绝对式角位移时栅测量系统设计

针对现有时栅测量系统信息处理和误差分析步骤繁琐,效率低等问题,提出一种基于LabVIEW的时栅测量系统。该测量系统对传感器底层位置信息进行读取和解析,实现数据获取、实时定位、频谱分析以及误差处理等操作。实验结果表明:系统运行稳定,对传感器的测量误差分析准确,并且将多个功能模块集成至一个系统平台,大幅提升测量效率。

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。

基于时空转换的精密位移测量新方法与传统方法的比较

回顾了时栅位移传感器原理和传统精密位移测量原理,通过比较其间细微而本质的区别,可加深对时空坐标转换方法的理解和对时栅位移传感器优势的认识。

纳米时栅位移传感器电场分布与误差特性研究

针对现有纳米测量技术量程小和测量环境要求苛刻等不足,提出研究一种以高频时钟脉冲作为计量基准的新型纳米位移传感器,利用差动平行电容极板构建的交变电场进行精密测量。为了优化传感参数并提高测量精度,对纳米时栅传感器在不同参数条件下的电场分布与误差特性进行了研究。首先根据其测量特征,利用ANSYS软件建立二维仿真模型,对不同参数条件下传感器的电场分布进行分析;再通过实验验证,找出不同参数与误差特性之间的关系;最后根据仿真和实验结果,对传感参数进行优化设计。实验表明:在200 mm测量范围内,传感器精度达到±300 nm。为纳米时栅优化设计和精度提高提供了可靠的理论依据和技术支持。

时栅数控转台空间回转位置预测方法研究

时栅传感器利用时空变换技术将空域信息变换到时域,以时间测量空间位移。为了研制高精度时栅数控转台,减少动态位置反馈误差,提出了一种回转位置预测测量新方法,利用时空变换技术将时域信息返回到空域。利用时间序列理论对时栅测量值进行建模,从而预测出数控转台未来一段时间内的位置值,并利用当前测量值对前一次的预测误差进行实时修正。介绍了测量数据建模方法和预测系数估计算法。为了验证位置预测方法的有效性,设计了一套动态实验系统。实践证明,数控转台的角位移预测误差为±2″,实现了精密位置预测。

直线式时栅位移传感器原理与结构

在已研制成功的圆时栅的基础上,开展了比圆分度应用范围更广的直线式时栅传感器的研究。直线式时栅基于直线电机原理建立物理模型与数学模型,作为直线式时栅的理论基础和技术依据。提出了直线式时栅的机械结构型式,同时研究了增量式时栅的信号处理电路及软件系统。研究结果表明,该模块测量精度高于现有直线式传感器的中高档水平,具有较好的工艺性且成本低于现有中低档直线式传感器。

基于光敏阵列直接调制的单栅式时栅位移传感器

针对传统叠栅形式光栅存在制造难度大、安装要求高等缺点,提出了一种用时间细分空间的单栅式时栅位移传感器。从光的粒子性出发,分析了用正交变化的光场信号合成光场电行波的方法;用点阵发光二极管(LED)模块作为交变光源,用空间正交的光敏阵列直接耦合光强信号获取了反应空间位移的电行波信号;最后,通过检测电行波信号与激励信号过零点之间的时间差,实现了对空间直线位移的测量。研制了原理样机,采用普通机械加工方法对其进行了实验验证。结果表明,在440mm测量范围内,样机的测量精度可达±2μm。该单栅式时栅位移传感器减少了叠栅式传感器对安装工艺的要求,提高了抗干扰能力;采用的测量技术避免了传统粗光栅技术存在的精度难以提高、动态特性差等缺点,为光学位移测量提供了一种不通过精密机械细分来提高测量精度的方法。

