本发明属于精密测量传感器，具体涉及一种双层互补型绝对式时栅直线位移传感器。
背景技术：
1、最近几年，随着工业自动化及其智能化水平的持续提高，对于闭环控制系统和测量系统来说，对位移测量设备的要求也变得更为严格。这些系统不仅需要位移测量设备具有出色的测量准确性和可靠性，而且还希望这些设备在开机后能立即投入使用，以便加快系统的响应时间和提升工作效率。因此，现代闭环控制系统和测量系统越来越倾向于选择绝对式位移传感器。
2、时栅直线位移传感器作为众多位移传感器中的一种，因其具有测量精度高、抗干扰能力强、稳定性好、成本低廉等优点，在精密位移测量领域获得了越来越广泛的应用。但是当前的绝对式时栅直线位移传感器存在如下问题：(1)粗机、精机测量单元分时驱动，导致累计误差过大和实时性不强；(2)带有位移量的感应信号从动尺端引出易发生导线缠绕，导致实用性不高，此外走线不够紧凑也会导致感应线圈拾取磁场的效果不佳，并且只有一组感应线圈实现信号的感应，那么不可避免的会引入共模干扰，这样就会对传感器的测量造成影响，影响传感器的精度。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种双层互补型绝对式时栅直线位移传感器，以增强励磁效果和感应信号强度，提高传感器的实用性，减少传感器的共模误差。
2、本发明所述的双层互补型绝对式时栅直线位移传感器，包括定尺和与定尺正对平行且留有间隙的动尺，所述定尺包括定尺基体和设在定尺基体上的激励单元，所述动尺包括动尺基体和设在动尺基体上的感应单元，以x向为测量方向，感应单元与激励单元在z向正对平行。
3、所述定尺基体上还设有呈平面方形螺旋状的接收线圈、接地的第一隔离条和接地的第二隔离条，所述激励单元包括粗机激励单元和精机激励单元。粗机激励单元、所述第一隔离条、所述接收线圈、所述第二隔离条、精机激励单元沿y正向依次间隔排列。第一隔离条用于隔离通入粗机激励单元的激励信号对接收线圈输出的感应信号的干扰，第二隔离条用于隔离通入精机激励单元的激励信号对接收线圈输出的感应信号的干扰。粗机激励单元包括结构相同、相互绝缘且起始端沿x向错开的粗机第一激励线圈和粗机第二激励线圈；精机激励单元包括结构相同、相互绝缘且起始端沿x向错开的精机第一激励线圈和精机第二激励线圈。粗机第一激励线圈、粗机第二激励线圈、精机第一激励线圈、精机第二激励线圈都由布置于相邻两层的导线段通过过孔连接而成。其中，mw1＝nw2，w1表示粗机激励单元的极距，m表示粗机激励单元的对极数，w2表示精机激励单元的极距，n表示精机激励单元的对极数，m与n互质且m<n。
4、所述动尺基体上还设有呈平面方形螺旋状的传递线圈、接地的第三隔离条和接地的第四隔离条，所述感应单元包括粗机感应单元和精机感应单元。粗机感应单元、所述第三隔离条、传递线圈、所述第四隔离条、精机感应单元沿y正向依次间隔排列。第三隔离条用于隔离粗机感应单元与传递线圈的相互影响，第四隔离条用于隔离精机感应单元与传递线圈的相互影响。粗机感应单元包括结构相同、相互绝缘且起始端沿x向错开的粗机第一感应线圈和粗机第二感应线圈；精机感应单元包括结构相同、相互绝缘且起始端沿x向错开的精机第一感应线圈和精机第二感应线圈。粗机第一感应线圈、粗机第二感应线圈、精机第一感应线圈、精机第二感应线圈都由布置于相邻两层的导线段通过过孔连接而成。粗机第一感应线圈、粗机第二感应线圈、精机第一感应线圈、精机第二感应线圈串联后与传递线圈的两端相连。
