时栅位移传感器的误差修正实用技术

针对时栅角位移传感器定子和转子的加工误差对测量精度的影响,利用多测头法分离出多次谐波成分并加以修正.根据场式时栅角位移传感器的误差特点,针对32对极场式时栅进行了理论分析,分离并消除64次及64的整数倍次以外的谐波分量.定子和转子线槽的分度误差被修正以后,时栅角位移传感器测量精度达到了2′的预定指标.     

时栅传感器直驱式误差自动标定与修正系统

针对研制时栅位移传感器过程中的误差标定环节,常规光栅传感器精度不满足要求的问题,采用激光干涉仪作为误差标定基准,自主研制了基于激光干涉仪的直驱式时栅角位移传感器误差自动标定与修正系统。利用时栅角位移传感器的多测头结构与误差曲线等间距周期性分布的特性,以一个对极的误差曲线重构传感器整周的误差曲线,采用多项式拟合算法构建了时栅角位移传感器的误差修正模型。实验结果表明,误差自动标定与修正系统可以快速、准确地对时栅角位移传感器进行自动误差标定与修正,修正后的时栅角位移传感器的整周误差达到±0.43″。     

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。     

时栅位移传感器动态误差模型及修正算法研究

时栅位移传感器的动态测量的重要性日益凸显,提出了一种时栅位移传感器的动态误差修正模型。该模型以动生电动势和感生电动势为切入点,将转动模型等效为动测头单位绕组横截面直线运动模型,建立了转子转速与时栅位移传感器动测头感应信号之间的关系数学模型。实验验证以低速标定好的时栅位移传感器为基础,提高转子转速,运用该模型对时栅位移传感器采集的原始数据进行预处理,然后运用谐波修正对其进行动态误差修正。实验研究表明:采用该模型后72对极轴式时栅位移传感器转速为2 r/min的误差为±2.4″,转速为4 r/min的误差为±2.88″。     

典型位移传感器分类研究与时栅传感器特点分析

对现有广泛使用的主要位移传感器和全新原理的时栅位移传感器,按其测量基准、测量原理、数学模型和刻划媒介等方面的不同进行了科学分类,分析其间的联系与差别、优势与不足、各自适用的场合等技术特征。介绍时栅在测量原理上的先进性,经权威部门——中国测试技术研究院检定:目前圆式、直线式时栅的测量精度分别达到±0.8″、±0.5μm/m,分辨力分别达到0.1″、0.1μm。为了使时栅的测量精度向纳米级测量精度迈进,对基于电场和光场原理的纳米时栅进行了分析。另外对时栅的衍生技术-寄生式时栅及其在极端特殊环境下的应用前景进行了简单介绍。     

精密时栅位移传感器研究

根据现有栅式位移传感器存在的分辨率不高、抗干扰力不强等不足而开展了这项研究.提出"用时间测量空间"的新方法,介绍了由此思想而设计的一种全新原理的传感器--"时栅"位移传感器.     

高分辨率差线栅位移传感器研究

对提出的差线栅位移传感器进行了介绍,其发明思想来源于游标卡尺的细分原理。它利用相对运动的两套标尺刻线数之差,在相同刻线条件下,在栅线之间形成了更多的物理量变化特点,得到更多的原始脉冲信号,等效于脉冲倍频或插值,达到提高分辨率的目的。介绍了这种传感器的设计思想、工作原理、波形分析、精度分析和样机试验效果等。传统的栅线刻制时只要求均匀,而研究结果证明,差线栅刻线的粗细、稀密,差线数大小将直接影响信号的多少、大小、波形和精度,因此将对传统的栅式位移传感器技术产生重要影响。     

基于多读数头位移传感器误差自修正的研究

目前栅式位移传感器主要有光栅、容栅、球栅、感应同步器、旋转变压器、时栅等,提高其精度一般通过增加栅线密度和读数头数量来实现,或者依靠高精度母仪来检测和修正误差,但是这种方式对传感器的加工和安装要求高,或者传感器精度长时间保持性差。本文针对上述问题,提出了基于等差相位构建正交信号、实现多读数头测量、误差特征参数自辨识和误差自修正的新方法,该方法不增加加工和安装难度,定子和转子的槽数接近,多读数头有机集成在同一个定子,使读数头的一致性好。实验结果表明:基于等差相位构建多读数头误差成分少,通过多读数头误差特征参数自辨识和误差自修正后,传感器的误差可达到±1.9″。     

基于LabVIEW的场式直线时栅位移传感器误差曲线拟合

提出了一种基于LabVIEW的传感器误差修正和补偿的方法,将其应用于时栅位移传感器研究,在Lab-VIEW环境中实现了时栅位移传感器测量的误差曲线分析和拟合算法,提高了传感器精度。     

基于Matlab的时栅位移传感器的误差曲线分析与拟合研究

提出了一种基于Matlab傅立叶算法的传感器误差修正和补偿方法,将其应用于时栅位移传感器研究,借助于Matlab强大的计算功能实现时栅位移传感器测量的误差曲线分析和拟合算法,用低精度的机械加工实现高精度的传感器制造。     

