多频磁场耦合的绝对式时栅角位移传感器

杨继森; 刘邦全; 易靖松; 曹峻杰; 罗云沛; 张静

doi:10.37188/OPE.20253318.2882

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多频磁场耦合的绝对式时栅角位移传感器

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2025-10-28

- 多频磁场耦合的绝对式时栅角位移传感器
- Study of absolute linear time-grid displacement sensor with multi-frequency magnetic field coupling
- 光学精密工程 2025年33卷第18期页码：2882-2898
- 作者机构：
  
  1.重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心，重庆 400054
  2.重庆理工大学电气与电子工程学院，重庆 400054
  3.重庆理工大学时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆 400054
- 作者简介：
  
  [ "杨继森（1977-），男，四川人，博士，教授，2001年于湖北汽车工业学院获得学士学位，2003年于重庆大学获得硕士学位，2007年于重庆大学获得博士学位，主要研究方向为精密测量与智能传感器。E-mail： yangjs@ cqut.edu.cn" ]
  [ "刘邦全（1997-），男，重庆奉节人，硕士研究生，2021年于重庆理工大学获得学士学位，现就读于重庆理工大学，主要研究方向为智能仪器与嵌入式系统。E-mail： Liubq@stu.cqut.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(52175454);重庆市自然科学基金面上项目(CSTB2023NSCQ-MSX 0382);重庆市教委科学技术研究计划重点项目(KJZD-K202301106);重庆理工大学研究生创新项目(gzlcx20253027)
- DOI：10.37188/OPE.20253318.2882
  中图分类号： TP394.1;TH691.9
- CSTR：32169.14.OPE.20253318.2882
- 收稿：2025-04-08，
  
  修回：2025-07-22，
  
  纸质出版：2025-09-25
- 稿件说明：
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杨继森,刘邦全,易靖松等.多频磁场耦合的绝对式时栅角位移传感器[J].光学精密工程,2025,33(18):2882-2898.

YANG Jisen,LIU Bangquan,YI Jingsong,et al.Study of absolute linear time-grid displacement sensor with multi-frequency magnetic field coupling[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(18):2882-2898.
杨继森,刘邦全,易靖松等.多频磁场耦合的绝对式时栅角位移传感器[J].光学精密工程,2025,33(18):2882-2898. DOI： 10.37188/OPE.20253318.2882. CSTR： 32169.14.OPE.20253318.2882.

YANG Jisen,LIU Bangquan,YI Jingsong,et al.Study of absolute linear time-grid displacement sensor with multi-frequency magnetic field coupling[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(18):2882-2898. DOI： 10.37188/OPE.20253318.2882. CSTR： 32169.14.OPE.20253318.2882.

摘要

为了解决磁场式传感器双码道结构体积大和同频激励导致的码道串扰问题，并提升信噪比与测量精度，提出了一种多频磁场耦合的绝对式时栅角位移传感器设计方案，实现实时绝对角位移测量，以满足工业应用中的空间约束测量需求。首先，建立平面线圈瞬态磁场耦合理论模型，分析不同形状激励线圈磁场分布特性，基于增量式测量原理构建绝对式单码道角位移传感器模型；建立对极数互质绝对式时栅位移解算方案，采用50

0 kHz（粗机）与1 MHz（精机）双频同步激励方案下，利用高频转低频原理，解决高频激励信号下传感器高信噪比和高分辨力之间的矛盾问题；通过电磁仿真与误差分析，确定传感器最佳耦合间隙为1.0 mm；最后，研制了外径84 mm的传感器样机，并完成性能测试验证。实验结果表明，该传感器在实现小型化的同时，有效抑制了粗机和精机码道间的磁场串扰问题，在整周测量范围内，最大测量误差为

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7.19666624

2.79399991

。

Abstract

To address the issues of large volume in the dual-channel structure of magnetic field sensors and code channel crosstalk caused by same-frequency excitation， while improving signal-to-noise ratio and measurement accuracy， a design scheme for an absolute time-grid angular displacement sensor with multi-frequency magnetic field coupling was proposed. This enabled real-time absolute angular displacement measurement to meet the spatial constraint measurement requirements in industrial applications. First， a theoretical model for the transient magnetic field coupling of planar coils was established， and the magnetic field distribution characteristics of excitation coils with different shapes were analyzed. Based on the principle of incremental measurement， an absolute single-channel angular displacement sensor model was constructed； An absolute time-resolved displacement calculation scheme with mutually prime pole numbers was established. Under a dual-frequency synchronous excitation scheme of 500 kHz （coarse machine） and 1 MHz （fine machine）， the high-frequency-to-low-frequency principle was utilized to resolve the contradiction between high signal-to-noise ratio and high resolution under high-frequency excit

ation signals. Through electromagnetic simulation and error analysis， the optimal coupling gap for the sensor was determined to be 1.0 mm； Finally， a sensor prototype with an outer diameter of 84 mm was developed and performance testing was completed. Experimental results show that the sensor successfully suppresses magnetic field crosstalk between coarse and fine code tracks while achieving miniaturization， with a maximum measurement error of

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8.46666718

3.30200005

across the entire measurement range.

关键词

Keywords

references

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