VFC式绝对位移传感器研究

首次提出了一种“VFC式绝对位移传感器”,它采用电压—频率变换原理,利用分压电路的输出电压随电阻的变化而变化的特性,通过其对压控振荡器的输出控制,实现输出频率的同步变化,从而实现位移—频率的模数转换,通过对输出频率进行信号处理,实现对位移量的测量。这种传感器与分压电路的精度、压控振荡器的线性度有关,采用适当的分压电路时,可实现对直线位移和圆位移的测量。

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。

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。

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%。

新型反射式光纤位移传感器的分析与设计

在传统反射式光纤位移传感基础上 ,提出了一种新型的可测量被测物体反射面与反射光纤端面绝对距离的光纤位移传感器的设计方法 ,并对其工作原理及特性进行了详细的分析和讨论。

基于分时复用反射电极结构的高精度绝对式时栅角位移传感器

提出了一种基于分时复用反射电极结构的高精度绝对式时栅角位移传感器。以增量式时栅传感器为基础,将单对极与多对极相结合,整周多对极作为精确测量部分实现高精度,整周单对极作为粗略测量部分实现绝对定位。提出了一种分时复用反射电极结构,粗测部分和精测部分共用一组反射电极和接收电极,因此结构更加紧凑,便于小型化,同时动子无需引线,应用环境更广。通过分时间段对粗测部分和精测部分施加激励信号,并把不工作的电极接地,可以有效消除粗测部分和精测部分之间的串扰,保证测量精度。采用PCB技术制造了外径Φ=60 mm,内径Φ=26 mm的传感器样机。通过理论分析和结构优化,最终实验结果表明传感器的测量精度达到了±12″。

基于二次调制的高精度多圈绝对式时栅角位移传感器

提出了一种基于二次调制的高精度多圈绝对式时栅角位移传感器,该传感器由单圈绝对式传感器与多圈计数模块组成。首先,采用两级单排式时栅角位移传感器构成单圈绝对式传感器,通过第一级传感器构建四路正交的行波信号,将差动的两路行波信号直接反射,作为精测信号;同时,利用第一级四路正交的行波信号作为第二级传感器的激励信号进行二次调制,获得整周单周期信号,作为粗测信号,精测信号结合粗测信号实现高精度单圈绝对式角位移测量。在此基础上,结合韦根多圈计数模块记录圈数信息,从而实现高精度多圈绝对式角位移测量。通过印制电路板技术制作了原理样机,搭建了实验平台,并进行了测试,实验结果表明:该传感器在整周范围原始精度可达±8″,并且在上电、断电情况下实现了圈数的准确记忆。

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。

一种绝对式容栅测量新技术

在综合分析、比较现有容栅测量技术的基础上,介绍了一种绝对式容栅测量技术。这种技术克服了传统相对式容栅测量系统中存在的缺陷,利用两级耦合多精度合成实现测量位置的绝对编码,实现了高精度、大量程测量。首先介绍了用于高精度测量的容栅测量系统构成,讨论了绝对式测量的工作原理。给出的系统检测电路解决了传统鉴相型检测电路中滤波效应导致信号精确性受到损坏以及需要较长稳定时间的问题。

小型化高精度绝对式时栅角位移传感器

针对机器人关节臂、关节臂式测量机等设备中所用绝对式角位移传感器面临的高精度和小体积之间的矛盾，研制了一种基于电场式时栅传感技术的绝对式、高精度、小型化角位移传感器。采用内圈单对极粗测结合外圈多对极精测的方式，实现绝对定位功能；采用单排差动传感结构能有效抑制共模干扰的优点，保证测量精度；采用传感电极和电路元件的集成化设计，实现了小型化。使用PCB工艺制作了外径为φ=45mm的传感器样机，通过实验分析表明，内外两圈之间的交叉串扰导致了对极内的一次谐波误差。在此基础上提出增大两圈间隙和布置中间屏蔽地的优化方案，使最终测量精度达到了±5．5″。该传感器在具备低功耗、低成本、小体积等特点的同时，拥有巨大的产品化潜力。

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。

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″。

准零刚度绝对位移传感器设计及运用

设计了一种准零刚度(QZS)绝对位移传感器。分析了QZS传感器的结构参数,得到了保证QZS传感器特性的参数要求。给定不同激励,对QZS传感器测量精度及响应速度进行了检测,并分析总结QZS传感器的一些不足及其使用范围。将QZS传感器运用于Stewart平台的速度反馈,通过谐波平衡法得到平台z轴、绕x轴、绕y轴方向的幅频特性曲线。仿真结果表明,QZS传感器能够有效地测量平台z轴、绕x轴、绕y轴方向的绝对位移。

