时栅动态性能在线检测系统研究

目前,时栅性能检测方法中并没有将时栅反馈到控制系统中,处于一种离线的工作模式,无法反映工作状态下的动态性能指标。为了弥补现有检测方法的不足,提出以时栅作为直驱电机反馈元件,以光栅为基准元件,以FPGA为数据采集卡核心器件采集动态数据,设计了一种时栅动态性能在线检测系统,并阐述了检测原理及软硬件设计,成功检测出时栅在线工作状态下的关键动态性能指标。实验结果表明:系统检测能反映时栅在线工作状态下的真实情况,可为进一步提升时栅的性能提供有效的检测手段。

用于极端和特殊条件下机械传动误差检测的寄生式时栅研究

针对高速、重载、超大等极端条件和中空、狭窄、限重等一些不能安装普通传感器的特殊条件下的全闭环精密测量与精密控制问题,沿袭前期时栅传感器研究基础,提出一种将被测齿轮与传感器融汇一体的新方法。采用非接触、密封的离散测头线圈直接把被测齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条、丝杠等当作均匀分度的"齿栅",作为新检测方法的行波产生器件,再用时钟脉冲作为位移精密测量的基准。另外采用4对径离散测头消除除去4 n(n=1,2,3,…)次以外的各次谐波误差,保证寄生式时栅动态的位移测量精度,并从理论和实验上证明了该方法的正确性和有效性。这种寄生式时栅具有体积小、重量轻、成本低、抗强振动和抗强污染等显著特色,应用前景广泛。

复杂机电系统中的嵌入式位置检测新技术体系研究

复杂机电系统已步入智能化、集成化高速发展阶段,但其中最重要的位置精密检测技术却一直依赖外置传感器而无法实现与被测部件的有机融合。本研究尝试将一种全新的寄生式时栅传感技术应用于包含机械驱动、机械传动和机械运动全过程及其典型机电部件,从而构建一种嵌入式位置检测新技术的完整体系。这种技术充分利用被测部件自身具有的机械等分性(电动机绕线槽、齿轮等分齿、轴承均分钢球等)配合以时钟脉冲为位移测量基准的时栅传感器技术,具有一系列突出的产品化优势,有望发展成为一种无传感器位置检测系列化实用新技术。

绝对式纳米时栅传感器栅尺污染误差分析与抑制方法研究

针对服役状态下油污降低位移传感器精度和可靠性的问题,本文基于绝对式纳米时栅传感器,开展了栅尺油污污染误差分析与抑制方法研究。首先阐述了绝对式纳米时栅传感器测量原理;其次建立了栅尺油污污染的数学理论模型和电场仿真模型。通过理论和仿真分析表明:均匀油污污染对传感器没有影响,非均匀油污污染主要引入一次谐波误差,并且误差随着污染油污的厚度和宽度的增加而增加;最后搭建实验平台验证了以上理论分析的正确性。同时提出差动结构,有效抑制了一次谐波误差,提高了传感器抗污能力。研究油污造成的误差影响对提高传感器环境适应性有重要意义,同时也为提高传感器长期可靠性和增强环境适应性提供了理论基础。

面向自动驾驶的大模型对齐技术:综述

随着Transformer注意力机制的出现,以GPT为代表的通用基础大模型实现了智能的“涌现”,给自动驾驶迈向更高级别发展带来了曙光。受限于传统从头预训练方式需要大规模、高质量、多样性自动驾驶数据和高昂训练成本的困扰“,大模型+对齐技术”范式衍生。对齐技术作为通用基础大模型与自动驾驶之间的纽带,通过微调或提示工程等定制化方式,可高效、专业地解决自动驾驶领域内的工程性问题。对齐技术已是大模型在垂直领域发展的研究热点,但缺乏系统研究成果。基于此,本文首先对自动驾驶发展与大模型技术进行概述,从而衍生出对齐技术。然后,分别从微调和提示工程两个角度进行综述,系统化梳理并剖析各分类技术的结构或性能特点,同时给出实际的应用案例。最后,基于现有研究提出了对齐技术的研究挑战与发展趋势,为促进自动驾驶迈向更高级别发展提供参考。

