基于DSP和FPGA的间隙测量系统的设计与应用

中低速磁浮列车的悬浮控制需要准确可靠的间隙测量传感器作为保证。对于中低速磁浮列车,提出了一种磁浮列车与悬浮轨道间隙测量的数字化方法。利用DSP和FPGA在数字信号处理方面的优势,对用于测量的间隙传感器和加速度传感器的模拟信号输出进行数字化处理,提高了悬浮控制系统反馈回路的信号质量,使信号的抗干扰能力增强,有利于保证控制系统控制策略的正确实现。目前,该系统已应用于中低速磁浮列车的悬浮控制。     

压电驱动的超声悬浮精密轴承静动态承载特性

为研究超声悬浮轴承的静、动态承载特性,设计了一种压电陶瓷驱动的全包围结构超声悬浮轴承。分析了气体挤压膜润滑承载机理,在等温隔热条件下,根据牛顿流体的气体动力学理论,建立了描述轴承启动阶段及支撑回转体稳定旋转阶段气膜压力的静、动态雷诺方程。采用有限差分法并利用MATLAB自定义函数的功能,对超声悬浮轴承的静态及动态承载力进行了数值计算。为验证理论计算的正确性,通过轴承样机自悬浮实验验证轴承悬浮特性的理论计算结果,得出在其谐振频率下,相同结构尺寸及悬浮参数的轴承静态承载力理论计算值与测量值之间的误差为8.33%;在挤压数为100,2～5μm合理初始间隙下,动态悬浮力理论计算值与实验测量值相吻合。考虑样机结构特性引起的能量转换误差及实验环境因素影响,误差在合理允许范围之内,验证了理论分析及计算的正确性,对超声悬浮轴承的理论研究及设计具有一定的指导意义。     

高速磁悬浮列车悬浮间隙信号处理研究

齿槽效应是高速磁浮列车悬浮控制系统悬浮间隙检测面临的一个特殊的问题,它直接影响悬浮控制系统的性能.为减弱齿槽效应,建立了高速磁悬浮列车间隙传感器齿槽效应的模型,提出了利用相邻传感器的数据融合来抑制齿槽效应的方法,并通过两种补偿算法对悬浮间隙传感器的齿槽效应进行补偿.实验结果表明,经过补偿后的传感器输出信号能够满足悬浮控制系统的要求.     

谐振膜式密度传感器

设计了一种基于谐振理论的新型振膜式液体密度传感器,实现了液体密度的实时在线测量.谐振膜式密度传感器由谐振膜、激励单元、拾振单元和闭环控制电路与检测电路组成.传感器利用谐振膜与不同密度液体接触,液体密度与谐振膜等效质量具有相关性,而谐振膜等效质量的变化直接影响谐振膜的谐振频率,依靠检测谐振膜谐振频率来实时液体的密度测量.这种谐振膜式密度传感器制作工艺简单、信号稳定、测量精度较高.实验结果表明:谐振膜式密度传感器具有较高的重复性、灵敏度和测量精度,满足实时在线测量的要求.     

非接触式表面电势测量的MEMS微型静电压仪

针对工业中的表面电势测量应用,研制了一种新型的基于微机械加工技术(MEMS技术)的微型静电压仪.为了提高器件的信噪比和灵敏度,传感器敏感结构基于谐振式工作原理,并采用差分激励和差分敏感的结构设计.基于高速数字芯片和数字信号处理技术,研制了传感器的数字化检测系统原理样机.该传感器可实现非接触式表面电势测量,在距离目标表面20 mm位置,该传感器最小分辨电压优于10 V,精度优于10%.文中还进行了摩擦泡沫表面电势的测量,试验结果表明:该传感器可反映表面电势的变化和电荷衰减.     

