LVDT位移传感器可靠性设计研究

文章概述了LVDT位移传感器的基本原理和特性,随后详细阐述了系统可靠性设计的原则、任务和主要内容。在此基础上,针对LVDT位移传感器,文章深入分析了其可靠性预计、可靠性分配以及可靠性设计的方法和技术,旨在提升LVDT位移传感器的可靠性,确保其在各种工作环境下均能稳定工作。

基于多频磁场耦合的平面二维位移传感器

针对目前光刻机、超精密数控机床等高端超精密装备对于精准平面定位的要求,提出了一种基于多频磁场耦合的平面二维位移传感器。传感器组成为定尺和动尺,其中定尺由导磁基体和X、Y方向励磁线圈构成,动尺由导磁基体和X、Y方向感应线圈构成。通过对X、Y方向励磁线圈通入正余弦励磁信号,在定尺上构建出多频磁场耦合的二维均匀磁场阵列,动尺感应出带有位移信息的电信号,经过理论推导和电磁仿真验证了多频磁场直接解耦差动结构和幅值调制解算方法的可行性,并对仿真误差进行分析,并优化了传感器结构。最后采用PCB工艺制作传感器样机并开展相关实验研究,实验结果表明:传感器在150 mm×150 mm的测量范围可对二维位移进行精确测量,其中X方向测量精度为±33.08μm,Y方向测量精度为±36.95μm,优化后的传感器样机X、Y方向原始对极内位移误差峰峰值在原有基础上降低了49.1%和50.7%。

基于气动位移传感器的纵切车床热误差测量方法研究

针对传统纵切车床热误差测量方法时间长,导致测量过程中的瞬态热行为影响测量结果的问题,提出了一种基于气动位移传感器的纵切车床热误差测量方法。首先,将两个气动差动变压器(Linear Variable Displacement Transducer,LVDT)式位移传感器安装于刀具架上;其次,利用数控程序控制测量,可以实现刀具运动空间内X和Y方向热误差的测量,测量时间缩短至5 s;最后,进行热误差测量实验。实验表明:这种方法的测量结果与激光干涉仪测量结果平均偏差小于0.5μm,验证了这种方法的可行性与有效性。这种方法测量时间短、成本低,为纵切车床热误差补偿提供了依据。

压杆式光纤光栅位移传感器的研制

基于光纤弹性应变与圆柱螺旋压缩弹簧轴向变形的传递机理,提出了一种压杆式光纤光栅位移传感器。推导出波长漂移与压簧自由端位移的关系式,采取光纤光栅两端夹持的应变传递封装,结合压簧、弹簧管与紧定装置组成弹性转换结构,采用线径0.6 mm,中径6 mm,有效圈数14的压簧元件制备了传感器原型,并对其静态性能和温度响应特性进行了标定试验研究。结果表明:在15 mm的量程内,传感器的位移灵敏度为451.36 pm/mm,线性度为0.69%,重复性为1.54%,迟滞性为1.13%;应变、温补光栅的温度灵敏度分别为10.15,19.18 pm/℃,误差分别为1.39%,1.50%,具有良好的温度补偿效果。

基于光学编码成像的新型角位移传感器

传统光学角位移测量方法存在光路复杂、抗干扰能力弱等问题。为此,提出一种基于光学编码成像的新型角位移测量方法。首先,该方法借鉴格雷码转换成二进制的原理,在直径为50 mm的圆周面上均匀分布两圈红色、绿色、蓝色(Red、Green、Blue,RGB)色块,通过检测外圈目标点周围的颜色信息将其转换为与绝对位置对应的二进制数;然后,为降低噪声,利用高斯滤波与中值滤波对图像进行预处理,并使用霍夫圆算法定位跟踪目标点以获得其始末位置,从而计算出粗角度;最后,利用视频最后一帧目标点所处位置与最终位置之间的角度对粗角度进行补偿,实现角度测量。通过搭建实验平台与制作实物传感器,在光圈整周360°测量范围内,对实验装置进行精度测量与稳定性实验,实验结果表明,分辨力达到16位,测量均方差为0.23°。提出的新型角位移测量方法为角位移测量领域提供了新的思路。