时栅位移传感器动态误差模型及修正算法研究

时栅位移传感器的动态测量的重要性日益凸显,提出了一种时栅位移传感器的动态误差修正模型。该模型以动生电动势和感生电动势为切入点,将转动模型等效为动测头单位绕组横截面直线运动模型,建立了转子转速与时栅位移传感器动测头感应信号之间的关系数学模型。实验验证以低速标定好的时栅位移传感器为基础,提高转子转速,运用该模型对时栅位移传感器采集的原始数据进行预处理,然后运用谐波修正对其进行动态误差修正。实验研究表明:采用该模型后72对极轴式时栅位移传感器转速为2 r/min的误差为±2.4″,转速为4 r/min的误差为±2.88″。

时空坐标转换方法的增量式实现与增量式时栅位移传感器研究

在分析时栅传感器结构和信号特点的基础上,提出了基于时空坐标转换方法的增量式时栅位移传感器设计方法,分析了控制系统中控制信号的增量式实现及其特殊性。通过对几种传感器信号特点的比较,解决了增量式时栅位移传感器的关键技术难题。

基于磁导调制的直线式时栅位移传感器

为了满足恶劣环境下精密位移测量的需求,解决现有测量方法在大量程和高精度之间无法兼顾的难题,克服小栅距造成加工难度大的缺点,提出一种基于磁导调制的驻波合成行波的新方法,研究一种新型直线式时栅位移传感器。通过对传感器测量原理的理论推导,设计了传感器的基本结构,应用三维磁场仿真软件Ansoft Maxwell对传感器进行建模与仿真,采用快速傅里叶变换(FFT)对仿真结果进行误差分析与溯源,根据分析结果对模型结构优化并进行仿真实验验证;根据优化模型制作传感器实物并搭建实验平台进行实验验证。实验结果显示:在200 mm测量范围内,测量精度达±600 nm,且传感器制造简易,成本低廉,在实际工程中具有重要的实用价值。

变耦型时栅传感器及测头姿态对测量误差的影响

根据时栅传感器的测量原理,提出一种采用高频时钟脉冲作为测量基准的变耦型时栅位移传感器以提高位移测量的精度。该传感器通过改变激励线圈和感应线圈的耦合状态输出感应位移变化的行波信号来实现精密位移测量。进行了建模和仿真,研究了不同测头姿态下传感器的位移误差特性,并对其进行了谐波分析,得到了不同测头姿态对位移测量误差各次谐波的影响规律。根据传感器模型制作了传感器并开展了验证实验。仿真和实验结果均表明:不同测头姿态对位移测量误差的影响主要体现在对测量误差的1次、2次和4次谐波上,且俯仰姿态引入的附加误差最大,其余测头姿态下引入的位移测量附加误差均较小。若保证较佳的测头姿态,传感器在定尺和动测头间气隙厚度为0.3mm时的原始误差约为±18μm。实验分析结果与仿真结果基本一致。

基于线阵电荷耦合元件静态光场式时栅位移传感器研究

延续前期关于磁场式和电场式时栅位移传感器的研究基础,根据时栅传感器的设计思想,提出并分析光场式时栅传感器的测量原理及实现方案。探索性地提出在静态光场下,用时序驱动的光电探测器构成匀速扫描测量方式,实现将被测对象的空间位移测量转换为时间差的测量。为了验证方案的可行性,用多个线阵电荷耦合元件(Charge-coupled device,CCD)构成圆阵列,实现CCD时栅原理样机设计。将相邻CCD输出信号的时间差变化量与匀速扫描的速度值相乘,经过适当的转换便可得到转轴的角位移大小,并可以判断位移的方向。所研制的原理样机,通过与精度为±1″的圆光栅(ROD880)对比测量,在整周范围内,测量误差控制在±6°以内。为光场式时栅的进一步研究,提供了可靠的理论和实践依据。

