绝对式纳米时栅传感器栅尺污染误差分析与抑制方法研究

针对服役状态下油污降低位移传感器精度和可靠性的问题,本文基于绝对式纳米时栅传感器,开展了栅尺油污污染误差分析与抑制方法研究。首先阐述了绝对式纳米时栅传感器测量原理;其次建立了栅尺油污污染的数学理论模型和电场仿真模型。通过理论和仿真分析表明:均匀油污污染对传感器没有影响,非均匀油污污染主要引入一次谐波误差,并且误差随着污染油污的厚度和宽度的增加而增加;最后搭建实验平台验证了以上理论分析的正确性。同时提出差动结构,有效抑制了一次谐波误差,提高了传感器抗污能力。研究油污造成的误差影响对提高传感器环境适应性有重要意义,同时也为提高传感器长期可靠性和增强环境适应性提供了理论基础。

基于谐波修正法的高精度时栅位移传感器

在时栅位移传感器的研制开发过程中,为了用低精度的机械加工实现高精度的测量,提出了一种对传感器误差进行修正和补偿的方法——谐波修正法。该方法和FFT方法不同之处在于:它不是用于对测量结果事后的分析,而是用于传感器设计之前和制造之中。实践证明,此方法使用后使传感器精度得以大幅度提高,具有广泛的应用前景。

高精度时栅位移传感器研究

分析了传统位移传感器的优点与不足,讨论了时空转换思想、时空坐标转换方法与时栅位移传感器原理。 通过高精度时栅位移传感器的研制过程,介绍了单齿式、差频式、场式和混合式几种时栅的原理结构及其分别达 到的分辨率和精度指标,最终通过鉴定的场式时栅达到了0．1”的分辨率和±0．8”的精度。还介绍了谐波修正法 思想,目的在于把傅里叶变换用于传感器诞生之前的参数设计和制作过程中的误差修正,而不只是在其后的误差 分解和分析。反映出时栅作为一种智能传感器所体现的技术优势和谐波修正法的实用效果,而最终目标是不依赖 精密机械加工或不用刻线尺而实现精密位移测量。

时栅传感器直驱式误差自动标定与修正系统

针对研制时栅位移传感器过程中的误差标定环节,常规光栅传感器精度不满足要求的问题,采用激光干涉仪作为误差标定基准,自主研制了基于激光干涉仪的直驱式时栅角位移传感器误差自动标定与修正系统。利用时栅角位移传感器的多测头结构与误差曲线等间距周期性分布的特性,以一个对极的误差曲线重构传感器整周的误差曲线,采用多项式拟合算法构建了时栅角位移传感器的误差修正模型。实验结果表明,误差自动标定与修正系统可以快速、准确地对时栅角位移传感器进行自动误差标定与修正,修正后的时栅角位移传感器的整周误差达到±0.43″。

时栅位移传感器的误差分离与补偿方法研究

为进一步提高时栅角位移测量系统的测量精度,降低生产成本和生产时间,根据时栅传感器的误差组成和误差特性,提出了一种新的误差补偿方法;同时建立了基于傅里叶函数的误差分离模型。该补偿方法将沿空间正弦分布的非线性误差转化成线性误差,并运用最小二乘法理论对系统的误差进行补偿。通过试验与测试证明,采用该方法进行误差补偿可以大幅度提高时栅角位移测量系统的测量精度。

时栅角位移传感器在线自标定系统

为解决时栅角位移传感器在实际应用中的在线标定问题,提出了一种定角平移自标定方法并设计了相应的自标定系统。该方法首先把圆周封闭的自然基准转换成定角基准,在时栅内部建立了自标定基准。然后,根据傅里叶级数的性质,将定角基准平移到傅里叶变换的幅值和相位中,建立了测量值之差与误差之差的函数关系。通过对测量值之差进行傅里叶分析,重构了时栅角位移传感器的误差函数。最后,讨论了影响自标定精度的误差来源,并设计了传感器的零点纠错算法。为了检验自标定效果,利用激光干涉仪实验装置与自标定系统进行了对比试验。结果表明:定角平移自标定精度为1.9″,与理论计算的自标定误差(1.5±0.5)″的结论相符。提出的自标定方法在解决时栅自身标定基准的同时,满足了精密测量领域对时栅精度和可靠性的要求。

基于平面线圈的基波脉振磁场构造方法研究

为了减小电磁式时栅位移传感器的原始误差,提出了一种基于平面线圈的基波脉振磁场构造方法。通过研究现有电磁式时栅磁场构造方法和平面线圈磁场分布特性,利用各次谐波畸变率THD(Total Harmonic Distortion)最小的优化算法,得到平面线圈最优化布置参数,并且在数值分析和有限元分析软件中得到了验证。根据这些参数设置,设计了基于多匝方形平面线圈的新型电磁式时栅位移传感器。在150 mm量程内,新型时栅原始误差为-32μm^23μm,较现有电磁式时栅位移传感器减小了42.3%。

