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。

基于嵌入式时栅技术的齿条位移检测单元

齿条传动中,由于检测元件安装困难使得齿条位移检测不易实现、传动精度难以有效提高。文中提出一种基于嵌入式时栅技术的齿条位移检测单元,该单元由非等齿距的测头与齿条自身组成,直接实现齿条的位移检测。文中针对该方法的实现开展了有限元仿真分析与优化、原理样机试制,实验验证等工作。实验结果表明,在300 mm范围内齿条位移检测精度达到±1.3μm。

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。

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。

基于时序驱动的静态光场式时栅传感方法研究（英文）

提出了一种用时序驱动光敏元构成匀速扫描坐标系的方法,实现了将被测物体空间位移的测量转换为对时间差的测量。根据时栅相对运动双坐标系的转换原理,将线阵CCD的光敏元视为匀速扫描坐标系,两个空间上并排,时序上互相错开的线阵CCD为静止坐标系,则同一被测对象在两个CCD上输出电信号的时间差的变化量与扫描速度的乘积,即为所测位移的大小,并可以判断位移的方向。用雷尼绍激光干涉仪对所研制的CCD时栅传感器进行校准,在有效测量范围(600.05 mm)内,经过修正后的测量误差控制在±2μm以内,实现了在光学领域应用时间测量空间的思想。

基于纳米时栅传感器安装偏差的测量精度分析研究

为了解析安装参数与测量精度的关系,根据纳米时栅的基本测量原理,构建出与动、定尺间距d0和正对面积变化量ΔS相关的数学模型。通过理论推导,分析了动尺在yz平面倾斜、xy平面偏转时会导致两路驻波幅值不等、相位偏移,从而给测量结果带来二次误差。实验结果表明通过调整动尺在yz平面与xy平面上的安装,对极内原始误差由4.86μm降低至0.84μm,证明动尺在yz平面倾斜、xy平面偏转为产生二次误差的主要原因。在行程200 mm测量范围内,传感器误差峰峰值为400nm。实验结果验证了理论分析的正确性,该分析为传感器结构参数优化和实验方法的改进提供了有力的支撑,为进一步提升传感器精度提供了可靠的理论依据。

基于TDC-GP2的高速时栅位移传感器信号处理系统的研究

随着时栅位移传感器的产业化发展，高速测量需求的趋势日益凸显，提出了一种基于TDC-GP2的时栅位移传感器信号处理系统。该系统采用STM32F4和AD9958产生时栅位移传感器所需的高稳定、高精度励磁信号，采用高分辨率TDC-GP2数字时钟转换器来测量传感器动、定测头的感应信号相位时间差，将测量结果送入微处理器中处理，以此到达以时间测量空间的目的。经实验表明：48对极时栅传感器整周（0～360°）的误差达到±2.3°，该方案优化了电路结构，提高了时栅位移传感器的测量精度。

单交变光场余弦透光面集成化时栅传感器研究

针对现有多光场时栅传感器体积大难以集成、光源一致性难控制以及安装误差影响大等问题,提出一种单光场余弦透光面的时栅位移测量方法。该方法采用单交变光场、连续余弦透光面合成电行波信号,从而实现高精度直线位移测量。文中介绍了多光场时栅缺点、单光场时栅的测量原理和集成化设计,并通过仿真和实验验证了连续余弦透光面优化的有效性。完成了光电传感和接收的集成化样机研制和实验平台的搭建。实验结果表明:在100 mm量程内用0.6 mm栅距实现了±0.2μm测量精度。

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。

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。

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。

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。

基于超声波技术的温度传感器设计

超声波检测技术的运用,使温度测量具有速度快、准确及测量范围大等优点。利用超声波在介质中的传播速度随温度变化而变化的特性,以带有NIOS软核的FPGA作为硬件电路控制核心,实现高速实时的数据采集,同时采用软件细分插补算法,实现超声波传播时间的精确测量。经过理论推导和实验,设计的超声波温度传感器能够实现高精度高分辨率的温度测量,传播时间达到ns级,分辨率优于0.001℃.

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。

基于多传感器组合的环面蜗杆误差检测仪设计

针对齿轮、环面蜗杆等零件加工精度不易测量的问题,提出了一种基于多传感器融合的三维测量系统,集成了直线光栅、时栅角位移传感器与霍尔传感器,通过坐标变换、贝叶斯数据融合、傅立叶级数拟合方法,以完成零件的三维测量。利用该方法完成了对环面蜗杆误差检测仪的开发,与传统的环面蜗杆检测仪相比,减低了成本,提高了整机的开发效率。

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。