时栅传感器动态测量误差补偿

针对动态测量误差特点,提出了对系统误差和随机误差分别进行建模和组合补偿的思想来提高时栅传感器的动态测量精度。对具有周期性变化特征的系统误差采用傅里叶级数逼近的方法进行建模,运用最小二乘求解超定方程组的方法计算出系统误差的补偿参数。对于系统误差补偿后残留的随机误差采用灰色预测GM(1,1)模型进行预测,通过模型残差检验和修正提高预测的准确度。实验结果表明,利用傅里叶级数逼近模型有效地补偿了系统误差,误差由±35″降至±7.8″,通过最小二乘参数寻优得到的补偿参数与传感器实际的误差成分相吻合;灰色预测模型则很好地预测补偿了残留的随机误差,误差由±7.8″降至±3″。得到的结果表明,利用这种对误差分别建模和补偿的方法大幅度地降低了动态测量误差,有效地提高了传感器的测量精度。

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。

基于SOPC的时栅位移传感器信号处理系统设计

为了提高时栅位移传感器的动态性以及测量精度,设计了一种基于SOPC技术的时栅信号处理系统,将数据的采集和处理集成在一片FPGA内,采用NiosⅡ处理,并将复杂的乘除运算加入了自定义指令,提高了时栅传感器的数据处理效率,采用傅氏级数谐波修正技术来进行误差修正,大大提高了测量精度。实验表明,采用该系统后,时栅在每分钟8转情况下误差峰峰值为2.2″。

平面二维时栅位移传感器的理论模型与误差分析

本文提出了一种平面二维位移测量方法,并研制出了一种新型的平面二维时栅位移传感器。首先,建立了平面二维时栅测量模型,采用一种离散化的电极编码阵列,实现了二维平面上的编码;其次,提出了一种测量信号解耦方法,通过对4块正交排列的动尺电极上的感应信号进行线性运算,实现了对输出行波信号的解耦;建立了三维电场仿真模型并进行仿真分析,仿真结果验证了离散化电极编码的可行性和解耦运算方法的有效性;此外,通过仿真得到了平面二维时栅位移传感器的误差特性,其主要以4次误差为主,并且随着间隙的增大而衰减;最后,采用PCB工艺制造了传感器样机进行实验。实验表明:在300 mm×300 mm范围内,二维时栅传感器在X方向大量程误差为±8μm,Y方向大量程误差为±8.4μm,实现了可靠的二维位移测量。

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。

具备自标定功能的绝对式时栅位移传感器

时栅位移传感器的绝对式实现方法主要采用单对极+多对极和多对极差一对极组合两种形式实现。对于两层传感器结构的单对极+多对极的组合形式,由于极对数相差较多、分辨力差别较大,不利于实现高精度。对于差一对极的组合方式,由于极对数较多,在传感器原始加工精度较差时,会产生位置解算困难、甚至无法正确解算的情况。为解决上述问题,提出对极数呈互质关系的两层传感器结构的新组合模式。该模式可实现自校正,有效提高产品精度。通过试验验证了该方法的可行性,获取的传感器精度为-4.5″-3.9″。

基于多对极组合的绝对式时栅位移传感器实现方法

为了提升时栅位移传感器产品的市场应用空间,时栅位移传感器需要实现绝对式测量功能。提出一种多对极组合的传感器设计方法,通过该方法实现了时栅位移传感器的绝对式测量。通过对时栅位移传感器位移量与信号量关系的解析,阐述了时栅位移传感器的测量机理,并通过系统测试获取了信号量变化规律,验证了该方法与传感器结构的可行性。

时栅角位移传感器的误差补偿及参数辨识

基于正弦函数和快速傅里叶变换提出了一种误差补偿及参数辨识方法,用于提高时栅角位移传感器的测量精度和标定效率。使用激光干涉仪对时栅角位移传感器的误差进行标定,在整周采样36个对极点和对极内采样240个点。通过对标定的误差数据进行分析,由此提出一种基于傅里叶级数变换的误差补偿模型,在对极点对8个参数与对极内20个参数分别进行参数辨识。实验结果表明:补偿后时栅角位移传感器的测量误差减小为原误差的1/38.4,显著地提高传感器的测量精度和标定的效率。