快速反射镜位移传感器高精度采集电路设计与实现

对位移传感器高精度及低延时的数据采集是实现快速反射镜高精度和高带宽的关键。详细分析了复合轴中快速反射镜位移传感器采集电路的需求,并依此进行了硬件电路和软件设计。经过测试,采集电路有效分辨率可达17bit,数据频率为5kHz,信号采集延时200μs,能够实现对快速反射镜位移传感器信号的高速高精度采集,可有效提升控制带宽和控制精度。

高灵敏度柔性多层等强度梁式力/位移传感器设计及传感理论研究

针对目前柔性传感器大多数结构为薄膜形式,不利于法向集中力与位移同时测量的问题,设计并制备了一种基于多层离子皮肤(柔性电容传感片)的等强度梁式传感器.该触觉传感器由多层离子皮肤和等强度梁构成.当梁的自由端接触被测物时,传感器可以将力或位移转化为输出的电容信号来进行法向接触力或位移的测量.建立了传感器电容变化量与梁自由端力/位移关系的传感理论模型,并通过力/位移加载试验对传感理论模型进行验证.试验结果表明,传感器的传感理论模型与试验结果吻合较好,当传感器具有四层结构时,对力/位移测量的灵敏度分别为1.855 mN/pF和0.694 mm/pF.所能测得最小力为0.02 mN,最小位移为0.01 mm,同时该传感器表现出良好线性度(R2=0.994).该传感理论模型可为此类传感器的设计提供理论依据,在柔性机器和医疗健康检测等领域具有良好的应用前景.

空间应用高精度电涡流位移传感器设计与验证

针对空间超静平台高精度非接触位移测量的需求,研制了一种适用于空间应用的高精度电涡流位移传感器.根据传感器工作原理建立探头敏感线圈阻抗模型并对其固有非线性进行仿真分析.基于高精度平衡电桥检测电路,提出一种非线性校正方法,该方法无需额外的校正电路,通过平衡电桥阻抗网络设计以及解调相位设计,将传感器输出非线性由12%降低到0.98%.测试验证结果表明,研制的空间应用高精度电涡流位移传感器在±3 mm量程范围内,测量非线性达到0.98%.该传感器已经成功进行在轨应用.

大量程柔性磁致伸缩位移传感器的输出特性

利用磁机耦合方程建立大量程柔性磁致伸缩位移传感器输出电压模型,理论计算输出电压。搭建实验平台,测试波导丝在偏置磁场和激励电流为5~35 kA/m和0.5~3.5 A范围内的输出电压,对比理论值与测量值,确定使波导丝输出电压最优的激励电流和偏置磁场,并对比Fe_(46.5)Ni_(48.5)Cr_(2)Ti_(2.5)Al_(0.5)不同伸长状态下的输出特性。实验结果表明:最优偏置磁场和激励电流为:(Fe_(83)Ga_(17))_(99.4)B_(0.6)为15 kA/m和1.5 A;Fe_(82)Ga_(13.5)Al_(4.5)为20 kA/m和1.5 A;Fe_(46.5)Ni_(48.5)Cr_(2)Ti_(2.5)Al_(0.5)为10 kA/m和2 A。Fe_(46.5)Ni_(48.5)Cr_(2)Ti_(2.5)Al_(0.5)波导丝信号衰减程度小,不同伸长状态下的输出电压具有一致性。本文的研究可为设计与开发大量程柔性磁致伸缩位移传感器提供理论依据与指导。

基于LC并联谐振的轴向自感式位移传感器设计

为了满足磁悬浮轴承面向更高精度的发展需求,提出基于LC并联谐振的轴向自感式位移传感器.通过增大谐振回路的等效电感变化率,提高传感器的灵敏度.分析传感器的工作原理.通过有限元仿真,研究传感器设计参数与灵敏度之间的关系.设计传感器的测量电路,结合有限元仿真和数值仿真,分析LC并联谐振对传感器灵敏度的影响.搭建实验台,对传感器的静态性能进行测试.结果表明,相对于传统的位移传感器,提出的传感器具有更高的灵敏度与更低的线性度.

