时栅位移传感器研究

第２０卷第５期　重　庆　工　学　院　学　报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２００６年５月　Ｍａｙ　２０Ｏ６　Ｖｏ１．２Ｏ　Ｎｏ．５　【本刊专稿】　时栅位移传感器研究‘　彭东林，刘小康，张兴红，陈锡候　（重庆工学院电子信息与自动化学院。重庆４０００５０）　摘要：为了解决传统测量技术对精密制造的过分依赖问题，研究者经过多年努力研制成功一种全　新原理的位移传感器——时栅传感器．实践表明它具有高精度低成本和智能化等显著优点，目前　正在产品化过程之中．　关键词：时栅；传感器；精密测量　中围分类号：ＴＰ２１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—０９￣（００６）２０５—０ｏ０１—０４　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｔｉｍｅ　Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　Ｓｅｎｓｏｒ　ＰＥＮＧ　Ｄｏｎｇ—ｌｉｎ，ＬＩＵ　Ｘｉａｏ—ｋａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉｎｇ－ｈｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｘｉ—ｈｏｕ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｉｔｏｎ，ｃ　ｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈ０ｎｇｑｉｎｇ　４０００５０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｃｈａｎｇｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｄｅｐｅｎｄ　ｏｎ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｇｒｅａｔｌｙ，ａ　ｎｏｖｅｌ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｉｎｔｅＵｉｇｅｎｔ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎａｍｅｄ　ｔｉｍｅ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ　ｂｕｔ　ｈｉｓｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｉｍｅ　ｇｒａｔｉｎｇ；ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　依赖另一个基准量——时间基准，从而摆脱对超　０引言　时栅位移传感器研究属于几何量精密测量领　域，面向制造业和国防工业中的精密加工、精密测　试等“高、精、尖”重大装备和重要关键技术．本研　精密加工的过分依赖”的新思想．简而言之。该研　究基于“用时间测空间”的新方法、新技术，发明了　一种新型智能传感器——时栅位移传感器．该研　究始于１９９７年，迄今已近ｌＯ年，其间工作分成二　个阶段：第一阶段为１９９７－－１９９９年，在笔者承担的　第一项国家自然科学基金“圆分度静态精密测量　新方法及微机装置的研究”（５９６７５０８９）项目的资助　下。提出“时空坐标转换方法”和“时栅位移传感器　研究”的新思想和新方法。并做出精度为±３４”的　究立足于改变人们长期以来形成的传统思维：“高　精度位移测量必须依赖高精度的测量基准标尺，　且这个测量基准标尺是基于超精密机械加工而得　到的空间刻线分布”，提出了“精密位移测量可以　・收稿日期：２００６—０５—２０　作者简介：彭东林（１９５２一）。男。博士。教授，博士生导师，重庆工学院电子信息与自动化学院院长，主要从事机电　体化、精密测量技术与仪器和智能传感器领域的研究．　一维普资讯 http://www.cqvip.com

２　重庆工学院学报　模型样机．该研究成果通过全国的专家通讯评审　获得高度评价，并引起国家自然科学基金委的重　视，发文组织专家鉴定（后推迟），并列入基金委编　辑的“优秀应用推广成果项目选编”，１９９９年获第　一项发明专利．本阶段工作解决了该研究的理论　和方法的问题…１．第二阶段为２０００－－２００４年。在笔　者承担的第二项国家自然科学基金“场式时栅位　移传感器研究”（５００７５０９１）［　、重庆市科技攻关项　目和重庆工学院重点预研基金的资助下，做出了　高精度时栅传感器，２００３年获第二项发明专利和　一项实用新型专利．２００４年５月经法定权威检测　部门——中国测试技术研究院检定精度为±０．８”，　达到计量光栅水平．