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%。     

气体挤压膜承载能力的实验研究

设计实验对气体挤压膜的承载能力进行验证与分析,包括激振装置的设计以及对气体挤压膜产生的承载力和悬浮物体高度的测量.通过电阻应变测量方法设计了一种传感器对气膜承载力进行测量,气膜悬浮物体的高度则通过高精度位移传感器进行测量.实验结果表明气体挤压膜具有较大的承载能力,承载能力取决于激振振幅、悬浮盘表面积等.调节激振频率使得压电陶瓷处于谐振状态,并且尽可能的增大激励电压可以提升激振盘的振幅从而最大化气体挤压膜的承载能力.     

基于圆柱谐振腔的射频接近传感器的研究

为满足接近距离的高精度测量要求,设计了一种采用圆柱谐振腔测量物体接近距离的新型传感器.给出了腔中E011谐振模的电磁场,导出了接近距离计算公式;讨论了谐振腔几何尺寸与工作频率之间的关系;建立了传感器系统模型.仿真结果表明精度达1 μm.该传感器不受温度、湿度、尘埃等环境因素影响,允许多个传感器安装在一起而彼此互不影响.可用于摩擦搅拌焊接机器人、汽车轴承套内外间隙监测,厚度测量等领域.     

超声传感器特性参数测量

针对超声PT(process tomography)成像所使用的压电传感器应与激励源阻抗匹配的要求,采用导纳圆方法,剖析了压电传感器振子的谐振频率特性.自制水声收、发两用压电传感器,并采用相位跟踪法,设计了传感器参数测量电路.参数测量结果表明:当传感器振子处于自由状态下,其谐振频率和反谐振频率较低;处于夹持状态下,传感器谐振频率和反谐振频率较高,反谐振等效电阻阻值明显增加,达到12 kΩ.     

一种双边传感型电磁感应式直线位移传感器

由于现有直线位移传感器的动尺一般只在定尺一侧安装,所以传感器的测量性能不免受动尺与定尺间的间隙变化、平行度差等装配问题的影响。为了使传感器达到较高的测量性能,传感器的安装和运行轨迹往往需要满足苛刻的要求。针对该问题,文中开展了一种双边传感型电磁感应式直线位移传感器的研究。该传感器采用2个动尺实现了双边同时传感,以求减弱装配问题对传感器测量性能的影响。介绍了传感器的仿真实验和样机实验。仿真实验结果显示,双边传感型传感器输出的信号质量明显优于单边传感型传感器。样机的实验结果显示,传感器在双边结构下的测量误差比单边结构下小40%。文中提出的双边传感结构不仅弥补了单边传感结构的不足,而且为直线位移传感器的研究提供了一种新思路。     

A novel parallel sensor with six rigid compliant limbs for measuring six- component force/torque

A novel parallel sensor with six rigid/compliant hybrid limbs and six standard force sensors is developed for measuring the six-component force/torque. The measuring theory and performances are studied. A prototype of the robot hybrid hands with the parallel sensor is developed. A prototype of the parallel sensor is built up and its merits and performances are analyzed. A statics equation among the forces of the standard force sensors and the whole external load and a stiffness model of the parallel sensor are established based on its equivalent parallel mechanism. The force/torque of the parallel sensor is measured under the given external load. The theoretical solutions of the statics model of the parallel sensor are obtained and verified by both the experimental measuring solutions of the prototype of the parallel sensor and the simulation solutions of a FE model.

     

单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器

在双排结构纳米时栅位移传感器的研究基础上,提出了一种单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器。通过直接构造一个匀速运动的交变电场来产生行波信号,解决了双排结构所具有的串扰问题和安装问题;采用差动感应极片来拾取信号,可有效地消除共模干扰。用微纳加工工艺制作了一种多层薄膜的单排差动结构的纳米时栅传感器样机并进行了性能测试,最终在200 mm的量程范围内取得了±150 nm的测量精度。对比双排结构的纳米时栅传感器,这种新型的纳米时栅传感器测量精度、信号稳定性及抗干扰能力得到明显的提高,并且在尺寸减小的同时拓展了有效量程,因此在产品化的过程中更具有应用前景。     

