定尺激励感应同步器位移量的高频调制解调原理

　　感应同步器是一种广泛地被用来对自动化机床的运动部件位移进行精密测量的元件[1]。感应同步器有直线式和旋转式2种形式,由于其工作原理相同,故只讨论前者。

　　直线式感应同步器设有固定部位与移动部件,称为定尺和滑尺,2者对面平行安装,中间留有0.15 mm～0.35 mm空隙。图1为绕组的布置。所谓绕组,实际上是按图1所示尺寸在2块相同材料上以印刷电路技术生成的平面绕组。定尺上有1节距为τ的连续绕组。τ通常为2 mm;滑尺上也有节距为τ的2组绕组分别称为sin绕组和cos绕组,其空间距离为τ/4。

　　感应同步器实际上是一个位移量信号调制器:当在定尺上或滑尺上施以固定频率、幅值的交变电压或电流信号,根据电磁感应定律,定尺上或滑尺上将会感应频率、幅值随定尺和滑尺之间相对位移量变化的感生电动势,即当定尺和滑尺相对移动时,感生电动势被相对位移x调制。本文重点讨论如何迅速、准确地将调制感生电动势的x值解调出来。

　　1　传统解调原理与不足

　　所谓传统解调,是指激励信号的固定频率f0在2 kHz～20 kHz之间,传统感应同步器讯号解调方法有多种,但归纳起来是鉴幅和鉴相2类[2]。由于这2类方法的激励和信号获取途径相同,故下面以鉴相为例,讨论高频调制解调原理。

　　1.1　滑尺激励方式

　　当两尺以相对速度v(t)自0点开始沿X轴运动,同时在图1所示的滑尺上的2个绕组加以正交、幅值相等且为A、周期固定为T0= 1/f0的Vg1、Vg2激励电压

　　式中,T0为激励信号;τ为同步感应尺的固有常数。

　　故对于实际的测量系统来说只需实时测出Δti的长度,就能得到对应的Δxi,对于从绝对零点开始的位移x,有

1.2　滑尺激励方式分辨率与抗干扰能力的矛盾

    　对于式(5),Δti的长度一般是用脉冲计数的方式来获得的。很显然,计数脉冲当量

　　显然降低激励频率f0的后果是使感生电动势的幅值降低。这就降低了感应同步器输出信号的信噪比,尤其是对于依靠电磁感应来传递讯号的器件,特别容易受到外来电磁场噪声的干扰影响。根据实验观察[3],上述情况下输出信号往往被白噪声压住,要经过一系列放大滤波后才能进行处理。这是要避免发生的。

　　笔者作了如下不同f0时的输出幅值的实验,其结果见表1。

　　可见,为了提高输出信号的信噪比,适当提高激励频率是一个很好的途径。

　　由以上分析,可知提高信噪比和提高分辨率是一对矛盾。为了克服这一矛盾,特提出以下方法。