高温环境下弹簧功能-传感共形位移测量装置及方法

机械装备的位移测量是状态检测和运动控制的关键,基于激光、电涡流、电感和电阻等原理的常规位移测量方法无法应对高端装备紧凑测试空间和高温、油污等恶劣环境条件下的位移测量挑战。基于材料力学与弹簧结构,构建一种新的弹簧功能-传感共形的位移测量模型,对弹簧整体受力及位移进行分析,确定位移-应变映射关系;基于有限元方法建立弹簧的应变-位移模型,分析弹簧位移测量的敏感点、不同组桥形式、位移激励频率等因素影响;通过搭建电液伺服高频冲击试验台,在扫频和加热工况下进行弹簧位移测量装置及方法的有效性和动态性能测试。试验结果表明:加载频率在100 Hz及以下时测试精度可达0.06 mm,高温适应性不低于275℃;经车用干片式制动器高温制动试验应用验证,在工作温度160℃以上仍能实时稳定获取机构的动态位移信号,为高温制动器状态检测及其故障诊断提供了嵌入式测试技术支撑;该共形位移测量方法在高温条件下具有良好的线性度和精度,为紧凑空间及高温等恶劣环境下位移测量提供了一种有效方法,尤其是在具有弹簧等弹性元件的情况下能够实现对原系统无影响的嵌入式测试。

微光栅加速度计温度控制研究

微光栅加速度计凭借着极高灵敏度和分辨率等优势成为近几年的研究热点,但外界环境温度的变化会影响其输出精度。为优化其温度特性,提出了一种两级内外温控系统。通过介绍微光栅加速度计的基本原理,分析了由于半导体激光器和MEMS敏感芯片的温度特性对其造成的影响。针对加速度计设计了温控电路,对其搭载两级内外温控系统,使其工作温度保持恒定,最后对该系统进行了实验测试。实验结果表明:在该温控系统下,加速度计的工作温度控制精度可达±0.02℃。对于加速度计的噪声性能而言,在0.01~10 Hz频段,相较于未加温控系统的加速度计,整体信噪比提高了20 dB。

基于泰伯效应的差分双层光栅光学杠杆放大位移传感器

研制了一种基于泰伯效应的差分双层光栅光学杠杆放大位移传感器。通过理论计算、仿真分析和实验测试,证明在差分双层光栅后面形成了一个多周期复合光场。当两个光栅之间发生相对位移时,该复合光场随输入位移同步发生移动。由于差分结构的光学杠杆效应导致复合光场,复合光场位移相对于实际输入位移会产生放大,结合电荷耦合器件(CCD)相机成像检测方式可实现纳米级输入位移的检测。实验系统差分光栅结构周期分别为1.49和1.71μm。经多次重复测试,复合光场放大周期为~11.6μm,放大因子为~7.8,实验分辨率达到~9.8 nm。受益于位移放大,该传感器满足了纳米级精密位移测量对小周期光学光栅和小尺寸CCD像元的高要求,在机械定位、半导体制造等领域展现出良好的应用前景。

基于位敏传感器的对中监测系统

为了实时掌握柴油机动力装置的对中状态,设计了一种基于位敏传感器的对中监测系统。首先提出了基于位敏传感器的位姿变化测量方法,形成包含位姿变化的非线性方程组,通过位姿转换获得对中变化;其次通过传感器支架组件实现对方程组常量的高精度测量,通过软硬件设计形成测量系统,设计了基于简单牛顿法的复合迭代算法,保证方程组快速、准确求解;最后对测量系统的精度进行了分析,并采用四维平台进行了验证。试验结果表明:对中监测系统噪声小,偏差量噪声在0.005 mm以下,开口角噪声在0.01°以下;精度受激光入射方向影响较大,最佳入射方向下,偏差量监测精度可达0.02 mm,开口角监测精度可达0.019°。该系统将用于国产柴油机动力装置的对中监测。

