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。

基于虚拟仪器技术的纳米时栅传感器实验研究

为了实现制造成本低、抗干扰性强、性能稳定的大量程、纳米精度位移测量,研究了一种基于交变电场耦合的纳米时栅位移传感器。利用虚拟仪器开发平台LabVIEW软件和PXI—5422任意波形发生器硬件设备相结合,实现标准波形的频率、幅值、相位的设置等功能。实验得出:通过调节激励信号的幅值可以避免安装位置的不同对纳米时栅精度的影响,调节相位可以提高其精度。虚拟仪器技术在纳米时栅实验中的应用为激励信号性能的改进与提高提供了技术支持,在纳米时栅特性的研究中提供方便。

基于组合测量方式的新型磁场式时栅位移传感器

针对数字化精密机械加工装备和测量仪器中的关键功能部件——位移传感器测量精度过分依赖高精度加工的难题,提出基于组合测量方式的新型位移传感新方法。利用在平面上均匀分布的激励绕组产生交变磁场,构建运动参考系,建立位移和时间基准之间的映射关系。通过控制感应绕组的形状实现磁场精确约束,从原理上抑制谐波误差。采用差分排布的感应绕组式及组合测量方式增强抗干扰性,提高位移测量精度。通过电磁仿真验证,进行测量误差分析,优化结构参数。研制了传感器样机并进行实验验证,结果表明在144 mm测量范围内,测量误差为±2.25μm,分辨力为0.15μm。不同于传统高精度位移传感器严重依赖高精度光刻制造加工,此方法通过对磁场的精确约束和传感原理创新实现精密位移测量,具有结构简单,成本低等优势具有重要学术和工程应用价值。

基于离散绕组的磁场式时栅位移传感器及误差特性

针对高精度位移传感器难以加工的难题,提出一种基于离散绕组的磁场式时栅位移传感器。通过设计离散激励绕组排布方式与感应绕组的形状控制感应位移信号的变化规律,通过组合测量方式实现精密位移测量。通过理论建模、仿真分析与实验验证揭示了激励信号误差和安装偏差对传感器测量精度的影响规律。实验结果表明:两路激励信号的幅值不等和安装偏差都会在对极内测量精度中直接引入直流分量误差和2次谐波误差,其中2次谐波误差是误差的主要成分。安装偏差越大,2次谐波误差越大,动尺沿Z轴偏摆姿态对测量精度的影响最大,沿Y轴翻转姿态引入的误差次之,沿X轴俯仰姿态引入的误差最小。误差修正后传感器在144 mm的测量范围内,测量误差峰峰值为4.5μm,分辨力为0.15μm。通过毫米级尺寸的激励和感应绕组实现微米级精度测量,可显著降低传感器的制造难度,具有重要的工程应用价值。

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。

多场耦合绝对式时栅角位移传感器误差分析及优化

针对传统绝对式角位移传感器过度依赖编码技术以及超精密加工方法的问题,利用“定位+测量”的组合方式,提出一种多圈结构的多个物理场共同耦合作用的角位移传感器。通过理论误差推导、对极内仿真误差分析以及实验误差研究对该传感器进行误差特性分析,提出传感器结构优化方案;通过PCB工艺制作传感器优化前后2套样机并进行实验,结果表明:优化后的传感器系统测量误差由±16.5″降低至±6.2″。该结构可充分发挥磁场式时栅抗干扰能力强和电场式时栅精度高的优势,具有重要应用价值。该传感器通过测量时间量实现对空间量的测量,性能优良,特别适合在复杂工况中使用。

基于时栅传感技术的高分辨力磁编码器设计与研究

在现代工业中,磁编码器因具有防尘、抗震等特性被广泛应用,但其长期存在分辨力低的问题,在一定程度上制约了其在高精度、高分辨力领域的使用。文章通过采用隧道磁阻传感器(Tunnel magnetoresistance,TMR)作为磁敏元件,多极磁环为转动部件,并结合时栅位移传感器的信号处理技术,设计了一种高分辨力磁编码器以期解决这一问题。文中从理论上分析了这种编码器的测量原理,其次通过仿真分析对TMR安装位置的关键参数进行确定,最后对此编码器样机进行了实验,验证了测量方案的可行性。经样机实验测试,该新型磁编码器可实现0.1°的分辨力,较相同磁极数的传统编码器原始分辨力提高了7.5倍。