5、工作时，动尺相对定尺移动，粗机第一激励线圈、粗机第二激励线圈分别通入频率为f1、幅值相等、相位相差90°的两路正弦激励信号，精机第一激励线圈、精机第二激励线圈分别通入频率为f2、幅值相等、相位相差90°的两路正弦激励信号，粗机第一感应线圈、粗机第二感应线圈、精机第一感应线圈、精机第二感应线圈产生感应信号，感应信号进入传递线圈，经过由传递线圈与接收线圈组成的变压器耦合，耦合至接收线圈，接收线圈输出感应信号，对该感应信号进行处理，解算得到动尺相对定尺的绝对直线位移值；其中，f2≥2f1。
6、优选的，所述粗机第一激励线圈由第一导线组和第二导线组串联构成，第一导线组沿第一曲线f1(x)绕制，且在第一曲线f1(x)的跳跃间断点处通过直导线连接，第二导线组沿第二曲线f2(x)绕制，且在第二曲线f2(x)的跳跃间断点处通过直导线连接，第一导线组的终止端与第二导线组的终止端通过直导线、过孔连接，第一导线组的起始端、第二导线组的起始端引线作为粗机第一激励线圈的激励信号输入端口。其中，
7、
8、
9、d(表示跳跃间断点处的直导线的y向长度)为常数，i1依次取0至m-1的所有整数。
10、第一导线组的和区间的导线段位于r布线层上，第一导线组的和区间的导线段位于s布线层上，在第一曲线f1(x)的跳跃间断点处的直导线位于s布线层上，在第一曲线f1(x)的x＝k1w1跳跃间断点处的直导线位于r布线层上，从而增强了磁场强度和磁场分布的对称性。其中，k1依次取1至m-1的所有整数，r布线层与s布线层相邻。
11、第二导线组的和区间的导线段位于s布线层上，第二导线组的和区间的导线段位于r布线层上，在第二曲线f2(x)的跳跃间断点处的直导线位于r布线层上，在第二曲线f2(x)的x＝k1w1跳跃间断点处的直导线位于s布线层上，从而增强了磁场强度和磁场分布的对称性。
12、由于粗机第二激励线圈的结构与粗机第一激励线圈的结构相同，只是布置时起始端沿x向错开因此，粗机第二激励线圈的激励信号输入端口为粗机第二激励线圈中的第一导线组的起始端与第二导线组的起始端。粗机第一激励线圈和粗机第二激励线圈都仅需两层布线即可在通入激励信号后产生成周期性变化的激励磁场。
13、优选的，第一导线组的区间的导线段的终止端为第一导线组的终止端，第二导线组的区间的导线段的终止端为第二导线组的终止端。第一导线组的终止端与第二导线组的终止端在x＝mw1对应位置通过直导线、过孔连接。该直导线位于s布线层上，该过孔为第一导线组的终止端与该直导线的连接孔；或者该直导线位于r布线层上，该过孔为第二导线组的终止端与该直导线的连接孔。
14、优选的，所述精机第一激励线圈由第三导线组和第四导线组串联构成，第三导线组沿第三曲线f3(x)绕制，且在第三曲线f3(x)的跳跃间断点处通过直导线连接，第四导线组沿第四曲线f4(x)绕制，且在第四曲线f4(x)的跳跃间断点处通过直导线连接，第三导线组的终止端与第四导线组的终止端通过直导线、过孔连接，第三导线组的起始端、第四导线组的起始端引线作为精机第一激励线圈的激励信号输入端口。其中，
15、
16、d(表示跳跃间断点处的直导线的y向长度)为常数，i2依次取0至n-1的所有整数。
17、第三导线组的和区间的导线段位于r布线层上，第三导线组的和区间的导线段位于s布线层上，在第三曲线f3(x)的跳跃间断点处的直导线位于s布线层上，在第三曲线f3(x)的x＝k3w2跳跃间断点处的直导线位于r布线层上，从而增强了磁场强度和磁场分布的对称性。其中，k3依次取1至n-1的所有整数，r布线层与s布线层相邻。
18、第四导线组的和区间的导线段位于s布线层上，第四导线组的和区间的导线段位于r布线层上，在第四曲线f4(x)的跳跃间断点处的直导线位于r布线层上，在第四曲线f4(x)的x＝k3w2跳跃间断点处的直导线位于s布线层上，从而增强了磁场强度和磁场分布的对称性。
