理，得到相位差的方式為：

32、將精機第一感應線圈輸出的精機感應信號v3經第三帶通濾波器濾波、第三放大電路放大后，得到第三駐波信號e3；將精機第二感應線圈輸出的精機感應信號v4經第四帶通濾波器濾波、第四放大電路放大后，得到第四駐波信號e4。

33、將第三駐波信號e3與調制信號i1相乘，然后經第三低通濾波器濾波、第七放大電路放大后，得到第三電信號u3；將第四駐波信號e4與調制信號i1相乘，然后經第四低通濾波器濾波、第八放大電路放大后，得到第四電信號u4。

34、將第四電信號u4與第三電信號u3相除，并對相除結果求反正切，得到相位差

35、本發明與現有技術相比，具有如下效果：

36、(1)粗機耦合單元由m個相互獨立的粗機耦合線圈構成，精機耦合單元由n個相互獨立的精機耦合線圈構成，交變磁場的耦合僅在正繞平面矩形螺旋線圈和反繞平面矩形螺旋線圈范圍內，降低了傳感器定尺上未被動尺基體覆蓋的線圈與空中各種電磁波耦合所帶來的高次諧波干擾，提高了傳感器的測量精度。

37、(2)將s個定尺拼接成定尺組，并配合時柵信號處理電路實現了大量程絕對直線位移測量，打破了傳統的柵尺制造工藝對提升量程的限制，擁有廣泛的應用場景。

38、(3)激勵信號和感應信號均在動尺側進行處理，實現了定尺的無源設計，簡化了傳感器結構。

39、(4)激勵單元由正繞平面矩形螺旋線圈和反繞平面矩形螺旋線圈串聯構成，增強了感應信號強度，提高了傳感器信噪比。

40、(5)粗機第一感應線圈的差分結構，使粗機第一感應線圈沿第一正弦曲線繞制的部分耦合交變氣隙磁場而產生的感應電動勢與沿第二正弦曲線繞制的部分耦合交變氣隙磁場而產生的感應電動勢相抵消，粗機第一感應線圈只受粗機耦合單元的影響。粗機第二感應線圈的差分結構，使粗機第二感應線圈沿第一正弦曲線繞制的部分耦合交變氣隙磁場而產生的感應電動勢與沿第二正弦曲線繞制的部分耦合交變氣隙磁場而產生的感應電動勢相抵消，粗機第二感應線圈只受粗機耦合單元的影響。精機第一感應線圈的差分結構，使精機第一感應線圈沿第三正弦曲線繞制的部分耦合交變氣隙磁場而產生的感應電動勢與沿第四正弦曲線繞制的部分耦合交變氣隙磁場而產生的感應電動勢相抵消，精機第一感應線圈只受精機耦合單元的影響。精機第二感應線圈的差分結構，使精機第二感應線圈沿第三正弦曲線繞制的部分耦合交變氣隙磁場而產生的感應電動勢與沿第四正弦曲線繞制的部分耦合交變氣隙磁場而產生的感應電動勢相抵消，精機第二感應線圈只受精機耦合單元的影響。