高精度磁栅式隧道磁阻微位移传感器

利用隧道磁阻(TMR)效应设计了一种结构相对简单的磁栅式高精度微位移传感器。首先,介绍了磁栅式隧道磁阻位移传感器检测原理,凭借隧道磁阻传感器高灵敏度的特点检测磁栅敏感轴上方的空间磁场,接着利用COMSOL有限元仿真软件对磁栅结构进行仿真设计,验证了磁栅的磁场分布特性。通过搭建四桥路检测电路能够使TMR传感器有效抑制外部磁场干扰以及温度对TMR传感器的影响;得益于90°移相电路模块的加入,得到两路相位相差90°的标准正余弦信号,解决了传统的由于空间非正交引起的相位和幅值等误差问题,为超高倍数的细分插值技术奠定了基础,最后结合细分因子为9600的插值电路,理论上可实现208 nm的高分辨率位移检测,在20 mm量程范围内能达到0.15%的位移测量精度。

具有自标定功能的光纤光栅位移传感器

为了解决光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)位移传感器易受温度、振动等外界因素影响而导致测量重复性差的问题,本文利用磁铁非接触的力传递特性,以光纤光栅为核心元件,工字型梁、永磁体等为辅助元件研究了一种无接触的FBG位移自校准装置。利用移动端磁铁与位置标定端磁铁位置重合时,工字型梁所受磁力最大,进行位置信息的自校准,进而提高FBG位移传感器的测量重复性和测量精度。通过将自校准装置安装在卷尺结构的位移传感器上,对其传感特性展开实验研究,结果表明:在0~360 mm的测量范围内,校准前平均均方根误差为5.838 mm,校准后平均均方根误差为0.953 mm。本文采用自校准装置在很大程度上提高了FBG位移传感器的测量重复性,为位移传感器的环境适应性优化提供了一种新方法。

单相激励电容式时栅角位移传感器研究

针对现有多相激励时栅角位移传感器在小体积时无法设置更多极对数进一步提升稳定性,导致精度和动态性能指标无法得到提升等问题,提出一种单相激励电容式时栅角位移测量方法。该方法采用单相激励耦合成四路空间正交的驻波信号,通过电路实现行波构造,从而实现角位移测量。文中介绍了多相激励时栅传感器存在的问题、单相激励时栅的测量原理,完成了传感器样机的研制,并通过实验验证该原理的有效性。实验结果表明,相同尺寸和相同电极数量情况下,单相激励传感器的精度和动态性能指标优于多相激励传感器,单相激励传感器精度为±20″,稳定性为10″,400 rpm转速下速度波动为±1.25%,跟随误差为±2.5″,满足直驱电机的使用要求。

磁致伸缩位移传感器测量盲区失效机理与磁屏蔽优化

磁致伸缩位移传感器在检测线圈附近存在测量盲区,在受限安装空间内有效测量范围难以满足应用需求。针对这一问题,基于魏德曼效应、磁弹性耦合效应和维拉里效应,建立合成磁场作用下磁致伸缩位移传感器的测量盲区模型,分析测量盲区内传感器失效机理。搭建实验平台提供可调的脉冲电流和轴向磁场,选用直径为0.6mm的(Fe_(83)Ga_(17))_(99.4)B_(0.6)、Fe_(46.5)Ni_(48.5)Cr_(2)Ti_(2.5)Al_(0.5)和Fe_(30)Co_(70)波导丝验证模型的准确性,测量盲区受永磁体产生的轴向磁场影响,并且随轴向磁场增大。增加静磁屏蔽装置并确定最佳参数,制作样机并测试表明:优化后的(Fe_(83)Ga_(17))_(99.4)B_(0.6)波导丝传感器测量盲区由30.05μs缩短为18.45μs,宽度缩短了38.6%;Fe_(46.5)Ni_(48.5)Cr_(2)Ti_(2.5)Al_(0.5)波导丝传感器测量盲区由31.15μs缩短为19.15μs,宽度缩短了38.5%;Fe_(30)Co_(70)波导丝传感器测量盲区由29.55μs缩短为18.85μs,宽度缩短了36.2%。

基于轴向电涡流效应的高精度长位移传感器

为了实现大行程精密光学调焦组件的高精度实时检测,研究基于轴向电涡流效应的高精度长位移传感器。建立了长位移电涡流探头仿真模型进行线性度测试,搭建电涡流传感器测试系统进行精度实验,并将长位移电涡流传感器接入精密光学调焦组件。实验结果表明:在可测量位移达到24 mm的同时,线性度优于1%,分辨率优于0.5μm,精度优于1μm,高精度长位移电涡流传感器符合精密光学调焦组件的需求。