２００４年９月由国家自然科学　基金委组织的当年惟一一次专家鉴定会为该研究　作出这样的评价：“…本项研究提出不用刻线尺而　实现精密角位移测量的新方法和技术，具有显著　的创新性，处于国际先进水平，时栅位移传感器属　国内外首创，具有广泛的应用前景”．由鉴定会检　测小组测出的时栅样机精度为±０．６”．本阶段工作　解决了关键技术问题，并做出了高精度样机　３．　时栅位移传感器的特点在于：“用时间替代空　间刻线”，摒弃传统光栅等栅式传感器的刻线工　艺。因无需高精度机械加工而实现高精度和高分　辨率，从而具有价格特别低（约为光栅的１／１０），结　构简单，抗干扰力强，智能化程度高等显著特点．　目前开发的时栅系统主要应用于圆分度的精　密测量（直线测量的样机也已研制成功），可广泛　应用于回转分度工作台、检测定位装置、精密测角　仪、数控加工中心和数控机床以及武器系统的精　密制导和定位系统等．　１研究概况　在大量程位移测量中，为了兼顾分辨力和量　程，许多传感器采用了栅式结构，如光栅、磁栅、容　栅、球栅、齿栅、感应同步器等Ｈ】，利用其运动过程　中某些物理量有规律的周期性变化而形成沿空间　均匀分布的“栅线”，从而可以通过对栅线的计数　而得到位移量．光栅是目前应用最广泛的栅式传　感器，精度高，技术成熟．但以“完美”的眼光去挑　剔，仍有一些缺点，其根本原因在于栅线数难以进　一步提高，只能依靠电子细分，从而引起成本、可　靠性、抗干扰力等方面的问题．例如圆分度测量，　一个圆周有ｌ　２９６　０００角秒，通常刻线３２　４００线／周　的光栅已经比较难测量一每线仍有４ｏ角秒的当　量．要达到工程上１”以内的分辨力要求，就要靠复　杂的电子倍频细分电路．除结构复杂、成本提高　外，尤其是对光栅的运动速度还附加了，必须　运行平稳、无突变和相对低速等．如果想进…　步加　大刻线密度，除工艺更复杂、成本更高外，还变得　更容易受到生产现场微小的粉尘、油污和水气的　污染，抗干扰能力、运动速度的上限和可靠性更难　保证．　作为现行技术尚未在生产现场推广应用的一　个典型例子是：制造业工厂大量使用的回转分度　转台，采用的基本上都是机械刻线读数定位．工人　靠手摇快速粗定位，再目测游标，采用手微动精密　定位．烟台机床附件厂是我国最大的回转分度转　台生产厂，每年６　０００台出口，１　０００台内销，绝大部　分是机械刻线加游标读数方式，极少采用光栅或　感应同步器．原因很简单：一是价格不匹配，一台　机械转台约在３００～２　０００元，而一套德国精密光栅　约５万元；二是光栅经不起恶劣的生产环境干扰，　尤其是不适应手摇转台时忽快忽慢、忽左忽右、忽　动忽停的运动方式．在现代信息技术如此高度发　展的今天，还有这么多生产领域采用如此落后的　生产工艺方式，这是我们相关科技工作者的压力　和动力．事实上，自光栅面世以后的５０年时间里。　人类在圆分度技术上再无原理上的重大突破．　在这种背景下，我们注意到目前人类对时间　的测量要比对空间的测量精密得多，精度要高三　个数量级以上，测量方法更简单。价格更低廉．一　块高精度石英表成本不过几元钱，且不易受到温　度和重力等周边物理环境变化的干扰．于是我们　萌生了“用时间测量空间”的思想，即不用依赖超　精密加工去形成各种栅式测量基准尺，而改用另　一个基本物理量——时间量来形成测量的基准．　具体地讲，就是用按时间等分的时钟脉冲信号来　代替空间等分的栅式传感器信号，从而构成一种　全新原理的栅式传感器，笔者把它命名为：“时栅　维普资讯 http://www.cqvip.com

彭东林，等：时栅位移传感器研究　位移传感器”，简称时栅．　１９９６年我们在向国家自然科学基金委员会提　３　１）在理论层面上，空间和时间是两个不同的　最基本的物理量Ｌ５Ｊ，我们发现：机械运动现象总是　与空间联系在一起，电气现象总是与时问联系在　出的申请项目“圆分度静态精密测量新方法及微　机装置的研究”中首次提出上述思想及实现方案，　在评审中产生了争议．有的专家认为是一大创新，　有的则认为不可能实现，称“这已经是一个哲学问　题了”．最后基金委出于保护创新的基本原则，而　以“非共识项目”同意立项资助（批准号　５９６７５０８９）．经过３年努力，１９９９年做出了第一台机　械旋转式时栅的模型样机，虽然相当粗糙，精度只　有士３４”，但从理论和方法上证明了时栅思想的正　确性．１９９９年获第一项发明专利．该项研究成果经　过全国各高校ｌ３位专家的通讯评审获得高度评　价并引起基金委的重视，专门发文组织专家鉴定，　并将此成果列入委编“优秀应用推广成果项目选　编”．后因考虑到当时精度还做得不够高。故推迟　了鉴定会．　２０００年，笔者根据上述研究中总结的经验和　发现的问题，再次提出“场式时栅位移传感器研　究”的项目申请，获得国家自然科学基金的资助　（批准号５００７５０９１）．２００４年５月，做出了场式时栅　传感器样机，经法定权威检测部门——中国测试　技术研究院检定精度为±０．８　，达到计量光栅水　平．２００３年获第２项发明专利和一项实用新型专　利，２００４年９月由国家自然科学基金委员会组织　专家鉴定会进行鉴定．鉴定委员会成员包括天津　大学、清华大学２位国家重点实验室主任，鉴定会　主任和副主任分别由叶声华院士和费业泰教授担　任．由鉴定会检测小组测出的时栅样机精度为士　０．