一种分时复用的绝对式纳米时栅位移传感器设计

现代高端装备制造对精密位移检测技术提出了绝对位置测量、高精度和大量程的需求,针对绝对式位移量程与编码的矛盾,提出了一种基于分时复用方法的绝对式纳米时栅位移传感器。采用单列式时栅位移传感器作为绝对式传感器的精测部分,记为传感器A。为了实现绝对位移测量,增加一个周期数比传感器A少且互为质数的对射增量式时栅位移传感器,记为传感器B。利用传感器A与传感器B输出行波的相位值,通过查找表和定位计算实现绝对位移测量。提出了一种分时复用的方法,通过分时间段为传感器A与传感器B提供激励信号,可以有效降低传感器功耗。此外,传感器A与传感器B的感应电极在内部用引线连接,共用1组感应信号处理接口,减少了1组感应信号处理器件,节约了电路空间。采用多层PCB工艺制造了传感样机,搭建了实验平台并对样机性能进行测试。最终实验结果表明:在450 mm范围内,非线性测量误差达到±3μm。

单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器

在双排结构纳米时栅位移传感器的研究基础上,提出了一种单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器。通过直接构造一个匀速运动的交变电场来产生行波信号,解决了双排结构所具有的串扰问题和安装问题;采用差动感应极片来拾取信号,可有效地消除共模干扰。用微纳加工工艺制作了一种多层薄膜的单排差动结构的纳米时栅传感器样机并进行了性能测试,最终在200 mm的量程范围内取得了±150 nm的测量精度。对比双排结构的纳米时栅传感器,这种新型的纳米时栅传感器测量精度、信号稳定性及抗干扰能力得到明显的提高,并且在尺寸减小的同时拓展了有效量程,因此在产品化的过程中更具有应用前景。

基于分时方法的高精度反射绝对式纳米时栅位移传感器设计

本文提出了一种反射绝对式纳米时栅位移传感器的传感方法。采用反射单列式传感器作为反射绝对式传感器的精密测量部分,记为传感器A。为了实现绝对位移测量,设计了一个与传感器A相差一个周期的反射单列式传感器,记为传感器B,利用传感器A与传感器B相位作差实现绝对位移测量。采用标准印刷电路板技术制作了传感器样机,搭建了实验平台,进行了实验测试。测试结果表明,激励电极引线方式对接收电极带来干扰,从而造成一次谐波误差。为了抑制误差,提出了交叉反射结构和分时方法,交叉反射结构将感应电极与另一端的反射电极引线相连,增大激励电极和接收电极的距离,分时方法通过不同时间段对传感器A和传感器B施加激励信号,并把不工作的电极接地。实验表明该结构和方法相互配合有效的抑制了干扰,最终在400 mm范围内,补偿后实现了±300 nm的测量精度。

电极几何尺寸误差对纳米时栅位移传感器测量精度的影响及其抑制方法

在纳米时栅传感器的制造过程中,由加工工艺引入的制造误差主要表现为电极几何尺寸误差。通过运用分段面积积分方法进行数学建模,详细地分析了电极几何尺寸误差对测量精度的影响,并揭示了采用多个感应电极进行信号拾取会具有一种平均效应,能够有效地匀化由电极几何尺寸误差随机变化所引入的测量误差。采用制造精度在1μm级的微纳加工工艺和制造精度在10μm级的印制电路板(PCB)工艺分别制作了两套量程为200 mm的传感器样机,并进行了精度对比实验。实验结果表明,由于平均效应的作用,PCB工艺制作的样机经过简单的线性补偿后,在满量程内取得了±250 nm的测量精度,接近微纳加工工艺制作的样机的测量精度。实验结果验证了多个感应电极平均效应的有效性。

纳米时栅的电气参数与误差特性研究

纳米时栅采用交变电场构建匀速参考系,实现空间到时间基准的溯源,提高了测量精度。提出一种基于交变电场的直线式位移时栅传感器。为进一步提升传感器测量精度并实现高精度测量,研究了电气参数对纳米时栅精度的影响,分析了传感单元之间的阻抗特性。针对影响电场分布的阻抗进行分析研究,首先建立传感器的电路模型,依据对电路方程的推导以及电气参数的仿真,分析了阻抗特性引入的误差规律。制作了传感器样机,并搭建实验平台进行了精度测试,验证了推导误差规律,同时借助时空转换原理修改激励信号参数,消除了阻抗特性带来的影响,最终传感器对极内精度达到±0.4μm。

纳米时栅位移传感器误差模型建立与分析

纳米时栅是利用交变电场进行精密位移测量的新型传感器。由于传感器的安装偏差、结构实现、基体加工和工作环境变化等均会导致测量误差。为研究误差的产生原因及对测量精度的影响规律,在纳米时栅传感器的测量模型基础上,建立了由于驻波参数变化产生的测量误差模型,具体分析了驻波信号参数变化中幅值不相等、相位不正交、含有高频干扰这3种情况的误差变化情况,经实验验证了理论的正确性,明确了测量误差产生的原因,为纳米时栅的结构最优化设计提供了理论依据。

基于C#的纳米时栅传感器数据分析系统设计

针对纳米时栅位移传感器研制中数据处理与分析愈加复杂、繁琐和重要的现状,提出一种实用高效的、基于C#的上位机设计,主要功能包括数据采集、图像识别激光干涉仪数值并进行标定、快速傅立叶变换(FFT)分析以及建立自适应坐标算法使数据可视化。实验结果表明,时栅误差峰峰值为700nm,主要为二次误差和四次误差。该系统算法准确、人机交互方便,可将相关数据存入数据库,并且能稳定正常工作,为纳米时栅的进一步研究提供了保证。

安装误差对于电场式圆时栅传感器测量精度的影响规律及抑制方法

在纳米时栅传感器安装过程中,转子相对于定子的偏心或偏摆,是角位移传感器整周测量误差的主要来源。运用面积积分法进行数学建模,分析在安装不满足正对平行条件时的整周误差及其谐波频次,揭示采用多个电极进行信号拾取会具有一种匀化效应,能够减小由安装带来的谐波误差。采用印制电路板(PCB)工艺制造直径为305 mm的传感器样机,在不同测头数量的条件下进行精度对比实验。实验结果表明:多测头结构能够对整周误差产生抑制与匀化作用,使传感器整周测量精度达到1.5″,接近平行正对安装时的测量精度,验证了多测头结构对安装误差的抑制作用。