19、由于精机第二激励线圈的结构与精机第一激励线圈的结构相同，只是布置时起始端沿x向错开因此，精机第二激励线圈的激励信号输入端口为精机第二激励线圈中的第三导线组的起始端与第四导线组的起始端。精机第一激励线圈和精机第二激励线圈都仅需两层布线即可在通入激励信号后产生成周期性变化的激励磁场。
20、优选的，第三导线组的区间的导线段的终止端为第三导线组的终止端，第四导线组的区间的导线段的终止端为第四导线组的终止端。第三导线组的终止端与第四导线组的终止端在x＝nw2对应位置通过直导线、过孔连接。该直导线位于s布线层上，该过孔为第三导线组的终止端与该直导线的连接孔；或者该直导线位于r布线层上，该过孔为第四导线组的终止端与该直导线的连接孔。
21、优选的，所述粗机第一感应线圈的绕线轨迹为起始位置相同、幅值为a、周期为w1、周期个数为q、相位互差180°的第一正弦曲线和第二正弦曲线。粗机第一感应线圈的沿区间内的第一正弦曲线部分绕制的第二导线段位于e布线层上，第二导线段有q根，粗机第一感应线圈的沿区间内的第一正弦曲线部分绕制的第一导线段和沿区间内的第一正弦曲线部分绕制的第三导线段位于f布线层上，第一导线段有q根，第三导线段有q根。粗机第一感应线圈的沿区间内的第二正弦曲线部分绕制的第五导线段位于f布线层上，第五导线段有q根，粗机第一感应线圈的沿区间内的第二正弦曲线部分绕制的第四导线段和沿区间内的第二正弦曲线部分绕制的第六导线段位于e布线层上，第四导线段有q根，第六导线段有q根。第1根第一导线段的起始端与第1根第四导线段的起始端通过过孔连接；其中，j1依次取0至q-1的所有整数，q≥2，e布线层与f布线层相邻。
22、由于粗机第二感应线圈的结构与粗机第一感应线圈的结构相同，只是布置时起始端沿x向错开因此，粗机第二感应线圈也有第一导线段、第二导线段、第三导线段、第四导线段、第五导线段、第六导线段。粗机第一感应线圈的第q根第三导线段的终止端与粗机第二感应线圈的第q根第三导线段的终止端通过导线连接。粗机的感应线圈有两个(即粗机第一感应线圈和粗机第二感应线圈)，从而提高了感应信号的幅值和正弦性，减小了气隙磁场引入的谐波误差，更能在一定程度上提高传感器的测量精度。
23、优选的，所述精机第一感应线圈的绕线轨迹为起始位置相同、幅值为a、周期为w2、周期个数为p、相位互差180°的第三正弦曲线和第四正弦曲线。精机第一感应线圈的沿区间内的第三正弦曲线部分绕制的第八导线段位于e布线层上，第八导线段有p根，精机第一感应线圈的沿区间内的第三正弦曲线部分绕制的第七导线段和沿区间内的第三正弦曲线部分绕制的第九导线段位于f布线层上，第七导线段有p根，第九导线段有p根。精机第一感应线圈的沿区间内的第四正弦曲线部分绕制的第十一导线段位于f布线层上，第十一导线段有p根，精机第一感应线圈的沿区间内的第四正弦曲线部分绕制的第十导线段和沿区间内的第四正弦曲线部分绕制的第十二导线段位于e布线层上，第十导线段有p根，第十二导线段有p根。第1根第七导线段的起始端与第1根第十导线段的起始端通过过孔连接。其中，j2依次取0至p-1的所有整数，p≥2。从而提高了感应信号的幅值和正弦性，减小了气隙磁场引入的谐波误差，更能在一定程度上提高传感器的测量精度。