基于课程建设培养学术研究生应用研究能力

以“现代传感技术”课程为例探讨仪器科学与技术专业研究生的应用能力培养方法。针对该课程教学内容宽、泛、浅,以及缺乏实践教学环节等不足,探索将教学团队的原创成果“时栅位移传感器”引入教学全过程,依托团队科学研究及成果转化基地作为实践教学平台,从仪器改造到仪器设计,再到仪器研制,分三步递进性实施实践教学内容。将理论知识与实践教学相整合,达到知识、能力、素质培养“三位一体”,提升学术型研究生的应用研究能力,达到良好的效果。

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。

基于检测单元的永磁同步直线电机位置检测新技术

针对目前复杂机电系统与位置检测技术无法在机械结构和电气功能上形成有效集成的矛盾,提出将永磁同步直线电机定子内周期性变化励磁作为空间位移测量载体,采用磁阻传感器结合时栅位移传感技术构建永磁同步直线电机内置式位置检测单元,通过感应的两路驻波合成行波信号,构建位置传感所需的运动参考系,建立空间位移和时间基准之间的关系。在不改变永磁同步直线电机原有机械结构和电气特性的基础上,可实现永磁同步直线电机在150 mm范围内-47.2~49.6μm的定位精度和0.15μm的测量分辨力。这种位移检测集成技术具有结构简单,成本低廉等优势,可替代一些中等精度光栅在复杂机电系统实现位移信息反馈,具有重要工程应用价值。

时栅动态测量误差建模与补偿技术研究

为提高时栅传感器动态测量精度,针对时栅的误差特点,提出对动态测量误差的周期性成分和随机性成分分别建模的思想。采用傅里叶级数逼近的方法对误差中的周期性成分进行建模,利用最小二乘方法对逼近模型参数进行寻优,选取比重较大的谐波参数对误差的周期性成分进行分离,对于分离后残留的随机性成分采用支持向量回归(Support vector regression,SVR)模型进行预测,利用交叉验证的方法对回归预测模型进行参数寻优和细化,选取最优的核函数参数g和惩罚因子C,使得残差均方达到最小。研发误差补偿系统,对时栅动态测量误差进行补偿。试验结果表明,运用该建模方法和模型,时栅传感器动态测量误差的峰峰值由38.2″降至3″,有效地降低了测量误差,大幅度提高了传感器的测量精度。

基于时间细分技术的高精度自动定位控制方法研究

针对采用步进电机进行微步驱动时易出现"爬行"和步距角过大的现象,提出了一种基于时间细分技术的高精度自动定位控制方法,并研制了相应的控制系统。该方法通过在每个电机步距运动时间内对反馈元件进行高频采样,实现了对步距的细分和对运动的闭环控制。控制系统采用嵌入式微处理器和现场可编程逻辑阵列构建,并与采用步进电机直接驱动滚珠丝杆的机械载物台进行联机测试。测试结果表明,系统可以控制步进电机在不进行高倍细分的条件下的精确定位,具有较高的应用价值。

基于TE检测与控制理论的插齿机分度精度提高方法研究

为提高数控插齿机YKD5132X3的分度精度,对插齿机的传动链进行传动误差检测。对数据进行分析后得知,分度误差主要误差源为工件工作台蜗轮副和刀架工作台蜗轮副。针对这两个误差源,使用课题组精化后的蜗轮母机对这两个蜗轮进行加工,并通过在线检测装置实现在线检测。蜗轮修正加工完成后,插齿机装配时,通过TE检测数据调整工件工作台蜗轮副的安装;替代了过去需要多次通过切齿后检测报告进行调整安装的方法,节省了安装时间并提高了安装精度。最后通过切齿验证,插齿机切齿精度由7级提升到了5级。