一种用于导轨位置检测的直线式时栅传感器

机械装备中的直线导轨位移检测多是通过采用伺服电机与滚珠丝杆,将旋转运动转换为直线运动来进行导轨的精密定位。针对检测电机转角测直线位移引入的传动链误差难以计量的问题,实验组提出一种用于导轨位置检测的直线式时栅传感器,定尺通过PCB工艺实现正余弦绕组空间正交,动尺用感应绕组获取电磁信号。然后用整形电路对电信号进行处理,将其转换为可用的传感器信号,进而实现对直线导轨的精密位置检测。利用三维有限元仿真,验证了原理模型的正确性;通过傅里叶变换;对误差进行分析与溯源并对模型进行了优化。仿真结果表明:设计有效行程在50mm内,采用平行四边形的PCB布线,误差峰峰值小于60μm,该方法具有工艺简单、成本低、安装方便等优点。

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。

纳米时栅位移传感器的理论模型与误差分析

纳米位移测量技术及器件是实现纳米精度定位与控制的"眼睛",针对现有的纳米位移测量方法在大量程和高精度之间难以兼顾的现状,提出一种基于交变电场的驻波合成电行波的新方法,研究一种新型的纳米时栅位移传感器。对纳米时栅的工作原理进行了详细分析,构建了一个受4路位移信息调制的行波表达式,通过对表达式的理论推导,分析了2路驻波幅值不相等、单路驻波正负幅值不相等以及驻波中包含高次谐波分量等因素导致的误差规律。在此基础上开展了大量验证性实验,结果证明了理论分析的正确性。根据理论分析和实验结果,明确了纳米时栅一次、二次和四次误差的产生原因,据此对传感结构和参数进行了优化设计,最终在200 mm测量范围内精度达到±300 nm。

纳米时栅传感器数字信号处理系统设计

针对大量程纳米级精度测量难的问题,结合时栅传感器的基本原理,提出一种基于交变电场耦合的纳米时栅传感器。利用Nutt内插法对影响时栅精度的关键因素—时间量进行精密测量,降低了系统对插补脉冲频率的要求,提高了测量分辨率。采用SOPC技术设计纳米时栅信号处理系统,保证了系统高性能实时测量。实验结果表明,该系统能稳定正常工作,在行程200 mm测量范围内,纳米时栅误差峰峰值为590 nm。

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。

嵌入式时栅传感器高精度激励设计

介绍了嵌入式时栅传感器的基本原理,分析了两相激励信号不一致性主要是幅值不等和相位不正交对传感器测量精度的影响。基于DDS原理结合反馈控制设计了高精度的激励信号模块,采用反馈电路控制可程控放大电路调理两相信号幅值,实现了激励信号的幅值相等,基于闭环反馈控制直接修改数字激励信号实现了信号的相位正交。实验研究结果表明,采用这种闭环控制的方法,传感器短周期测角误差从±65″降低到±16″左右,常值误差基本消除,传感器精度大幅度提高。

基于ARM的直线式时栅位移传感器A/D转换电路设计

利用时空转换思想,以时间基准测量空间位移量,设计了基于ARM的直线式时栅传感器A/D转换电路。采用STM32F407VGT6型ARM处理器与AD7298BCPZ型12位A/D转换芯片相结合,利用嵌入式Linux实时操作系统的移植,使得系统具有更好的可靠性与实时性。实验表明:设计的A/D转换电路,最小分辨时间为2.44 ns.能够更好的实现传感器的高速、高分辨率采样,实现了直线式时栅传感器的实时误差修正与补偿,为高精度直线式时栅传感器的研制提供了技术支持。

