基于驻波调制方法的新型时栅位移传感器

现有的时栅位移传感器利用三相电机绕组方式形成行波磁场,再通过切割磁力线感应出行波电场,最后通过比相得到位移量.为了摆脱时栅位移传感器的三相电机绕组方式,简化测量工作机理,进行了磁路分析并设计了新的机械结构,采用驻波调制方法直接得到行波电场.实验表明按该方法设计的传感器达到了较高的测量精度,简化了制作工艺,降低了成本,推进了时栅进一步发展.     

一种新型齿电式时栅位移传感器研究

提出一种可同时兼顾动态测量、静态测量的齿电式时栅传感器,这种传感器把定子分为上、中、下三层,在三层槽齿上分别绕有对称
的三相绕组,使传感器的极对数达到槽数的1/2,以达到用低等分的加工精度实现高精度测量的目的。实验结果表明,该齿电式时栅传感器精度达到2.1″,且成本低廉。
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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″。     

柱栅传感器定滑尺绕组连续化设计

柱栅是一种新型直线位移数字式传感器。柱栅传感器经过了柱栅概念样机的研制阶段，证实了其可行性。新颖的结构设计使得该传感器具有许多比标准型直线式感应同步器优越的特性。讨论了传统的直线式感应同步器的不足，着重介绍柱栅传感器样机绕组的结构设计与运行机理，对柱栅传感器的绕组结构提出了全连续化的改进。     

增量式光栅转化为绝对式时栅的理论方法与技术实现

分析了光栅、感应同步器和时栅3种典型传感器的原理和数学模型.找出它们在原理和技术上的共同之处,进而提出一种新的设计方案,从原理上证明可以将低精度低分辨力增量式光栅传感器,利用感应同步器的电行波产生原理,转换成为高精度高分辨力时栅传感器.设计实验平台进行了原理验证性实验,实验结果表明,利用时空正交驻波合成行波的方法可以实现将增量式光栅转化为绝对式时栅.最后对实验中影响行波质量的原因进行了分析,并提出了解决方法.     

精密数控分度转台的控制系统设计

融合了时栅传感器测量技术的高精度时栅分度转台,在实际应用过程中出现了因定位精度高,人工很难一次性准确分度定位。针对该问题,利用高性价比的ARM嵌入式处理器,设计开发了一套基于时栅分度转台的自动分度定位控制系统。该系统采用步进电机作为驱动装置,利用转台中嵌入的高精度时栅角位移传感器的角位移测量数据作为反馈,构成闭环控制,采用分段控制、逐步逼近的控制算法,达到高速、高精度分度定位的目的。实际应用表明:该控制系统的分度定位精度达到±2″。     

全连续绕组的柱栅传感器结构

根据柱栅的总体构思,提出了一种柱栅传感器绕组的全连续化结构设计方案.该方案采用圆柱面内外螺旋线方式制作定滑尺绕组,既可消除类似于感应同步器中分段绕组的端部效应影响,又能充分发挥螺旋线加工手段的技术优势,精度高、工艺简单、易于实施.同时,还描述了该全连续绕组的一种可行的实际结构.     

基于自补偿技术的时栅电流型激励信号源设计

三相激励信号源的相位对称性将直接影响时栅位移传感器性能,针对这一特点,设计了一种基于自补偿技术的电流型时栅三相激励信号源,该信号源采用直接数字频率合成技术产生三路正交的正弦信号,经相位自检和自修后,使三相激励信号源达到高稳定和高精度三相对称.实验表明该设计大大提高了时栅位移传感器的稳定性和测量精度.     

基于非线性磁场耦合的寄生式时栅位移测量方法

由于大型机床的回转工作台具有大型、中空、强冲击振动等特点,在闭环控制过程中无法安装传统角编码器,而现有检测方法具有安装要求高、精度无法保证等问题,提出一种利用与转台同轴刚性连接的蜗轮的齿槽等分特性实现角度测量的寄生式时栅测量方法。首先利用蜗轮蜗杆齿面坐标变换和啮合方程,建立蜗轮齿顶面数学模型;其次采用分段函数方法研究传感单元与蜗轮齿顶面磁场耦合面积变化,建立非线性磁场耦合条件下的位移传感理论模型。在特定蜗轮和传感器参数条件下,对传感器建模并进行有限元仿真。根据仿真结果修正理论模型,优化传感器结构并制作原理样机,搭建实验平台进行实验验证。实验结果表明,在整周范围内传感器静态测量误差峰峰值达到7″,为应用于非线性磁场耦合条件下的寄生式时栅位移传感器开发提供了理论依据。     

