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。

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.

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。

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.

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。

高速铁路箱梁伸缩缝位移传感器研究

高速铁路箱梁状态对轨道平顺性和行车安全具有决定性作用。由于箱梁滑移变化缓慢且微小,同时需克服电力牵引产生的强电磁干扰,实现自动化监测面临较大挑战。该问题的难点在于箱梁伸缩缝的起始缝宽不同,只有实现等精度测量,才能使不同箱梁伸缩缝的变化具备可比性。本文设计了一种光学低相干高速铁路箱梁伸缩缝位移传感器,在实验室条件下进行了抗振动性能测试,验证了传感器在常见低频振动工况下的性能,并在京津城际高速铁路简支箱梁伸缩缝的监测中应用。结果表明:受日照和温度的影响,箱梁伸缩缝上下表面的位移差异可达150μm,传感器的实测长期监测精度可达50μm。研究成果为实现高速铁路箱梁伸缩缝自动化监测提供了参考借鉴。

基于拼接技术的大量程绝对式直线时栅位移传感器自校准方法研究

针对大量程直线位移传感器扩展测量范围和实现绝对定位互相矛盾的问题,在其应用场合缺乏高效安装高精度参考器件的条件,导致难以频繁在线校准以保持其测量精度,基于拼接技术提出一种适用于直线时栅位移传感器的误差延拓自校准新方法。,将复杂的大量程绝对式测量拆分为单段栅尺上的绝对位移测量和栅尺拼接后的绝对位置判断;将绝对位置数据作为位置判断依据并构建双测头结构,实现接缝处感应信号的平滑过渡;利用原生的双测头结构获得定距测量序列,结合误差延拓法构建周期误差函数,再使用快速傅里叶变换获得测量序列幅度谱重构误差函数。为了验证上述方法的可行性和有效性,制作了单段栅尺长度为600 mm的传感器样机进行实验。结果表明,2段栅尺拼接后在量程903 mm内能够实现绝对位置测量;采用自校准方法后传感器单周期内平均误差峰值从2.00μm降至0.59μm,误差补偿效果为70.50%;大量程误差峰值从18.93μm降至0.75μm,误差补偿效果为96.04%;此外,通过校准效果对比实验证明了误差延拓自校准方法优于基于傅里叶谐波补偿的比较校准法,误差校准效果提升约76.20%。

基于泰伯效应的差分双层光栅光学杠杆放大位移传感器

研制了一种基于泰伯效应的差分双层光栅光学杠杆放大位移传感器。通过理论计算、仿真分析和实验测试,证明在差分双层光栅后面形成了一个多周期复合光场。当两个光栅之间发生相对位移时,该复合光场随输入位移同步发生移动。由于差分结构的光学杠杆效应导致复合光场,复合光场位移相对于实际输入位移会产生放大,结合电荷耦合器件(CCD)相机成像检测方式可实现纳米级输入位移的检测。实验系统差分光栅结构周期分别为1.49和1.71μm。经多次重复测试,复合光场放大周期为~11.6μm,放大因子为~7.8,实验分辨率达到~9.8 nm。受益于位移放大,该传感器满足了纳米级精密位移测量对小周期光学光栅和小尺寸CCD像元的高要求,在机械定位、半导体制造等领域展现出良好的应用前景。

基于激光位移传感器的厚度测量校准系统设计及应用

为了提高钢板厚度校准的精度和安全性,针对传统接触式测厚仪精度低和射线类测厚仪存在辐射风险的问题,设计了一种基于激光位移传感器的差分非接触厚度测量校准系统。该系统采用差分测量结构,将激光位移传感器分别放置在待测钢板的顶部和底部,通过对传感器数据的采样和计算,实现钢板厚度的准确测量。硬件电路方面采用了STM32核心芯片进行设计,系统软件部分进行了相应的优化设计。试验后,系统重复性精度可达±0.1%,测量允许误差优于±0.05%,同时测量漂移控制在钢板厚度的±0.1%范围内。该系统不仅显著提高了测量精度,同时有效降低了测量过程中的安全风险,在钢板生产和加工领域具有重要的指导意义和应用价值。

一种新型高精度互感式位移传感器

提出了一种采用差分结构设计,硅钢片作为铁芯的双E型互感式差分位移传感器,分析了该传感器的基本原理并采用有限元仿真得到传感器最佳线性度时对应的线圈匝数,相对于传统双U型结构,双E型互感式差分位移传感器的测量范围更大,线性度更好。原理样机的试验结果表明,当磁浮飞轮转子间隙在0~1.5 mm之间线性变化时,双E型互感式差分位移传感器的线性度为3.87%,满足磁浮飞轮转子位移测量要求。另外,双E型互感式差分位移传感器还具有结构简单,价格低廉,便于安装的优点。

阀用位移传感器的多目标优化设计与仿真

为解决阀用位移传感器多目标多准则的电磁结构耦合优化设计问题,针对径向尺寸受到严格约束的长行程、高精度阀用位移传感器,运用MATLAB编写优化算法程序,得到以线性度和灵敏度为目标、以结构尺寸参数为约束条件的最优化参数匹配组。根据多目标优化结果,运用Maxwell电磁仿真软件对阀用LVDT进行等效建模,对优化模型和原始模型进行电磁场仿真分析,对比两者的输出特性。结果表明:优化模型的线性度为0.19%,灵敏度为23.12 mV/mm,较原始模型有较大的提高。该方法较完整地解决了LVDT结构优化设计,可为小型化阀用位移传感器的优化与设计提供参考。