基于气隙磁场分层耦合的直线时栅位移传感器研究

针对前期研制的电磁式直线时栅位移传感器高信噪比和高时间插补分辨力难以兼顾的问题,设计了一种提高传感器信噪比的新传感器结构,另外提出了一种高信噪比、高时间插补分辨力的测量新方法,并研制了基于气隙磁场分层耦合的直线时栅位移传感器。建立传感器气隙磁场数学模型,分析气隙磁场空间分布特性,研究平面线圈气隙磁场分层耦合的原理;根据气隙磁场分层耦合原理,建立传感器气隙磁场分层耦合位移测量模型;对传感器测量模型进行电磁场仿真和误差分析;最后,搭建实验平台进行对传感器的性能进行测试。实验结果表明,采用气隙磁场分层耦合的结构提高了传感器的信噪比,传感器的测量精度在原有的基础上提高了31.4%;采用的高信噪比和高时间插补分辨力测量方法,传感器的测量精度在原有的基础上提高了37.3%。

双层反倾线圈结构的直线时栅位移传感器研究

针对前期研究的双层直线时栅位移传感器测量误差成分中四次谐波较大,影响传感器测量精度的问题。根据双层激励线圈的结构特点,提出了一种双层反向倾斜线圈结构的直线时栅位移传感器设计方案。通过构建双层反倾线圈产生磁场的数学模型,分析了双层反向倾斜线圈的磁场状态,并利用电磁场有限元仿真分析双层反倾线圈直线时栅位移传感器中倾斜大小和动定尺之间的气隙对测量误差与误差谐波成分的影响,确定了最优化的设计参数。采用PCB(Printed Circuit Board)工艺研制了78个节距大小的传感器样机并进行了精度测试。实验结果表明,双层反倾斜线圈结构对原双层直线传感器中误差四次谐波抑制效果显著,在同样设置条件下,将原测量误差成分中四次谐波从40μm抑制到7μm,抑制效果达到82.5%。最终经过误差修正后的传感器对极内精度达到±13μm。

直线时栅传感器全误差模型与误差修正方法研究

为了进一步提高直线时栅位移传感器的测量精度,在建立该传感器周期误差、阿贝误差、热膨胀误差的全误差模型基础上,提出了一种组合校准的方法,利用傅里叶谐波分析和材料线膨胀原理对直线时栅的各种误差进行修正,修正后的精度可达±0.5μm/m。实验证明:该方法解决了直线测量中误差难以分离的问题,同时解决了计算机连续自动采样问题,提高了标定效率,使该方法广泛地应用于生产实践成为可能。

可抑制端部效应的平面磁场式直线时栅位移传感器

针对前期研制平面磁场式直线时栅位移传感器存在的端部效应致使匀速运动坐标系均匀度降低的问题,提出了一种抑制平面线圈端部效应的方法,构建均匀性更高的交变磁场,并研制出了一种可抑制端部效应的新型平面直线时栅位移传感器。建立了平面线圈励磁数学模型,分析端部效应对均匀磁场的影响程度,提出了双层互补式激励线圈结构抑制端部效应方案;建立了新型平面直线时栅位移测量模型,采用空间正交的双列激励单元,实现了行波信号的合成并通过仿真验证了方案的有效性;建立了仿真模型,分析端部效应对传感器测量精度的影响,并优化传感器参数;基于PCB工艺制造了量程为228 mm的新型传感器样机并与传统传感器样机展开了对比实验,实验结果表明,新型平面直线时栅位移传感器能够有效地抑制传感器的端部效应,提高测量精度,传感器对极内原始测量精度从±20μm提高到±10μm。

平面线圈型直线时栅参数优化方法

提出一种采用非线性规划遗传算法对平面线圈型直线时栅位移传感器结构参数进行优化的方法,以解决传感器感应电动势谐波成分较多、用枚举法优化传感器参数费时且效果有限等问题。通过建立基于非线性规划遗传算法的数学模型对传感器参数进行优化,根据优化结果建立传感器的物理模型进行仿真,设计传感器进行实验,与枚举法的优化结果进行比较。结果表明:优化效率提高了65%,感应信号谐波畸变率降低了10倍,在240 mm的量程内传感器测量精度从±1μm提高到了±0.8μm。说明利用该方法对传感器结构参数进行优化是可行的,根据优化结果设计的传感器从结构上抑制了原始误差,实现了高精度测量。

单边引线结构的直线时栅位移传感器

为了克服传统直线时栅传感器双边引线的限制和手工绕线一致性差的缺点,结合磁场式时栅测量原理,开展了单边引线结构的直线时栅传感器研究,并通过有限元仿真验证了理论模型的可行性。

平面线圈型直线时栅参数优化方法的研究（英文）

提出了一种基于非线性规划遗传算法的平面线圈型直线时栅位移传感器结构参数的优化方法,与传统枚举法相比该方法在优化效率和效果上都有大幅度的提高。通过建立基于非线性规划遗传算法的数学模型对传感器参数进行优化,根据优化结果建立传感器物理模型进行仿真,并设计传感器样机进行实验。与枚举法优化结果相比较:优化效率提高了65%,谐波畸变率降低了10倍。在240 mm的量程范围内,测量精度达到0. 8μm。结果表明了该优化方法的可行性,优化后的传感器从结构上抑制了原始误差,实现了高精度测量。