光纤光栅干涉传感器位移测量误差高精度校准方法

在光纤光栅干涉传感器的位移测量中,受外界的振动或电磁等环境干扰因素的影响,对传感器的测量结果造成波动或误差。为了提高光纤光栅干涉传感器位移测量的效率,保证测量的准确性,提出光纤光栅干涉传感器位移测量误差高精度校准方法。通过分析光纤光栅干涉传感器的位移测量原理,获取位移测量数据;采用小波阈值方法,对位移测量数据去噪和平滑处理;利用反向传播(Back Propagation,BP)神经网络,对去噪后位移测量数据中误差数据高精度校准。实验结果表明,所提方法在降低误差校准计算复杂度的同时,能够有效提高误差校准精度、效率和运行稳定性。

基于球形长周期光纤光栅的宽动态范围位移传感器实验研究

[目的]针对光纤位移传感器动态范围窄的问题,设计一种结构简单、易于制备的气球形长周期光纤光栅(LPFG)位移传感器。[方法]采用RSOFT软件进行仿真与优化,得到光纤在不同曲率下的光谱形态,以此来确定测量区间。通过将多模光纤周期性嵌入单模光纤形成的气球形长周期光纤光栅(MMF-BLPFG),提供用于测量位移的参考峰。使用精密的连续切割装置作为实验基础,制备与仿真结果一致的实验样品进行测试。[结果]通过测量2个谐振峰的漂移,实现了36 mm的最大位移测量范围。[结论]该研究成果在舰船水下疏水空间管系的稳定性测量和连续监测等需要大规模测量的场景中具有良好的应用潜力。

高抗噪光纤光栅波峰计数式位移传感器

针对三轴剪切仪中天然水合物地质储层侧向蠕变的位移监测需求,提出了一种高抗噪光纤光栅波峰计数式位移传感方案。具体方法是将光纤光栅一端与悬臂压片的自由端垂直固定,另一端施加预拉力后固定在外壳上。利用齿条和传动系统将地质储层侧向位移转变为齿轮的圆周旋转,在齿轮旋转过程中轮齿拨动悬臂压片自由端使光纤光栅产生周期性拉伸和复位,通过计算光纤光栅反射中心波长波峰跃变次数与标准步长的乘积,获得侧向位移。实验结果表明,位移传感器的量程为40 mm,分辨力达0.1 mm,误差仅为16μm,最小反射中心波长漂移量为1263 pm,考虑光纤抖动和解调仪误差后最小光信噪比达43.966 dB。在温度变化缓慢的条件下传感器不受温度影响,具有良好的重复性抗噪能力,能够满足天然气水合物地质储层侧向蠕变的监测需求。

基于误差函数相位偏移的电场式时栅角位移传感器自标定

比对标定对于传感器测量精度的保持和提升具有重要意义,但其易受现场环境限制,且成本昂贵。电场式时栅精度不断刷新,寻找外部参考基准也变得日益困难。针对这一难题,提出了以圆周封闭原则为基准,利用傅里叶级数的平移定律,将电场式时栅的误差序列值以2π/n角位移值进行移相,利用具有不同移相次数的误差序列值进行频谱分析,互相补偿缺失的谐波分量,最终利用各次谐波分量重构传感器误差函数的自标定方法。并据此设计、搭建了相应的自标定实验平台。实验结果表明,该自标定方法对于电场式时栅角位移传感器中所包含的周期性误差补偿效果显著。对极内,使用该自标定方法与用光栅作为参考基准所获得的标定精度基本相当,两者误差为0.05",对极内误差下降67%;整周范围内,两者误差为0.15",整周误差下降80%。该自标定方法相比于传统的比对标定法在效率、应用范围及标定成本方面均拥有显著优势。

基于电涡流效应的绝对式直线位移传感器误差分析及抑制方法研究

基于电涡流效应的绝对式直线位移传感器具有结构简单、分辨率高、响应速度快和抗干扰能力强的特点。相比于增量式直线位移传感器,该类型的传感器不仅不受断电的影响,还能实现更加快速和精确的绝对定位。但是,传感器制造、安装及电信号处理等环节处理不理想会产生无效电动势,带来对极内的1次、2次和4次误差。针对上述问题,使用信号补偿的方式抑制1次和2次误差,采用空间移相的方式消除感应信号中的3次谐波,以此抑制4次误差。对优化后的传感器进行误差抑制实验,验证了误差来源分析的正确性以及抑制方法的有效性。实验表明:误差抑制后的传感器节距内误差峰峰值由32μm优化为6μm,性能大幅度提升。