基于平面线圈线阵的直线时栅位移传感器

针对现有磁场式直线时栅位移传感器行波磁场产生过程中,齿槽的存在影响行波磁场的匀速性,提出基于平面线圈线阵的直线时栅位移传感器。无齿槽的结构形式提高了行波磁场的匀速性,可实现大极距下的高精度测量。传感器将施加正交信号的两相励磁线圈相间排列形成平面线圈线阵,产生的行波磁场通过磁场拾取线圈感应出电行波信号,处理后得到位移量。通过电磁场分析软件对传感器进行建模仿真,根据仿真结果得到测量误差;通过理论分析对测量误差进行分析溯源,并根据分析结果对传感器结构进行优化。基于分析和优化结果研制出传感器样机,并进行了精度实验。实验表明,传感器在240 mm内测量精度为±1μm,实现了精密测量。     

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% 。     

一种离散阵列的平面二维电场式时栅位移传感器

针对平面二维光栅位移测量技术在高精度和大量程之间难以兼顾的现状,基于前期一维电场式时栅的研究基础,提出了一种离散阵列结构的二维电场式时栅位移传感器。传感器采用平面正交离散栅面空间排布的编码方法,实现了对平面二维电场式时栅激励电极编码;建立了平面二维电场式时栅位移测量模型,从理论上推导了受X和Y两个方向位移信息调制的耦合信号表达式;提出了一种二维位移测量信号直接解耦方法,利用差动感应电极空间位置关系,通过简单的加减运算实现了测量信号的解耦。使用PCB工艺制造了传感器样机并进行了性能测试,验证了提出的编码和解耦方法的可行性。最终结果表明,所提出的传感器在160 mm×160 mm测量范围内,X和Y方向测量误差峰峰值分别为13.1μm和11.8μm。     

寄生式时栅位移传感器测量原理与结构优化*

大型机床在实现全闭环数控过程中,现有测量方法存在回转工作台无法同轴安装角编码器、安装要求高、精度无法保证等方面问题,本文提出一种适用于大型、中空回转工作台角度测量的寄生式时栅位移传感器。传感器通过在两路空间正交的励磁线圈中通入两相时间正交的励磁信号,利用磁导调制方法得到相位差直接反映空间转角的电行波信号,从而实现精密角位移测量。建立由4个传感单元组成的传感器模型,采用电磁场有限元仿真软件建模并仿真,对仿真结果进行误差分析和溯源;根据分析结果对传感器进行结构优化并仿真验证;根据优化模型制作传感器实物,搭建试验台进行实验验证。实验结果表明,在整周范围内传感器测量精度达到±2″,实现了高精度测量,为寄生式时栅的进一步开发应用提供了理论依据。     

电涡流式微量电子天平的研究

一、引言目前使用的微量、超微量电子天平以磁悬浮式的最为典型,用得也最多,这种天平的电磁补偿式力矩发生器包含磁钢、恒磁回路体、电磁力平衡运动线圈等,同时配有诸如光电式位移传感器之类的平衡位置指示器;无论是补偿式力矩发生器还是位移传感器,其本身都是一套精密的机构。本文提出的一种电磁涡流式微量电子天平,实质上是同时利用电涡流传感器的电磁力学特性和频率位移特性,由电涡流传感器探测线圈与一平面导体组成的系统,同时兼作补偿式力矩发生器和平衡位置指示器,机械结构极其简单,因此,由机械结构引起之误差小,重复性好,可望提高微量电子天平的灵敏度和精度。二、理论分析当电涡流传感器探测线圈靠近一薄平面良导体时,导体面上被激起之电涡流与探测线圈间存在一相斥的电磁力,同时亦构成一典型之位移传感器。如图1所示,设线圈中心与平面     

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。     

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%。     

磁栅式防水数显卡尺的设计

针对电容传感器对介质介电常数敏感,无法工作在液体环境下的缺点,提出了一种基于磁敏电阻的的栅式位移传感器设计方案,并设计了相应的位移传感器,给出了相关电路结构和机械结构,实现了电路集成。经理论和实验证明:该传感器具有较高的测量灵敏度和分辨率、较大的测量范围以及良好的防水性能。     

可抑制端部效应的平面磁场式直线时栅位移传感器

针对前期研制平面磁场式直线时栅位移传感器存在的端部效应致使匀速运动坐标系均匀度降低的问题,提出了一种抑制平面线圈端部效应的方法,构建均匀性更高的交变磁场,并研制出了一种可抑制端部效应的新型平面直线时栅位移传感器。建立了平面线圈励磁数学模型,分析端部效应对均匀磁场的影响程度,提出了双层互补式激励线圈结构抑制端部效应方案;建立了新型平面直线时栅位移测量模型,采用空间正交的双列激励单元,实现了行波信号的合成并通过仿真验证了方案的有效性;建立了仿真模型,分析端部效应对传感器测量精度的影响,并优化传感器参数;基于PCB工艺制造了量程为228 mm的新型传感器样机并与传统传感器样机展开了对比实验,实验结果表明,新型平面直线时栅位移传感器能够有效地抑制传感器的端部效应,提高测量精度,传感器对极内原始测量精度从±20μm提高到±10μm。     