变耦型时栅位移传感器理论模型与误差研究

针对现有高精度位移传感器栅距小导致对制造和使用环境要求苛刻的问题,提出一种采用高频时钟脉冲作为测量基准,可在大极距条件下实现高精度、大量程直线位移测量的变耦型时栅位移传感器。传感器通过在交变电磁场中改变励磁线圈和磁场拾取线圈的耦合状态建立以时间差反映位移变化的行波信号,实现精密位移测量。通过有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真,根据仿真结果得到传感器仿真模型的测量误差,并对其进行了谐波分析;根据误差特点和变化规律对主要误差进行了溯源,并对模型进行了优化。根据优化模型制作了传感器实物,开展了验证实验。实验结果表明:根据仿真结果对传感器进行优化设计,在200 mm的测量范围内,传感器精度达到±500 nm,且系统成本低廉,极易制造。为时栅位移传感器在恶劣环境中的应用提供了解决方案和理论依据。     

图像式角位移测量的光栅偏心度监测系统

图像式角位移测量装置中,光栅的安装偏心标定结果直接影响着角位移测量的精度。为此,本文设计了一种用于调试图像式角位移测量装置光栅偏心度的系统。首先,根据图像式角位移测量机理,提出了基于线阵图像传感器的标定光栅偏心度监测原理;然后,在图像传感器上建立了偏心调试监测信号的模型,并提出存在偏心时偏心监测信号的变化机理;最后,对某型号角位移测量装置进行了实验,并给出了调试建议。实验表明,经过调节误差均方差由1017″降低到12.8″。本文设计的偏心监测系统能够实现对标定光栅的高精度安装调试,提高了图像式角位移测量装置的批量生产效率。     

交变光场时空耦合型位移测量系统的研制

针对现有光栅精密刻划加工难度大制约测量精度的问题,设计了一种以交变光场为测量媒介的时空耦合线性位移测量系统。该测量系统利用四路正交的交变光场与四组正交的正弦透光面调制耦合形成电行波信号实现高精度位移测量。在对测量系统测量原理分析的基础上,建立了该系统的理论模型和误差模型,通过仿真详细分析了该系统在时间相位不正交、空间相位不正交以及结构安装不平行时的误差规律。开展实验验证了一次、二次和四次谐波的产生原因,根据误差来源改进了测量装置的结构,优化了相应的参数。实验结果表明:在180mm测量范围内,用栅距0.6mm的测量系统实现了±0.4μm的测量精度。该测量系统规避了现有光栅精密刻划的问题,结构简单、安装方便,为光学位移测量提供了新思路。     

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。     

时栅数控转台空间回转位置预测方法研究

时栅传感器利用时空变换技术将空域信息变换到时域,以时间测量空间位移.为了研制高精度时栅数控转台,减少动态位置反馈误差,提出了一种回转位置预测测量新方法,利用时空变换技术将时域信息返回到空域.利用时间序列理论对时栅测量值进行建模,从而预测出数控转台未来一段时间内的位置值,并利用当前测量值对前一次的预测误差进行实时修正.介绍了测量数据建模方法和预测系数估计算法.为了验证位置预测方法的有效性,设计了一套动态实验系统.实践证明,数控转台的角位移预测误差为±2″,实现了精密位置预测.     

基于 AKF 滤波器的时栅角位移动态误差抑制方法

动态测量下的谐波误差成分是制约高精度、高分辨率的时栅角位移传感器在动态测量领域运用的主要原因之一。针对动态测量下时栅角位移传感器中的谐波抑制难题,首先简述了时栅角位移传感器的系统模型,其次建立了时栅角位移传感器的动态误差数学模型,之后解释了传感器的动态误差产生机理,阐述了自适应卡尔曼滤波的基本原理,最后构建了基于自适应卡尔曼滤波的时栅角位移传感器的动态误差抑制模型。通过仿真分析证明了时栅角位移传感器在匀速和变速运行情况下,经自适应卡尔曼滤波后,动态误差均降低了约70%,且随着传感器转速的提高,对谐波误差的抑制效果越明显。在实验运用中,该滤波算法对时栅角位移传感器的测量值有很好的实时预测性,传感器能够更快速且稳定运行,在100 r/min的转速下测量误差降低约80%。结果证实了自适应卡尔曼滤波在时栅角位移传感器的动态谐波误差抑制中有着显著的作用,能极大地提高传感器的动态测量精度。     

基于数字锁相放大的时栅传感器信号处理研究

针对时栅位移传感器对信号噪声和插补时钟频率稳定性敏感及需要时钟频率高的问题,提出了一种基于数字锁相放大技术的时栅位移传感器信号处理方法。该方法用STM32F4微处理器同步产生激励信号和采集时栅输出信号,不需采集正交参考信号,将正交参考信号和输出信号送入正交矢量型数字锁相放大器,实现角位移检测。研究了基于数字锁相放大技术的时栅传感器信号处理原理和算法,设计了A/D采集电路和窄带低通数字滤波器。仿真和试验表明:在信号噪声较大条件下,时栅位移传感器的误差控制在±1.1″以内,显著提高了精度。该方法只需采集一路感应信号即可实现传感器角位移检测,优化和简化了电路结构。     

星载光学遥感器调焦机构的设计

介绍了一种用于某星载光学遥感器的调焦机构设计，采用谐波减速器和滚珠丝杠、直线导轨配合使用的方案，弥补了传统调焦结构的不足；通过对调焦负载阻力矩的分析选择相应的电机，计算了该调焦机构的理论分辨率为0.43μm；并将该机构随同整机进行了力学环境模拟试验，对其力学环境试验前后的调焦精度进行了对比，其试验前后直线偏角均小于20″，位移误差均小于5μm，满足使用要求。试验结果表明，该空间调焦机构具有结构紧凑、刚度高、位移精度好等特点，能够满足空间调焦的设计要求。