24、由于精机第二感应线圈的结构与精机第一感应线圈的结构相同，只是布置时起始端沿x向错开因此，精机第二感应线圈也有第七导线段、第八导线段、第九导线段、第十导线段、第十一导线段、第十二导线段。精机第一感应线圈的第p根第十二导线段的终止端与精机第二感应线圈的第p根第十二导线段的终止端通过导线连接。精机的感应线圈有两个(即精机第一感应线圈和精机第二感应线圈)，从而提高了感应信号的幅值和正弦性，减小了气隙磁场引入的谐波误差，更能在一定程度上提高传感器的测量精度。
25、粗机第一感应线圈的第q根第六导线段的终止端与传感线圈的一端通过导线连接，粗机第二感应线圈的第q根第六导线段的终止端与精机第二感应线圈的第p根第九导线段的终止端通过导线连接，精机第一感应线圈的第p根第九导线段的终止端与传感线圈的另一端通过导线连接。
26、优选的，所述p、q、m、n满足：roundup()表示向上取整。从而既能保证感应信号强度，又不牺牲测量量程。
27、优选的，所述接收线圈与传递线圈正对，所述接收线圈沿x向的长度大于或等于mw1，所述传递线圈沿x向的长度小于或等于qw1。
28、优选的，对所述感应信号进行处理，解算得到动尺相对定尺的绝对直线位移值的方式包括：
29、将接收线圈输出的感应信号分成两路，一路经第一带通滤波器滤波、第一放大电路放大后得到第一行波信号e1，另一路经第二带通滤波器滤波、第二放大电路放大后得到第二行波信号e2。
30、将第一行波信号e1与第一调制信号i1相乘，然后经第一低通滤波器滤波、第三放大电路放大后得到第一电信号u1；将第二行波信号e2与第二调制信号i2相乘，然后经第二低通滤波器滤波、第四放大电路放大后得到第二电信号u2。
31、将第一电信号u1与基准信号比相，并通过高频时钟脉冲插补，得到相位差将第二电信号u2与基准信号比相，并通过高频时钟脉冲插补，得到相位差对相位差进行换算，得到粗机增量位移δx1，对相位差进行换算，得到精机增量位移δx2。
32、利用粗机增量位移δx1、精机增量位移δx2进行对极定位，得到动尺所经过的精机激励单元的对极数v。
33、利用公式：xabs＝v×w2+δx2，计算得到动尺相对定尺的绝对直线位移值xabs。
34、本发明与现有技术相比，具有如下效果：
35、(1)粗机激励单元具有粗机第一激励线圈和粗机第二激励线圈，采用六边形双层绕线，精机激励单元具有精机第一激励线圈和精机第二激励线圈，采用六边形双层绕线，从而增强了磁场强度和磁场分布的对称性。
36、(2)粗机第一感应线圈和粗机第二感应线圈反向串联，粗机第一感应线圈输出的感应电信号和粗机第二感应线圈输出的感应电信号反向叠加，作为粗机感应单元输出的感应信号，提高了信噪比，减小了共模误差，提高了感应信号的幅值。
37、(3)精机第一感应线圈和精机第二感应线圈反向串联，精机第一感应线圈输出的感应电信号和精机第二感应线圈输出的感应电信号反向叠加，作为精机感应单元输出的感应信号，提高了信噪比，减小了共模误差，提高了感应信号的幅值。
38、(4)由定尺端通过接收线圈引出带有位移量的感应信号，避免了动尺引线的缠绕问题，提高了传感器的实用性和测量的方便性。
39、(5)粗机感应单元、精机感应单元与传递线圈串联，采用变压器耦合原理将粗机感应单元和精机感应单元上感应的不同频率的行波信号通过传递线圈同时耦合回定尺基体上的接收线圈，实时解算绝对直线位移，从而减小了由于粗机激励单元、精机激励单元分时驱动而产生的累计误差，提高了传感器的实时性与测量精度，能实现高精度、高实时性的绝对直线位移测量。
1.一种双层互补型绝对式时栅直线位移传感器，包括定尺和与定尺正对平行且留有间隙的动尺，所述定尺包括定尺基体(1)和设在定尺基体上的激励单元，所述动尺包括动尺基体(2)和设在动尺基体上的感应单元，以x向为测量方向，感应单元与激励单元在z向正对平行；其特征在于：