双频磁场分时激励的新型单列绝对式直线时栅位移传感器

针对小体积安装、高精度直线位移测量需求,基于双频磁场分时激励方案和外差降频原理,设计了一种新型单列绝对式直线时栅位移传感器结构,解决提高传感器激励信号频率来获得高信噪比与高分辨力之间的矛盾。首先,建立平面线圈瞬态磁场耦合模型,构建单列绝对式直线时栅测量模型及其传感机理,其对极数互质绝对位置解算方案避免实际使用中测量误差对解算结果的影响;通过电磁场仿真对比分析了不同形状感应线圈与气隙磁场之间的耦合特性,确定了传感器优化安装间隙为0.6 mm;采用500 kHz、1 MHz不同频率分时激励驱动方案,并提出一种外差降频的解耦新方法,保证传感器高分辨力的前提下,提高了传感器的信噪比;最后,制作传感器样机并进行性能测试。实验结果表明,采用外差降频解耦新方法相对于原直接解耦法在一个“精机”对极周期内的测量精度提高了36.4%,传感器在187.68 mm有效测量范围内,经误差补偿后的精度为±4.9μm,分辨力为0.14μm。该时栅位移传感器与国外主流产品相比,降低了对超精密栅线的刻画和电子细分技术的依赖,具有高精度、高分辨力、体积小、成本低的特点。

时栅位移传感器在构造场中的耦合特性研究

为了进一步溯源时栅位移传感器磁场耦合过程引起的误差,对时栅位移传感器在构造场中的耦合特性进行研究,并研制了一种基于指数形平面线圈结构的新型直线时栅位移传感器。建立传感器工程构造磁场的数学模型,分析传感器耦合间隙对线圈耦合平面磁场分布的影响,研究不同形状平面线圈的耦合特性;根据传感器的耦合特性,构建了一种新型直线时栅位移传感器测量模型,对该模型进行了电磁场有限元仿真和仿真误差分析,得出该结构最佳感应间隙为0.4 mm;对传感器的结构误差进行了溯源分析,进一步优化传感器的结构;搭建实验平台,利用双层PCB绕线工艺加工传感器定尺和动尺,对优化前后的传感器样机开展对比实验。实验结果表明,设计的基于指数形平面线圈结构的新型直线时栅位移传感器可以有效抑制传感器的四次误差,新研制的传感器样机的原始测量精度在原有的基础上提高了45.8%。

一种薄型化的直线式时栅位移传感器研究

传统直线时栅位移传感器存在机械结构加工效率低和线圈绕线一致性差的缺点,且无法满足一些应用场合在厚度方面的需求,因而文章结合电磁感应式直线时栅传感器的工作原理,开展了一种薄型化直线时栅位移传感器的研究。该传感器通过结合PCB工艺技术将传感单元印制在电路板上对传统结构进行改进,实现薄型化的设计。通过传感器模型设计、仿真验证和精度实验,验证了传感器的可行性。实验结果表明:在0~280mm的测量范围内,传感器样机的原始测量误差在±30μm之间。该传感器的实现,可以为直线时栅传感器在薄型化方向的研究提供重要借鉴。

直线式时栅传感器的动态测量与数据处理

针对直线式时栅传感器的动态测量,提出了直线式时栅传感器的主要动态误差源。采用直线光栅尺,光栅测量值作为直线式时栅传感器空间位置测量的标准量,直线式时栅传感器的预测测量值与之进行比较,从而得到动态预测测量的误差值。对测量的误差值进行数据的预处理:数据的截断和采样、异常数据剔除,预处理后对误差值进行频谱分析,提取出幅值和相位,以便于用软件实现谐波修正,提高直线式时栅传感器的精度。

基于ARM的直线式时栅位移传感器A/D转换电路设计

利用时空转换思想,以时间基准测量空间位移量,设计了基于ARM的直线式时栅传感器A/D转换电路。采用STM32F407VGT6型ARM处理器与AD7298BCPZ型12位A/D转换芯片相结合,利用嵌入式Linux实时操作系统的移植,使得系统具有更好的可靠性与实时性。实验表明:设计的A/D转换电路,最小分辨时间为2.44 ns.能够更好的实现传感器的高速、高分辨率采样,实现了直线式时栅传感器的实时误差修正与补偿,为高精度直线式时栅传感器的研制提供了技术支持。

基于ARM的直线式时栅传感器自动闭环控制系统设计

设计的自动闭环控制系统,是为了完成直线式时栅传感器数据的快速采样,提高测试效率。基于PHILIPS公司的ARM处理器LPC2214作为主控芯片,设计了控制电路,控制步进电动机驱动滚珠丝杠,带动直线式时栅传感器的动测头与直线光栅的扫描头同步运动,同时接收直线式时栅传感器的反馈信号,并与上位机之间进行串口通信。实践证明:系统响应速度快,控制精度能达到0.1μm。

直线式时栅传感器的自动定位闭环控制系统设计

为了实现直线式时栅传感器数据的快速采样,提高测试效率,设计了一套高精度自动定位系统。该系统采用ARM作为主控芯片,控制步进电机驱动滚珠丝杠,带动直线式时栅传感器的动测头与直线光栅的扫描头同步运动,同时接收直线式时栅传感器的反馈信号,形成高精度闭环控制,并与上位机之间进行串口通信。系统定位精度达到0.1μm。

时栅传感器在铣床数控改造中的应用

为了实现对普通铣床的数控化改造,采用时栅传感器作为位置反馈传感器,通过以ARM为微处理器的嵌入式系统实现对铣床的运动轴进行闭环控制。并为铣床的工作台增加了一个内部安装有圆时栅的数控转台。论文介绍了改造过程以及利用数控转台加工直线、圆弧和椭圆的方法,并对其加工误差进行了分析。实践证明,改造后的铣床数控系统不仅提高了加工精度和效率,而且还提高了加工的灵活性。新型的时栅传感器为企业技术改造和数控加工系统的生产提供了一种高精度、低成本的解决途径。