双基站空间定位与测量系统在主管道安装中的应用

针对百分表、直尺测距等传统主管道焊接变形量及趋势的监测方法对人员技能水平要求高、数据计算量大、存在反馈不及时等问题,开展了双基站空间定位与测量系统在主管道安装过程中动态监测应用研究。基于非接触、面阵式测量特点,能够通过多相机实现视场角范围内多个测量点一次测量,瞬时获取大量数据,具有测量效率高的技术优势。通过各主设备端管口及主管道模拟定位、测量系统现场布设及标定、监测基准选择、组对焊接过程监测等工艺流程的实施,实现了该系统在某核电项目主管道焊接全过程监测,能够较好地掌握管道位移变化情况。根据各管口监测数据分析,其累计收缩量在7.43~8.73 mm范围,满足提前预留7~9 mm安装调节控制余量的要求,验证了该系统在主管道安装组对过程中能够提供精准的数据支持,在质量控制和工效提升方面具有一定的应用价值。

高精度传感器温度漂移补偿分析与研究

针对高精度位移传感器的测量精度因受温度影响产生非线性误差,关键技术指标发生较大偏移的问题,对高精度位移传感器的温度漂移补偿进行研究,通过对系统组成和实现原理的分析,设计硬件补偿(电桥电路和补偿电路)和软件补偿(数字滤波、查表法及曲线拟合算法等),对测试数据进行深入分析、研究和建模,有效抑制了温度变化对传感器测量精度的影响,提升了高精度位移传感器的测量精度和线性度。

基于激光干涉仪的液位计检定装置设计研究

根据液位计的工作原理及JJG 971-2019《液位计》检定规程,本文利用连通管中液位保持等高的特性,以激光干涉仪为主标准器,研制了液位计专用检定装置。同时,提出相应的检定方法进行量值溯源,并对其示值误差进行不确定度评定。结果表明:该装置操作便捷、适用性强,能有效提升检定精度。

磁悬浮轴承横向磁通传感器设计与分析

横向磁通传感器因结构紧凑和高检测精度在磁悬浮轴承系统中具有广阔的应用前景。随磁悬浮轴承技术的发展,对横向磁通传感器的检测性能提出了更高要求。为进一步提升横向磁通传感器的性能,满足磁悬浮转子高精度位移监测需求,本文针对灵敏度指标对传感器进行设计与分析。通过建立传感器的数学模型和电磁场有限元分析,研究了激励频率和线圈参数之间的关系。对传感器线圈匝数与灵敏度的相关性进行了数值研究,从检测转子的角度分析了趋肤效应对传感器灵敏度的影响。设计了传感器信号处理电路实现由位移信号到电压信号的转换,并搭建实验平台对传感器的输出特性进行测量。实验结果表明,当灵敏度为20 mV/μm、检测范围为±500μm时,传感器的线性度为0.69%,且具有良好的动态特性,适用于磁悬浮轴承系统的转子高精度径向位置检测。

采用K⁃SVD字典训练稀疏基的压缩感知叶尖间隙数据重构方法

航空发动机叶尖间隙是监控其运行状态的有效参数,现有间隙测量方法很难满足超高转速下间隙距离的奈奎斯特采样率,因此无法有效提取精确的叶尖间隙值。本文基于压缩感知原理,针对间隙距离数据特征提出一种采用K-SVD(K-singular value decomposition)字典训练稀疏基的数据重构方法,该方法首先构建出K-SVD字典稀疏基对数据进行稀疏化表示,然后使用m序列高斯随机矩阵对数据进行压缩观测,最后基于压缩欠采样观测值使用正交匹配追踪算法对数据进行重构,进而精确提取叶尖间隙值。实验结果表明,在欠采样条件下间隙距离数据可精确恢复重构,与高采样率下的间隙数据相比,重构误差不超过0.02 mm。