基于d-q变换的时栅位移传感器补偿算法研究

时栅位移传感器是一种新型的栅式位移传感器,它不依赖于空间等分性,通过对时间脉冲进行计数而间接实现位移测量,从而达到高精度测量。介绍了传感器信号变形的原因,将非理想信号分为幅度不均、相位偏移、谐波叠加、波形变形四大类;针对幅度不均的情况,将电机学中的d-q变换引入误差分析,推导出其对寄生式时栅位移传感的误差影响;同时在d-q变换原理的视角下重新审视了时栅传感器的测量过程。提出了一种基于变换空间下的误差补偿算法,d轴的差分项与q轴误差项变化趋势一致,利用变化规律对测量误差进行实时修正。在安装有寄生式时栅位移传感器的实验台上进行了实验并获取到不同情况下的误差曲线,实验结果表明,该补偿算法可以消除幅度不均带来的二次误差,误差压制量达到90%。这种算法完全利用信号本身的特性,无需复杂的运算,将误差部分进行了补偿达到了比较理想的效果,对于寄生式时栅位移传感器的实际应用具有重要意义。     

差动结构的平面二维时栅位移传感器

为了解决采用两套高精度一维传感、装置测量二维位移时存在的测量系统复杂、检测同步性难保证和解耦运算复杂等问题，提出了一种基于差动结构的二维感应信号直接解耦方法，用于研究一种平面线圈型二维时栅位移传感器。立足于传统电磁式时栅技术，构建了二维位移直接解耦测量模型，并设计了传感器的基本结构。利用ANSYS Maxwell 建立了传感器三维结构模型并进行了电磁仿真，并对仿真结果进行误差分析和溯源。基于此研制了传感器样机并进行了实验。实验结果表明：样机在79.2 mm×79.2 mm测量范围内，X方向误差为91 μm，Y方向误差为74 μm，可实现二维位移同步检测和直接解耦测量，且测量系统结构简单、体积小，对研究更高性能的二维时栅具有重要参考价值。     

增量式时栅位移传感器原理及试验研究

介绍了一种新型的增量式时栅位移传感器原理。通过设计传感器信号处理电路实现了其从原理到试验的转变,并且在增量式时栅位移传感器原理试验台上进行了测量试验。在分析测量数据的基础上验证了增量式时栅位移传感器原理的可行性。     

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。     

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%。     

电感式角位移传感器技术综述

电感式角位移传感器具有良好的环境适应力、较高的测量精度和稳定性的优点,该类型的角位移传感器广泛应用于高 端装备、电动汽车、机器人、飞行器、武器等领域。 本文介绍了 3 种电感式角位移传感器,包括旋转变压器、感应同步器这两种典 型的电感式角位移传感器以及我国学者自主研发的磁场式时栅位移传感器。 对它们的测量原理及关键技术做了详尽的综述, 并分析了这些技术的优点与局限性。 根据近年来电感式角位移传感器的发展现状,详细论述了电感式角位移传感器在机械、汽 车、工业机器人、航空、航天和国防等领域的应用情况。 最后,分析得出电感式角位移传感器技术应往高精度、高可靠性、嵌入式 测量、复合功能测量、智能化等方向发展。     

基于谐波修正法的高精度时栅位移传感器

在时栅位移传感器的研制开发过程中，为了用低精度的机械加工实现高精度的测量，提出了一种对传感器误差进行修正和补偿的方法——谐波修正法。该方法和FFT方法不同之处在于：它不是用于对测量结果事后的分析，而是用于传感器设计之前和制造之中。实践证明，此方法使用后使传感器精度得以大幅度提高，具有广泛的应用前景。     

漏磁传感器励磁结构影响因素分析及优化设计

漏磁检测中励磁结构的磁化能力是影响漏磁传感器缺陷检测能力的一个重要因素。根据交流漏磁检测原理,建立二维漏磁检测参数化有限元仿真模型,研究磁心的形状和尺寸、励磁线圈的位置和绕组长度、磁屏蔽层厚度等励磁结构参数对漏磁检测信号的影响。同时,将参数化有限元分析与遗传优化算法相结合,发展一种励磁结构尺寸参数的有限元模拟遗传优化设计方法,实现了漏磁传感器中磁极间距与磁极宽度等关键尺寸的优化。仿真及检测试验结果表明,传感器的励磁结构参数对漏磁检测结果具有很大影响,优化后的励磁结构可有效提高漏磁传感器的缺陷检测性能。提出的基于参数化有限元的遗传优化方法为漏磁检测中其余影响参数的优化提供了可行的参考方法。     

电涡流传感器的脉冲激励与双参数检测

采用矩形脉冲作为激励信号,对电涡流传感器在位移检测过程中谐振频率及谐振阻尼的变化情况进行了研究分析.建立了以现场可编程门阵列(FPGA)为核心芯片的检测系统,用于产生所需要的矩形脉冲激励信号以及对传感器响应信号的欠采样.利用8 mm直径的电涡流线圈,对0～10 mm范围内碳钢目标靶的位移响应特性进行了测量,借助短时傅里叶变换分析了响应信号中频率成分的分布情况,同时获得了谐振频率及谐振阻尼的测量值.验证了通过脉冲激励同时获取电涡流传感器双参数检测的可行性.为研制基于电涡流效应的位移传感器及无损探伤传感器提供了一种新思路.