时栅位移传感器在传动误差检测系统中的应用研究

采用"时域信号、空域分析"的思想,将时栅位移传感器输出的按时采样的角位移传感器信号转换成按空间均分的角位移信号,实现了用时栅替代等空间采样的光栅作为检测元件应用于传动误差测量。搭建了试验装置,绘制了试验的传动误差曲线,由曲线频谱图,分析、确定了误差的主要产生环节。证明了用时栅代替光栅测量传动误差是行之有效的。该研究不仅实现了用成本低廉的时栅代替光栅,而且克服了课题组前期开发的传动误差测试系统的采样不稳定性和速率不同步性带来的误差。

结构参数约束下的磁场补偿式双层时栅角位移传感器研究

时栅角位移传感器广泛运用于数控机床、工业机器人等领域中的角度测量。针对双层时栅角位移传感器测量过程中时变磁场分布不对称问题,提出了一种磁场补偿驱动方案,该方案通过对双层平面线圈分层分幅值激励来提高时变磁场的对称性。首先建立了传感器时变磁场参数化数学模型,根据磁场补偿思路确定了两层激励信号幅值比与传感器结构参数的关系;然后构建了仿真模型,并搭建了传感器实验系统;最后,进行了原有驱动方案与磁场补偿式驱动方案的对比仿真与实验分析。仿真数据表明,磁场补偿驱动方案优化了磁场分布,有效地减小了传感器节距内互补位置的感应电动势幅值差,双层时栅角位移传感器节距内测量误差减小了37.4%;实验数据表明,磁场补偿驱动方案使节距内测量误差降低至(-20.8″,12.6″)。仿真与实验数据的对比验证了磁场补偿驱动方案的有效性。

基于双时栅的高速高精度蜗杆检测系统研究

文中提出一种基于双时栅位移传感器的高速高精度位移测量系统。通过建立蜗杆运动与测头运动的对应关系的模型和采用时间细分技术的高精度运动控制建立采样点实际坐标与下一采样点坐标之间的映射关系,实现环面蜗杆加工误差的在线高速高精度随动测量。该系统在15 r/min的转台转速下的重复定位精度达到5μm,对蜗杆误差进行测试得到的误差范围为-5.1″~4.2″。

互补式双层时栅角位移传感器研究

针对当前研制的双层时栅角位移传感器感应信号幅值小、时变磁场的均匀有效面积利用率低等问题,在原有“八”字形半正弦结构的基础上提出了一种双层互补式时栅角位移传感器设计方案。根据双层时栅位移传感器的特点,建立了其空间磁场分布模型,验证了双层时栅角位移传感器的互补式结构在构成行波上的优势;根据激励线圈的磁场分布规律进行建模,得到该参数状态下双层平面激励线圈的间距为0.235 mm。最后进行了有限元仿真分析和实验验证。仿真分析表明:采用互补式结构能有效增大感应信号强度,传感器的短周期误差峰峰值显著降低,能够有效抑制角度误差中的1次谐波和4次谐波。实验数据表明:传感器短周期原始误差为(-13.61″,13.30″),修正后误差为(-3.01″,0.78″);传感器长周期原始误差为(-19.60″,21.96″),修正后误差为(-2.62″,3.30″);相比单层“U”字形结构,1次误差减小了66.3%,4次误差减小了25.3%。

基于气隙磁场分层耦合的直线时栅位移传感器研究

针对前期研制的电磁式直线时栅位移传感器高信噪比和高时间插补分辨力难以兼顾的问题,设计了一种提高传感器信噪比的新传感器结构,另外提出了一种高信噪比、高时间插补分辨力的测量新方法,并研制了基于气隙磁场分层耦合的直线时栅位移传感器。建立传感器气隙磁场数学模型,分析气隙磁场空间分布特性,研究平面线圈气隙磁场分层耦合的原理;根据气隙磁场分层耦合原理,建立传感器气隙磁场分层耦合位移测量模型;对传感器测量模型进行电磁场仿真和误差分析;最后,搭建实验平台进行对传感器的性能进行测试。实验结果表明,采用气隙磁场分层耦合的结构提高了传感器的信噪比,传感器的测量精度在原有的基础上提高了31.4%;采用的高信噪比和高时间插补分辨力测量方法,传感器的测量精度在原有的基础上提高了37.3%。