环形球栅扭矩测量原理研究

针对极端环境下扭矩测量国内外尚无较好测量方案的现状,提出一种新的环形球栅扭矩测量原理。采用特制的球栅圆环和专用的电磁检测器组成一种非接触式扭矩传感器,该传感器具有抗振、防水、防尘、防油并且高灵敏度的特性。然后介绍了基于环形球栅传感器的扭矩测量方法,即通过检测机械轴两端的环形球栅传感器所输出的正弦信号的相位差来检测扭矩的方法。并在LabVIEW平台下进行了扭矩的测量原理实验,其结果初步证实了环形球栅测量扭矩的可行性和可靠性。     

永磁伺服电机嵌入式位置检测理论及误差分析

针对现有的永磁伺服电机位置传感器存在成本高、体积大的缺点和新兴的无传感器技术计算复杂及依赖电机参数的不可靠性问题,提出了绕制时栅线圈检测电机转动位置的方法,但由于绕制时栅线圈检测的方法存在获取信号复杂、测量稳定性差以及线圈绕制不均匀增加误差的缺点,在此基础上,提出了一种基于隧道磁阻效应(TMR)和时栅技术的永磁伺服电机嵌入式位置检测新方法。在原理分析的基础上,根据行波表达式的理论推导,分析了单路和双路驻波幅值不相等所导致的误差规律,为检测结构的优化和进一步提高测量精度奠定基础。最后通过实验,验证了嵌入式位置检测理论分析的正确性以及检测方案的优越性,所提出方法的检测精度较绕制时栅线圈的检测方法提高了3倍,稳定性提高了5倍。     

提高嵌入式时栅传感器精度的测头设计方法

为了提高嵌入式时栅传感器的测量精度,结合传感器自身的特点,从布置方式和数据处理方式两方面设计了特殊的测头结构。首先利用谐波分析确定传感器误差的主要频次,然后分别针对长短周期的误差采用多组测头对径和间隔特定空间角度的测头布置方式,测头之间采用数字量相加的数据处理方式,最后通过实验验证了这种测头结构和数据处理方式的有效性。结果表明,与单测头结构相比,这种方式将长周期误差降低了75%,短周期误差降低了83.6%,更有效地提高了嵌入式时栅传感器的测量精度。     

基于时空转换的精密位移测量新方法与传统方法的比较

回顾了时栅位移传感器原理和传统精密位移测量原理，通过比较其间细微而本质的区别，可加深对时空坐标转换方法的理解和对时栅位移传感器优势的认识。     

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.     

嵌入式时栅角位移传感器短周期误差分析与补偿

为提高嵌入式时栅角位移传感器测量精度,从传感信号形成机理出发,对短周期误差成因进行了详细分析。通过对绕组等效分析和激励信号分析,确定了短周期误差的主要特性为一次和二次误差,一次误差来源为零点残余误差和直流分量误差,二次误差来源为激励信号正交误差。针对短周期误差补偿,提出了基于超限学习机的误差补偿方法,通过对测量值与真实值样本的训练得到模型最优参数,根据模型参数建立短周期误差模型,利用所得误差模型实现对短周期误差的补偿。实验结果表明,短周期误差分析结果与传感器实际误差特性一致,采用该补偿方法传感器短周期误差大幅度降低,降低了约96%。对比和重复性实验表明,该方法与谐波补偿法相比精度提高了约1倍,误差补偿效果更优,同时方法具有良好的测量稳定性,对提高嵌入式时栅角位移传感器的测量精度具有重要的理论和现实意义。     

寄生式时栅传感器动态测量误差的贝叶斯建模

为了提高寄生式时栅传感器的测量精度,分析了它的工作原理和动态误差组成,得到其主要误差分量为常值误差、周期误差和随机误差等。针对寄生式时栅误差特点,建立了寄生式时栅动态误差高精度预测模型,并与其他建模方法进行了比较。选用插入标准值的贝叶斯预测模型,以实际测量的传感器第一个对极动态误差数据进行建模,在后续对极特定位置插入部分实际误差测量数据,建立误差预测模型,预测了传感器后83个对极的动态误差。另选用三次样条插值和BP神经网络建模方法对寄生式时栅整圈动态误差建模,并与建立的误差模型进行了对比。验证实验表明,三次样条插值建模时间最短(0.62s),但其建模精度不高(16.050 0″);贝叶斯动态模型建模时间(0.86s)略长于三次样条插值,但建模精度最高(0.415 3″);BP神经网络建模时间最长(32min),但建模精度最低(19.680 2″)。同时贝叶斯插入标准值建模方法所需数据点(69395个)远少于三次样条和BP神经网络建模数据点(235526个),节省了大量的标定时间和建模数据量,因此可用于寄生式时栅传感器的动态测量误差高精度建模修正。     

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。