时栅位移传感器中激励信号引入误差的分析与修正

针对在时栅位移传感器测量过程中激励信号所引入的误差问题,提出一种基于激励信号误差分析的误差模型,以及针对该误差模型的修正方法。通过对传感器感应信号进行建模分析,确定激励信号引入幅值误差、正交误差和相移误差,并分别建立3类误差模型。采用数值分析法研究3类误差的特性、来源及相互关系,基于误差之间相关性低这一特性,采用基于加窗函数的误差修正方法处理幅值误差,按误差源分步补偿正交误差,结合迭代最小二乘拟合法修正相移误差。实验结果表明:经误差修正,72对极圆型场式时栅位移传感器的整周测量误差由±119.6″降低至±1.84″,单对极范围内的测量误差由±117.7″降低至±1.54″,所提出的误差修正法可大幅度地降低测量误差,有效提高传感器的测量精度。

一种时栅传感器谐波误差分析算法

时栅传感器在信号采样过程中常出现非同步采样和非整周期采样,采用传统的快速傅立叶变换(FFT)算法作为谐波误差分析时,存在频谱泄露和栅栏效应;针对该问题,提出了一种Nuttall窗加三谱线插值的谐波误差分析算法;该算法以Nuttall窗函数作为FFT的谐波分析方法,可减小频谱泄露引起的误差,用三谱线插值算法对其进行修正,可减小栅栏效应引起的误差;对算法进行MATLAB仿真和实验分析,仿真和实验表明:所提算法能够在加窗函数的基础上进一步提高谐波误差分析的准确性,将谐波分析误差精度从0.1″提高到0.06″。对时栅传感器误差曲线的实验研究进一步验证了该算法的有效性。

两相非等节距时栅传感器的谐波修正

采用误差修正是提高两相非等节距时栅位移传感器精度的有效方法.首先,详细研究了两相非等节距时栅传感器的原理和误差组成,分析了长周期误差、短周期误差等误差特性.其次,提出了一种新型的谐波误差修正方法,它可以同时消除长周期误差和短周期误差,且不要求等间距采样,采样点数少,数据处理简单.最后,通过实验表明,该方法能大大提高传感器的精度.

基于AKF滤波器的时栅角位移动态误差抑制方法

动态测量下的谐波误差成分是制约高精度、高分辨率的时栅角位移传感器在动态测量领域运用的主要原因之一。针对动态测量下时栅角位移传感器中的谐波抑制难题,首先简述了时栅角位移传感器的系统模型,其次建立了时栅角位移传感器的动态误差数学模型,之后解释了传感器的动态误差产生机理,阐述了自适应卡尔曼滤波的基本原理,最后构建了基于自适应卡尔曼滤波的时栅角位移传感器的动态误差抑制模型。通过仿真分析证明了时栅角位移传感器在匀速和变速运行情况下,经自适应卡尔曼滤波后,动态误差均降低了约70%,且随着传感器转速的提高,对谐波误差的抑制效果越明显。在实验运用中,该滤波算法对时栅角位移传感器的测量值有很好的实时预测性,传感器能够更快速且稳定运行,在100 r/min的转速下测量误差降低约80%。结果证实了自适应卡尔曼滤波在时栅角位移传感器的动态谐波误差抑制中有着显著的作用,能极大地提高传感器的动态测量精度。

时栅位移传感器误差动态采样与补偿模型研究

针对现有时栅位移传感器误差补偿模型补偿效果受标定实验台速度影响的问题,提出了一种基于三次样条插值-傅里叶谐波合成的误差补偿模型。首先,根据时栅位移传感器多测头信号感应原理与整周误差曲线等间距周期性分布特性,分析短周期误差受标定实验台速度影响,引入传感器等间距采样的“错位”误差,该误差将直接影响构建的短周期误差补偿模型的补偿效果;其次,利用三次样条插值法准确定位误差采样位置,精确重构短周期误差曲线;最后,通过重构的短周期误差曲线与傅里叶谐波补偿法建立了短周期误差补偿模型,提高了时栅位移传感器误差补偿效果。实验结果表明,采用本补偿模型后传感器短周期误差峰峰值降至1.7″;本补偿模型短周期误差补偿效果优于传统基于傅里叶谐波补偿法构建的补偿模型,标定实验台速度为3 r/min时补偿效果可提高56.0%,既能满足传感器动态标定的工作效率,也能满足传感器的高精度误差标定需求。