2.根据权利要求1所述的双层互补型绝对式时栅直线位移传感器，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的双层互补型绝对式时栅直线位移传感器，其特征在于：
4.根据权利要求2所述的双层互补型绝对式时栅直线位移传感器，其特征在于：所述精机第一激励线圈(41)由第三导线组(411)和第四导线组(412)串联构成，第三导线组(411)沿第三曲线f3(x)绕制，且在第三曲线f3(x)的跳跃间断点处通过直导线连接，第四导线组(412)沿第四曲线f4(x)绕制，且在第四曲线f4(x)的跳跃间断点处通过直导线连接，第三导线组(411)的终止端与第四导线组(412)的终止端通过直导线、过孔连接，第三导线组(411)的起始端、第四导线组(412)的起始端引线作为精机第一激励线圈(41)的激励信号输入端口；其中，
5.根据权利要求4所述的双层互补型绝对式时栅直线位移传感器，其特征在于：
6.根据权利要求4所述的双层互补型绝对式时栅直线位移传感器，其特征在于：所述粗机第一感应线圈(51)的绕线轨迹为起始位置相同、幅值为a、周期为w1、周期个数为q、相位互差180°的第一正弦曲线和第二正弦曲线；粗机第一感应线圈(51)的沿区间内的第一正弦曲线部分绕制的第二导线段(512)位于e布线层上，粗机第一感应线圈(51)的沿区间内的第一正弦曲线部分绕制的第一导线段(511)和沿区间内的第一正弦曲线部分绕制的第三导线段(513)位于f布线层上；粗机第一感应线圈(51)的沿区间内的第二正弦曲线部分绕制的第五导线段(515)位于f布线层上，粗机第一感应线圈(51)的沿区间内的第二正弦曲线部分绕制的第四导线段(514)和沿区间内的第二正弦曲线部分绕制的第六导线段(516)位于e布线层上，第1根第一导线段(511)的起始端与第1根第四导线段(514)的起始端通过过孔连接；其中，j1依次取0至q-1的所有整数，q≥2，e布线层与f布线层相邻；
7.根据权利要求6所述的双层互补型绝对式时栅直线位移传感器，其特征在于：所述精机第一感应线圈(61)的绕线轨迹为起始位置相同、幅值为a、周期为w2、周期个数为p、相位互差180°的第三正弦曲线和第四正弦曲线；精机第一感应线圈(61)的沿区间内的第三正弦曲线部分绕制的第八导线段(612)位于e布线层上，精机第一感应线圈(61)的沿区间内的第三正弦曲线部分绕制的第七导线段(611)和沿区间内的第三正弦曲线部分绕制的第九导线段(613)位于f布线层上；精机第一感应线圈(61)的沿区间内的第四正弦曲线部分绕制的第十一导线段(615)位于f布线层上，精机第一感应线圈(61)的沿区间内的第四正弦曲线部分绕制的第十导线段(614)和沿区间内的第四正弦曲线部分绕制的第十二导线段(616)位于e布线层上，第1根第七导线段(611)的起始端与第1根第十导线段(614)的起始端通过过孔连接；其中，j2依次取0至p-1的所有整数，p≥2；
8.根据权利要求7所述的双层互补型绝对式时栅直线位移传感器，其特征在于：所述p、q、m、n满足：roundup()表示向上取整。
9.根据权利要求8所述的双层互补型绝对式时栅直线位移传感器，其特征在于：所述接收线圈(7)与传递线圈(10)正对，所述接收线圈(7)沿x向的长度大于或等于mw1，所述传递线圈(10)沿x向的长度小于或等于qw1。
10.根据权利要求1至9任一项所述的双层互补型绝对式时栅直线位移传感器，其特征在于，对所述感应信号进行处理，解算得到动尺相对定尺的绝对直线位移值的方式包括：