振荡电路式LVDT测量系统设计

针对传统LVDT测量电路中高成本模块较多且性能不足的问题,提出并设计了一种基于振荡电路的LVDT测量系统。测量系统将LVDT线圈作为谐振电感接入高性能LC振荡器,利用其谐振信号的频移获得待测位移,借助谐振器数学模型及理论分析改善测量系统线性度。样机实验结果显示,在满位移状态下频率范围可达到73~122 kHz,采样速率和分辨率可根据实际需求进行调整,其最高分辨率可达到16.7 bits,实现亚微米级测量,此时采样速率为200 Sps,非线性误差为0.14%FS。与传统电桥方法相比,该测量系统综合性能更优,且无需低失真激励及高精度解调模块,在电路成本和尺寸方面具有显著优势。

基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术综述

位移检测技术是几何量精密测量的基础,在当代精密制造领域应用广泛。光谱共焦位移测量技术具有对环境杂散光、被测物倾斜、材料类型不敏感,测量频率高以及分辨率高等优点,可以检测位移量、表面粗糙度、三维形貌以及单层或多层透明材料的厚度,在精密位移测量领域中占据重要地位。近年来,利用衍射光学元件提高光学系统性能的光谱共焦测量技术被广泛研究。文章综述了基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术的研究进展。首先,介绍了光谱共焦位移测量原理和衍射光学元件的色散特性;其次,阐述了基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术的发展历史及研究进展;最后展望了该技术的发展趋势。

基于Multisim的电感传感器信号测量系统仿真

电感传感器具有抗干扰能力强、测量精度高等特点。通过建立信号发生电路、T形电感等效电路、放大电路、检波电路和滤波电路等构建电感传感器的信号检测处理系统。根据电磁感应原理,利用电感传感器等效电路中电感的变化代替测头探针移动,实现测量系统信号处理过程。使用Multisim 14.0软件对搭建的电感传感器输出信号处理电路进行仿真分析,得到直流电压信号;对仿真试验得到的数据进行曲线拟合,得出线圈电感变化与输出电压信号在一定情况下成正相关。试验结果表明,信号处理电路设计可靠,可以实现预期功能,对实际测量试验平台搭建具有重要意义。

恒磁通磁轴承轴向电感位移传感器参数研究

恒磁通轴向电感位移传感器可有效抵抗外磁场干扰,但灵敏度较低。为提升其灵敏度,针对该传感器新式拓扑结构和测量原理,推导了灵敏度与机械参数和电气参数的关系式,给出了提升灵敏度的方法。理论和实验表明:平衡气隙越小,传感器灵敏度越高,且灵敏度与气隙大小近似成反比;激励频率、传感器激励线圈消耗的视在功率越大,灵敏度越高,且灵敏度与两者的算术平方根均成正比。通过减小气隙大小、增大激励频率及提高传感器视在功率,可以提升此传感器的灵敏度,并给出了在功率放大器输出能力范围内最大化传感器灵敏度的参数设计方法。

基于微平面线圈构建的位移量磁调制技术研究

在微系统中,利用惯性原理测量位移信号常用的方法是基于磁通聚集技术,即采用TMR传感器将位移信号的变化转换成磁场的变化进行测量。针对该方法,以位移磁调制模型为研究对象,以微平面线圈为磁场源,从理论方面深入研究磁感应强度与微平面线圈电流、匝数和磁通聚集器间距以及调制膜位移量的关系并进行优化设计与实验验证。仿真表明,磁通调制膜与TMR的直线距离在3μm和5μm时,分别能实现4.88 Gs/μm和2.72 Gs/μm的最大灵敏度。