纳米时栅传感器高精度激励信号源研究与设计

纳米时栅利用正交变化电场构建的运动参考系进行测量,激励信号精度直接影响运动参考系匀速性,进而影响测量精度。针对纳米时栅需要高精度激励信号的要求,设计了一种采用闭环控制结构的高精度激励信号源,该信号源采用单片FPGA实现总体控制,完成采集控制、数据处理和波形数据产生等功能,利用16位高精度数据转换器构建信号发生电路及反馈电路,保证了对信号的精确控制。测试结果表明:输出正弦信号幅值精度为0.01%,相位精度为0.1%,并将纳米时栅原始精度从1.4μm提高至0.9μm。

基于测量基准变换的增量直线式时栅传感器研究

针对目前绝对直线场式时栅无法满足全闭环数控系统要求的增量式直线位移反馈的问题,采用测量基准转换方式从时间域的角度处理绝对直线场式时栅的空间位移信息,运用时间序列算法分析绝对式时栅采样数据序列的内在相关性,建立自适应递推算法。通过时间触发采样将时栅传感器过去的测量数据作为样本集,递推时栅下一个采样时刻的位移,在下一个采样周期内将直线时栅的绝对位移代表的增量式时间脉冲通过脉宽调制的方式连续发出,实现绝对式直线时栅到增量式直线时栅位移传感器的转换设计。实验表明在76.604 mm的范围内增量式直线时栅位移传感器达到±2μm的测量精度。此研究可将原绝对式直线时栅位移传感器运用于全闭环增量式直线运动数控系统,具有重要现实意义。

基于STM32F4的时栅位移传感器信号处理系统集成化设计

设计了一种基于单片STM32F4芯片的时栅位移传感器信号处理系统,将驱动电源、信号采样以及数据处理与误差补偿集成在一片芯片中完成,采用数字频率直接合成(DDS)技术进行激励源的设计,利用输入捕获方式进行高频时钟脉冲插补来采集测量信号,由芯片集成的单周期DSP指令部件完成数据计算,并采用傅氏级数谐波修正技术来进行误差修正。实验表明:采用该系统后,72对极时栅误差峰峰值为3.29″,在保证精度的同时实现了时栅信号处理系统的集成化、小型化,降低了生产成本。

基于数字内插法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,设计了一种基于数字内插法的时栅信号处理系统;利用粗计数法和数字内插法将时栅信号分成粗测和细测两部分分别进行测量,降低了对插补脉冲频率的要求,提高了测量精度;同时采用SOPC技术实现了系统电路的高度集成,并利用自定义指令提高了数据处理速度;实验表明,采用该系统后,时栅在40 kHz激励情况下误差为±1.2″,实现了时栅信号的高精度测量。

运用FPGA+ARM的直线式时栅传感器的数据采集系统设计

利用时空转换思想,以时间基准测量空间位移量,借鉴国际上先进的位移测量技术手段,设计直线式时栅传感器高速实时数据采集系统。通过先进的RISC机器(Advanced RISC Machines,ARM)对现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)进行管理控制,利用嵌入式操作系统Linux软件编程,在FPGA上构建正弦信号发生器、NIOS_II软核处理器,完成高速数据采集,使系统具有更好的可靠性与实时性。实验表明:采用所设计的高速实时数据采集系统,最小分辨时间为2.44ns.解决了直线式时栅传感器处理速度和数据采集不匹配的问题,实现了直线式时栅传感器的实时误差修正与补偿,为高精度直线式时栅传感器的研制提供了技术支持。

基于STM32F4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测量精度及分辨率,提出了一种基于STM32F4的时栅位移传感器信号处理系统;系统包括硬件电路设计和软件设计;硬件电路以STM32F4内核处理器芯片和复杂可编程逻辑器件CPLD为核心,集成了信号调理、信号处理等电路模块;运用高频时钟脉冲插补时栅位移传感器感应信号和参考信号之间的相位差,通过软件设计控制信号的采集和处理,实现了相位检测;经实验验证,采用以STM32F4为核心的时栅信号处理系统后,时栅位移传感器的角度误差峰峰值达到2.4",实现了高精度、高分辨率的时栅角位移测量。