基于差极结构的绝对式直线时栅位移传感器研究及测量误差特性分析

针对传统绝对式位移传感器复杂编码和严苛光刻加工的难题,提出了一种“精机定位+精机测量”的差极结构绝对式时栅位移测量新方法。传感器定尺分为两列对极数相差1的激励绕组,每列激励绕组由空间正交排布的正/余弦绕组构成。通过施加正交激励电流,采用动尺正弦形感应绕组拾取时变磁场,得到两路行波信号。通过信号解耦以精机定位和精机测量的组合测量方式实现绝对位移测量。重点开展了安装高度和安装误差对测量精度的影响分析。实验结果表明安装偏角会导致对极内直流电平和二次谐波误差明显增大,修正后传感器在量程90 mm的范围内,测量精度为±1.2μm,分辨力为0.1μm。

基于平面磁场的双列结构绝对式时栅传感器研究

针对绝对式位置传感器编码复杂和加工工艺要求较高的问题,本文提出了一种基于平面磁场的双列结构绝对式时栅位移测量新方法。研究采用两列不同极距的"几"字型结构定尺绕组产生运动磁场,通过动尺电磁感应方式构造两列空间位移信号,建立两列空间位移信号相位差与运动位移的线性映射关系,通过粗通道定位和精通道测量实现绝对式位移测量。通过理论推导和模型仿真分析证明了绝对式位移测量方法的正确性。制作了PCB传感器样机进行了实验研究,结果表明传感器通过修正后定位精度可达到±9.6μm。此绝对式时栅位移传感器不仅具有结构简单,成本低廉等优势,还有效克服了传统绝对式位置传感器编码复杂和加工工艺要求较高的问题,可应用于复杂机电系统实现精密绝对定位,具有重要应用价值。

磁悬浮高精度多阈值振动报警装置设计

为提高振动测量的灵敏度并降低振动测试系统的固有振动频率,利用磁悬浮技术将绝对式振动测量中的振子设计成悬浮状态.分析了光电位移传感器输出特性,得到振子遮挡接受光线的面积与振子位移的关系式,测得光电位移传感器的灵敏度,并将圆柱形振子和圆顶形振子接收的红外光面积与振子位移关系进行了比较,对得到的函数关系用最小二乘法进行线性拟合,得出圆柱形振子的线性关系误差较小,其线性拟合较好.采用分立电子元件设计了振动报警装置,可设定振动报警阈值电压,通过比较器实现不同级别要求的振动报警触发,设计放大电路使系统的灵敏度可调.为操作方便设计了单片机振动报警电路,可实现三级振动报警,通过按键改变每个振动报警档位的阈值电压,采用电可擦除只读存储器设计对设定的报警阈值电压进行保存,方便了操作.实测振动表明:设计的磁悬浮振动报警装置的灵敏度可达到0.01 mm,具有多档位的振动报警功能,使用方便.

高精度绝对式差极角位移传感器

针对传统的大尺寸栅式角位移传感器在实现绝对定位的同时难以兼顾高精度测量的问题,在前期研究基础上设计了基于交变电场的大尺寸绝对式角位移传感器。传感器利用单列式传感结构实现高精度测量,设计内、外圈两圈结构在整周内刚好相差一对极以实现绝对定位。研制的传感器样机内径为100 mm、外径为154 mm,经实验测试并分析,其对极内呈现的二次谐波误差是由传感器不圆度所导致,四次谐波误差是因传感器结构缝宽比设计不合理而形成。为此,通过加长定尺极片、缩短动尺极片以削弱二次谐波误差,并设计缝宽比为1∶1以减小四次误差。优化后的传感器整周测量精度达到5″,对极内测量精度达到±1.5″。

一种基于PCB工艺的平面绝对式角位移传感器研究

文中研究的平面绝对式角位移传感器采用PCB工艺制造定子和转子。定子PCB包含正弦形平面激励线圈和环形感应线圈,转子PCB包含改变激励线圈和感应线圈耦合系数的铜箔阵列。传感器共有2个传感通道,2个通道的重复结构周期数相差为1,共同实现绝对角位移测量。文中对该传感器进行了有限元仿真,验证了其原理可行性。样机实验表明,在0°~360°范围内传感器的原始测量误差为-104.2″~28.8″。这种基于PCB工艺的平面绝对式角位移传感器,具有结构简单、厚度小的特点,非常适合机器人关节臂等对传感器体积要求苛刻的工作场合。

基于斐波那契数列的双通道绝对式时栅设计

磁场式时栅角位移传感器的绝对式测量主要采用2个极对数呈互质关系的“精机+精机”的双通道组合形式实现。为了解决和优化传感器设计中两组极对数匹配问题,文中尝试引入斐波那契数列作为寻优化设计的参考,并为传感器设计提供参考。文中先后建立了传感模型,并通过有限元仿真软件开展了不同对极对数组合下的绝对式时栅的磁场仿真,仿真结果表明:各组仿真波形的感应行波信号的相位仿真值与理论值的误差可以保持在低于0.3°,且随着极对数的组合形式越趋近于黄金分割点,传感器仿真结果越好。因此,文中通过实验表明斐波那契数列可以作为绝对式时栅传感器结构设计的一种有利参考,对时栅传感器的寻优设计有一定的借鉴意义。

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。