基于PMAC的时栅位移传感器直驱式的误差修正系统研究

针对传统实验平台中的数控转台采用伺服电机作为运动部件、通过蜗轮。蜗杆传动而产生的运动速度低、动态响应差等不足,设计了一种基于可编程多轴控制卡PMAC的开放式运动控制转台实验系统。该系统以PMAC为控制核心,直驱电机作为运动部件,以高精度的光栅传感器作为反馈元件,采用谐波修正法建立传感器的误差分析模型,并采用Visual C++设计开发了整套自动控制软件。实验结果表明:实验系统速度快、可靠性高,相比传统数控转台,运动速度瓶颈得到解决,动态响应明显改善。

基于谐波修正的两相非等节距时栅传感器

通过研究三相、两相时栅传感器的信号模型,设计了一种新型位移传感器——两相非等节距时栅位移传感器.该传感器在不增加加工难度的情况下,提高了传感器的极对数.通过分析传感器的误差组成,研究了误差谐波修正法理论,提出了一种新的非等间距采样误差修正方法.该方法消除误差的效果与等间距整周期采样误差修正相似,但采样点数要少得多.实验表明,采用新型位移传感器能提高传感器的精度.

基于波动方程的时栅关键技术研究

以时栅位移传感器的测量原理为基础,从波动学的角度对其测量的基本思想——以时间量来测量空间量作了深入的分析。给出了理想的恒速运动坐标系——行波的具体实现方法,使传感器中运动坐标系的实现有了理论指导,时空坐标转换理论的内涵更加深入。

两相驱动型时栅位移传感器测角系统误差建模与分析

为了进一步拓展时栅位移传感器的应用范围,在传统场式时栅位移传感器测角系统的基础上,提出一种两相驱动型时栅位移传感器测角系统。该系统以低分辨率、低成本的圆光栅和直接数字频率合成器构成一种新的"时间行波",结合传统时栅位移传感器的处理技术,构成一个新的测角系统。对该测角系统的误差模型进行研究。实验结果表明:该测角系统的主要误差成分为光栅信号的不正交、不等幅与残余直流电平3项误差源,通过该误差模型可以有效地减小时栅位移传感器的原始误差,提高测角系统的测量精度,精度达到±3.2″。

基于Matlab的时栅位移传感器的误差曲线分析与拟合研究

提出了一种基于Matlab傅立叶算法的传感器误差修正和补偿方法,将其应用于时栅位移传感器研究,借助于Matlab强大的计算功能实现时栅位移传感器测量的误差曲线分析和拟合算法,用低精度的机械加工实现高精度的传感器制造。

基于光场耦合的时栅位移传感器设计

为了实现制造成本低、易加工、高精度的位移测量,设计了一种光场耦合式的时栅位移传感器。介绍了利用基于交变光场的两路驻波合成电行波信号,并通过鉴相的方式实现空间位移转换的测量原理;完成了传感器的结构设计,给出了传感器的系统框图,具体分析了信号处理电路的功能。实验结果表明:光场耦合式的时栅位移传感器在108 mm范围内误差为±0.5μm。

时栅位移传感器行波产生新方法

时栅位移传感器的核心是时空转换思想,其关键是构建一个无限长匀速运动的栅尺,时栅位移传感器采用了行波来构建这样一个栅尺,因此对行波产生新方法的研究有助于推动时栅位移传感器的研究和发展.分析目前行波产生方法及优缺点,进而提出一种,一种基于光电信号耦合和驻波调制的行波产生新方法.搭建了实验平台,初步实验表明该设计方案是可行的,产生出正确的行波信号,其峰值为300 mV,周期为99.50 us.并与磁场式时栅位移传感器产生的行波进行了对比,表明该设计方案产生的行波信号质量更好.此设计方案摆脱了目前通过电磁耦合获得信号的方式,并且将时栅位移传感器的研究工作究领域从电磁领域拓宽到了光电领域,提供了研究时栅、提高时栅测量精度的新思路、方法、手段,推动了时栅传感器的发展.

基于交变光强的新型时栅传感器行波信号设计

基于三相异步电机绕组方式的磁场式时栅位移传感器,通过旋转磁场得到行波信号强度较弱,并容易受到周围磁场的干扰。为了进一步提高时栅位移传感器行波信号的强度,提出一种基于交变光强的时栅位移传感器行波形成方法,并搭建了实验平台。实验表明:该设计方案产生出正确的行波信号,并且所得到的行波信号强度优于磁场式时栅位移传感器产生的行波信号强度。