时栅位移传感器在构造场中的耦合特性研究

为了进一步溯源时栅位移传感器磁场耦合过程引起的误差,对时栅位移传感器在构造场中的耦合特性进行研究,并研制了一种基于指数形平面线圈结构的新型直线时栅位移传感器。建立传感器工程构造磁场的数学模型,分析传感器耦合间隙对线圈耦合平面磁场分布的影响,研究不同形状平面线圈的耦合特性;根据传感器的耦合特性,构建了一种新型直线时栅位移传感器测量模型,对该模型进行了电磁场有限元仿真和仿真误差分析,得出该结构最佳感应间隙为0.4 mm;对传感器的结构误差进行了溯源分析,进一步优化传感器的结构;搭建实验平台,利用双层PCB绕线工艺加工传感器定尺和动尺,对优化前后的传感器样机开展对比实验。实验结果表明,设计的基于指数形平面线圈结构的新型直线时栅位移传感器可以有效抑制传感器的四次误差,新研制的传感器样机的原始测量精度在原有的基础上提高了45.8%。

液位-液压-温度同时检测光纤隔膜传感器

为了实现液位液压及温度三参数同时准确检测,本文首先采用光纤Bragg光栅(FBG)、弹性隔膜、微腔、FBG固定板及导气管构建了光纤隔膜传感器,搭建了测量系统。其次,建立了传感器测量理论模型,实验研究了传感器对液位、液压及温度的响应特性。最后,为了研究传感器对外界环境变化的抗干扰能力,实验研究了温度、倾角和液位动态变化速率对液位及液压测量结果产生的影响。研究结果表明:当液位变化速率为10~100 cm/min、传感器倾斜角度在-30°~30°范围、温度在20℃~60℃范围时,传感器输出信号与液位0~220 cm及液压0~22 kPa间具有线性关系,液位及液压测量结果不受液位变化速率、传感器倾角及温度变化的影响;传感器液位、液压及温度灵敏度分别为35.16 pm/cm、359.46 pm/kPa和10.07 pm/℃,最大相对误差为5.6%。

同结构近参数系统协同迭代学习控制算法研究

为提升一组同结构近参数系统的迭代学习控制效率,从突破传统迭代学习控制算法对系统参数严格的可重复性的要求的角度出发,提出一种协同迭代学习控制算法。建立了同结构近参数系统协同迭代学习控制问题的数学描述;形成同结构近参数系统协同迭代学习控制算法,在理论分析的基础上确定了收敛的协同控制量并建立其协同迭代控制律,进一步形成同结构近参数系统迭代学习控制算法;对建立的协同迭代学习控制算法进行仿真验证。结果表明:与传统迭代学习控制算法相比,协同迭代学习控制算法可在保证输出精度的基础上提升收敛速率,且以协同控制量作为初始控制量进行迭代,可进一步缩短迭代学习所需的次数和时间。

全局接地系统非线性参数迭代学习分析方法研究

为分析快速冲击作用下的全局接地系统中的电压、电流存在的复杂暂态特性,提出一种非线性参数的迭代学习分析方法。为此,首先建立了快速冲击作用下的全局接地系统非线性参数分析问题的数学描述;其次,分析不同的击穿前后电阻值对电压、电流参数的影响,进一步建立基于迭代学习算法思想的全局接地系统非线性参数的迭代学习分析方法,在跟踪实测电压、电流信号的过程中,对击穿前后电阻的阻值进行修正,从而获取击穿前后电阻阻值随时间变化的非线性关系;最后,对建立的迭代学习分析方法进行仿真验证。仿真结果表明:该方法经足够次迭代后,对电压、电流进行跟踪的最大相对误差分别为2.82%和6.97%,在一定程度上可实现对全局接地系统的时变非线性参数的分析。