６　．该鉴定会是２００４年基金委组织的惟一一次　鉴定会．　该研究已在国内学术界、企业界和科技管理　部门产生重要影响，在２００５年获得１项国家自然　科学基金项目，ｌ项国家８６３项目和１项国家科技　部中小企业创新基金项目的资助；２００３年和２００４　年分别得到重庆市科委科技攻关项目和自然科学　基金重大项目的资助．　２项目特色与创新　２．１　项目特色　一起．现有的几何量精密测量技术涉及的是空间　问题，因此无论国内国外，均属于精密机械学科的　范畴．而该研究将这样一个传统的依赖机械手段　为主的问题，以时间为媒体，转换成为一个依赖电　气手段为主的问题，使研究思路大为拓展，推动了　学科发展．无论是专利查询、查新、通讯评审、专家　鉴定，均未发现国内外有类似研究．几位鉴定专家　对我们用这种简单的方法达到这样的测量精度，　都感到“不可思议”，赞不绝口．基金委领导的评价　是“时栅属于源头创新的原创性成果，而不仅是一　般的创新性成果”．　２）在技术层面上，时栅目前达到的±０．８”的　精度，只是一个“先进”的水平而没有达到“领先”　的水平．国内已有光栅、感应同步器±０．５”的报道，　而国外已有±０．１”甚至更高的精度报道．按我们课　题组目前技术水平和设备能力，以及对未来产品　的定位（大量机械产品２”～５”精度就足够了），我们　认为鉴定意见“技术达到国际先进水平，原理属国　内外首创”的评价是准确的，也是课题组所追求　的．另外，由于高频时钟的采用，时栅的分辨率有　足够的把握达到或超过光栅和感应同步器的水　平．　３）在产品层面上，时栅作为一项新产品，刚刚　附之使用，还有一个接受生产、科研实践考验和市　场考验的过程，产品化和产业化程度远不能和已　有半个世纪历史的光栅和感应同步器等相比．但　是由于它具有特别突出的价格优势、智能化优势　和抗干扰能力，其市场前景已被许多敏感的公司、　厂家和科技管理部门所看好，目前正在加快其产　品化进程．　２．２项目的创新点　该研究项目主要研究“用时间测量空间”。从　而回避了高精度机械加工，提出了精密位移测量　的新方法、新技术，制造了新型位移传感器，主要　创新点如下：　１）提出的有关位移（角位移）精密测量的“时　空坐标转换”的重要学术思想，其内涵概括为３　维普资讯 http://www.cqvip.com

４　重庆工学院　报　点：①建立带时间考查点的相对匀速运动双坐标　系，则一个坐标系上的位置之差（位移）表现为另　一个坐标系上观察到的时间之差；②通过建立匀　速运动坐标系，把对被测物体的匀速要求，转化为　对传感器的匀速要求，使得用时间测变速运动物　体的位移空间成为可能；③在一个匀速运动坐标　系中，时间（时钟脉冲）具有了惟一的空间当量，就　是　．　２）根据上述思想而发明了全新原理的位移传　感器——时栅位移传感器，其最大特点在于无需　高精度机械加工而实现高精度测量，从而具有价　格特别低、结构简单耐用、智能化程度高等显著优　点．第一项发明专利支持单齿机械式时栅，第二项　发明专利和实用新型专利支持场式时栅．　３）开发出２类４种时栅传感器和带时栅数　系统的新型分度转台样机，其中场式时栅传感器　经中国测试技术研究院检定精度为４－０．８”，基金委　组织专家检定为４－０．６”，达到计量光栅水平．而分　度转台现已接受数百万元订货，开始走向市场．　３总结　１）该项目先后得到２项国家自然科学基金项　目、１项重庆市自然科学基金重大项目、２项重庆　市科委攻关项目和１项重庆工学院重点预研基金　项目的资助，历时８年半完成．　２）该项目先后获得２项国家发明专利和１项　实用新型专利．　３）研制的高精度时栅位移传感器于２００４年６　月经法定权威部门检定精度为４－０．８”，达到计量光　栅水平．　４）该项目所取得成果通过了国家自然科学基　金委员会２００４年举办的惟一一次高级别专家成果　鉴定会，并获得“国际先进”和“国内外首创”的高　度评价．　５）在重要学术期刊和国际、国内学术会议上　发表、宣读有关时栅位移传感器的高水平学术论　文４２篇。其中被ＳＣＩ收录２篇。被ＥＩ收录ｌ９篇，　《仪器仪表学报》刊登ｌ０篇，《机械工程学报》刊登　５篇．　６）研究成果正在迅速产品化，已获订单６００　余万元．　７）已在国内学术界、企业界和科技管理部门　产生重要影响，新近获得的新的资助计划包括：国　家科技部“８６３”项目和中小企业创新基金项目，国　家ｆｊ然科学基金重点专项和面上项目，重庆市科　委、经委和信息产业局的相关项目等．　８）本项成果获２００５年度重庆市技术发明一　等奖．　参考文献：　［１］彭东林，刘成康．谭为民，等．时空坐标转换理论与时　栅位移传感嚣研究［Ｊ］．仪器仪表学报．２６０ｏ．２１（４）：　３３８—３４２．　［２］彭东林，张兴红，刘小康。等．场式时栅位移传感嚣研　究［Ｊ］．仪器仪表学报。２００３．２４（３）：３２１—３２３．　［３］　冯慈璋．电磁场［Ｍ］．北京：人民教育出版社．１９７９．　［４］　李谋．位王检测与教显技术［Ｍ］．北京：机械工业出版　社．１９９３．　［５］强锡富．传感嚣．传感嚣［Ｍ］．２版．北京：北京机械工　业出版社．１９９４．　（责任编辑刘舸）