基于激光PSD的空间载荷指向测量系统

为满足卫星载荷指向高精度测量需求,设计基于激光位置敏感探测器(PSD)的空间载荷指向测量系统。主要原理是:将激光发射至反射器(安装于载荷)处,经反射器反射到PSD光敏面后,PSD感应激光形成光电流,再经过电流-电压变换处理后输出给高精度采集控制器,最后通过高精度采集控制器中的算法进行数据处理得到载荷指向的小角度变化。试验证明,该系统测量角度范围±0.15°,俯仰角和倾斜角测量精度优于0.002°,角度稳定性优于0.0004°(3.5 h)。该系统不仅可满足在轨因热变形等因素产生的载荷指向小角度转动测量要求,同时可满足地面测试中的小角度高精度测量需求。

线性调频激光自混合干涉双通道微位移测量方法研究

为了满足工程中一些特殊二维位移测量需求或提高位移测量效率,建立了结构简单紧凑的激光自混合干涉双通道位移测量系统。首先,基于三镜法-珀腔模型给出自混合干涉系统的数学方程。其次,在弱反馈条件下施加线性电流调制,依据自混合信号频率和外部物体距离的线性关系,当两个物体到激光器距离不同时,频域会呈现两个独立的谱峰,分别对其进行相位解算,从而实现自混合双通道位移测量。然后,数值模拟生成了双通道激光自混合信号,根据全相位频谱分析技术对自混合信号两个谱峰的相位进行估算,重构了两个物体位移曲线,给出了仿真验证。最后,搭建了实验系统,进行了自混合干涉双通道位移测量实验,并给出实验测量结果。实验结果表明,该系统可以完全区分两个运动物体,位移测量相对误差优于8.42%。线性调频激光自混合干涉可以实现任意运动规律的双通道位移测量,通过继续分光其测量通道数仍可进一步增加。

基于二元衍射的光谱共焦显微位移测量

为实现高精度、高轴向分辨率的光谱共焦显微位移测量,提出一种将二元衍射透镜引入测量系统的方法。该方法中二元衍射透镜相比于传统折射透镜色散线性度更好,且在消色差的同时减小单色像差特别是对测量影响较大的轴上球差的影响。在数据处理上采用中值滤波减小随机噪声对谱峰定位造成的影响,质心法和多项式拟合的方法分别减小峰值波长提取和标定曲线拟合的误差。实验选用白光光源,采用50×物镜和100×物镜分别和二元衍射透镜组合搭建系统,通过PI纳米位移台对系统进行标定和测量。实验结果表明,100×物镜系统测量精度更高,测得该系统在432~807 nm的波长范围内,测量范围为40μm,系统的平均测量精度可达0.0462μm,轴向分辨率优于0.2μm,符合微小间距测量的要求。

场式时栅位移传感器研究

根据作者前期提出的“时空坐标转换理论”和基于旋转机械的“单齿式时栅”,再提出基于运动场的“行波磁场式时栅”方案 ,可克服机械式时栅的缺点 ,使时栅的商品化应用成为可能 。

基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法

提出了一种基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法。在分析光栅尺测量原理的基础上,探讨双光栅尺信号的切换合成;通过对莫尔条纹电子细分计数脉冲切换误差的分析,研究减小切换合成误差的方法;采用可编程逻辑器件FP-GA设计信号处理电路,并通过逻辑、时序仿真,验证了本方法的可行性。实验结果表明:此方法在光栅尺移动速度>1m/s时,具有10 nm分辨率,可满足新一代运动定位系统对高速高精度位移测量的要求。

关于活动式测斜仪的导轮结构的研究

活动式测斜仪是一种用于测量深层土体变形情况的精密仪器,在工程安全监测中起着至关重要的作用。除了倾角计的精度,测斜仪的导轮结构对测量精度和可靠性也有着非常显著的影响。该文分析了导轮结构在测斜技术中的机械原理,和导轮结构的扭簧力与测斜仪重量的比值对精度的影响,以及推导了失真倾斜角的计算公式。通过系统性的实验,揭示了扭簧力与重量的比值对测斜仪的下放情况、重复精度以及数据准确性的影响。该研究工作弥补了活动式测斜仪在导轮结构部分的技术空白,对测斜仪的设计和参数选型具有指导意义。