提高嵌入式时栅传感器精度的测头设计方法

为了提高嵌入式时栅传感器的测量精度,结合传感器自身的特点,从布置方式和数据处理方式两方面设计了特殊的测头结构。首先利用谐波分析确定传感器误差的主要频次,然后分别针对长短周期的误差采用多组测头对径和间隔特定空间角度的测头布置方式,测头之间采用数字量相加的数据处理方式,最后通过实验验证了这种测头结构和数据处理方式的有效性。结果表明,与单测头结构相比,这种方式将长周期误差降低了75%,短周期误差降低了83.6%,更有效地提高了嵌入式时栅传感器的测量精度。

嵌入式时栅传感器的动态自标定

提出了一种新的嵌入式时栅角位移传感器的自标定方法,以提高这类传感器在没有高精度母仪标定以及参数和工作环境发生变化时的测量精度。介绍了嵌入式时栅的特点,提出了利用两个间隔一定角度离散测头之间的误差规律变换来实现自标定的方法。设计了动态自标定系统,采用卡尔曼动态滤波算法来降低动态标定过程中传感器自身稳定性波动和环境干扰的影响。为了寻求最优参数以保证标定精度,提出了残差的控制算法。最后,运用设计的自标定系统对传感器进行了标定实验,并与以往母仪标定方法进行了对比。实验结果表明,传感器的误差从标定前±20″降低到±2.4″,标定参数与实际传感器误差成分相吻合,标定精度与以往母仪标定的精度基本相同,满足时栅传感器的标定要求。

嵌入式时栅传感器高精度激励设计

介绍了嵌入式时栅传感器的基本原理,分析了两相激励信号不一致性主要是幅值不等和相位不正交对传感器测量精度的影响。基于DDS原理结合反馈控制设计了高精度的激励信号模块,采用反馈电路控制可程控放大电路调理两相信号幅值,实现了激励信号的幅值相等,基于闭环反馈控制直接修改数字激励信号实现了信号的相位正交。实验研究结果表明,采用这种闭环控制的方法,传感器短周期测角误差从±65″降低到±16″左右,常值误差基本消除,传感器精度大幅度提高。

不同安装模态对嵌入式时栅测量误差的影响

为提高嵌入式时栅传感器测量精度,对不同安装模态下测量精度进行了表征。从嵌入式时栅传感器传感机理出发,分析了安装气隙变化、径向安装偏差和轴向安装偏差对传感器测量精度的影响规律,建立了不同安装模态的误差模型。对传感器不同安装模态进行了模拟仿真与实验验证。仿真与实验结果表明不同安装模态均会影响传感器测量精度,其中径向安装对传感器测量误差影响最大,气隙间距变化对传感器测量误差影响其次,轴向安装对传感器测量误差影响最小;三种安装模态对测量误差的影响均体现在对一次和二次误差的影响上;在气隙间距为0.2 mm无径向与轴向安装偏差时嵌入式时栅测量误差峰峰值为100.8″。本研究对指导嵌入式时栅传感器安装,降低安装误差,提升测量精度具有重要的理论与现实意义。

基于嵌入式时栅技术的齿条位移检测单元

齿条传动中,由于检测元件安装困难使得齿条位移检测不易实现、传动精度难以有效提高。文中提出一种基于嵌入式时栅技术的齿条位移检测单元,该单元由非等齿距的测头与齿条自身组成,直接实现齿条的位移检测。文中针对该方法的实现开展了有限元仿真分析与优化、原理样机试制,实验验证等工作。实验结果表明,在300 mm范围内齿条位移检测精度达到±1.3μm。

嵌入式时栅角位移传感器短周期误差分析与补偿

为提高嵌入式时栅角位移传感器测量精度,从传感信号形成机理出发,对短周期误差成因进行了详细分析。通过对绕组等效分析和激励信号分析,确定了短周期误差的主要特性为一次和二次误差,一次误差来源为零点残余误差和直流分量误差,二次误差来源为激励信号正交误差。针对短周期误差补偿,提出了基于超限学习机的误差补偿方法,通过对测量值与真实值样本的训练得到模型最优参数,根据模型参数建立短周期误差模型,利用所得误差模型实现对短周期误差的补偿。实验结果表明,短周期误差分析结果与传感器实际误差特性一致,采用该补偿方法传感器短周期误差大幅度降低,降低了约96%。对比和重复性实验表明,该方法与谐波补偿法相比精度提高了约1倍,误差补偿效果更优,同时方法具有良好的测量稳定性,对提高嵌入式时栅角位移传感器的测量精度具有重要的理论和现实意义。

基于单个时栅读数头冗余采样的自标定方法

极端、特殊应用场合中工作的嵌入式时栅,受恶劣工作环境影响,其安装状态、电气参数等容易发生非预期的变化,进而导致其测量精度下降。在这些应用场合,通常缺乏高效安装比对标准器的条件,难以频繁在线标定以保持其测量精度。针对这一问题,提出一种单个时栅读数头即可实现的自标定方法,该方法利用冗余采样序列中提取的具有固定初始位置差的多组采样序列与系统误差函数的映射关系,解算出包含安装误差在内的传感器系统误差。在工程应用现场,以某大型回转机床为对象,搭建了自标定应用平台。实验结果表明,该自标定方法能够有效补偿传感器的短周期系统误差,使其测量误差峰峰值由约450″降低到约33″,其中,自标定方法有效的误差频次残余误差不超过1%。分析并验证了该自标定方法有效的条件,为后续研究中针对特定应用场合准确选择最适合的自标定方法提供了可靠的理论依据。