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。     

一种差动压磁式扭矩传感器的研究与设计

为提高压磁式扭矩传感器的测试精度和灵敏度，设计了一种三磁极差动式压磁扭矩传感器。论述了这种传感器的工作原理并导出了其感应电压输出方程和电流灵敏度计算式。通过试验，分析了传感器励磁电流强度、频率以及测试磁隙等对其输出特性的影响，也证明了这种传感器比传统交叉铁心压磁式扭矩传感器有更高的测试精度和灵敏度。     

寄生式时栅安装误差对传感器测量精度的影响

为了提高寄生式时栅行波信号的质量和传感器的测角精度,研究了离散式测头安装误差对传感器测角精度的影响。介绍了寄生式时栅的结构组成和工作原理,建立了三维仿真模型,应用Ansoft Maxwell仿真软件对测头与转子不同间隙、测头的俯仰角和偏摆角大小变化对传感器测角精度的影响进行了仿真实验分析,同时应用84对级的寄生式时栅搭建实验平台进行了实际实验验证。仿真和实验结果显示:安装误差中的间隙、俯仰角、测头的偏摆角等因素变化对传感器测量精度均有影响。间隙变化对测量精度的影响具有规律,可通过建模进行修正。实验所用的84对级的寄生式时栅最佳安装间隙大小为0.2mm。俯仰角、偏摆角的变化对测量精度的影响规律变化较复杂,故文中建立了相应的误差补偿模型。本文的研究结果可用于指导传感器的结构优化设计、测头的安装和误差精确补偿,进而提高传感器的测角精度。     

基于铁基非晶态合金的非接触半套环式扭矩传感器的研究

对一种基于铁基非晶态合金压磁效应的非接触动态扭矩传感器进行研究。介绍传感器的结构和原理,推导出传感器的输出方程。通过动态扭矩测量试验,分析传感器探头与轴表面的间隙及转速对测试精度和灵敏度的影响,得出传感器输出电压随间隙的变化曲线U0-δ和最佳间隙范围以及三种转速时传感器的动态输出曲线。试验显示,当间隙为0.5 mm时,传感器最大重复性误差为1.71%,最大非线性误差为2.48%,灵敏度为1.385 2 mV/(N.m)。设计的传感器是可行的,尤其适合于一些需要固定非接触监测扭矩的重载低速传动轴。     

A low cost, high accuracy roundness measuring system

This work presents a new architecture of a roundness measuring system in which the roundness measuring accuracy is not dependent on motion accuracy of the rotary element. In this architecture, the influence of motion errors on roundness measurement is minimized by applying a new error separation technique developed by Horikawa et. al. [1 and 2], the improved Reversal Method — IRM. A prototype that uses: a rotary table supported by ball bearings, non-contact gap sensors and a computer system that collects and process sensor readings has been developed. Experimental results have shown that even using a rotary table supported by ball bearings, that has non-repetitive motion errors larger than 2μm, the final measurement repeatability is better than 0.3μm of peak-to-peak value. In order to ensure the same levels of accuracy of the proposed system, a traditional roundness measuring system design must use a more precise and therefore more expensive type of bearing with a motion error no larger than 0.1μm.     

光强正交调制型位移传感器的数学模型与误差分析

针对传统光学位移测量方法对环境要求高和制造精度难以提高等问题,提出了一种以交变光场为测量媒介的新型线性位移检测方法。基于提出的方法,设计了一种光强正交调制型位移传感器。该方法采用基于光强正交变化的两路电驻波合成电行波信号,通过对行波信号时间先后的测量实现空间位移的测量。为了深入理解传感器的传感机理,推导了传感器的测量模型,分析了与传感机理相关的关键因素对测量误差的影响。根据测量原理和测量模型的理论分析,研制出传感器原理样机,通过实验测试了各种关键因素对测量误差的影响,并进一步优化设计了传感器结构与参数。实验显示,优化后的传感器在108mm测量范围内的测量精度达到±0.5μm,是一种新的无需精细刻划的位移检测方案。     

基于侧发光光纤对射耦合的光纤式液位测量

介绍了一种基于菲涅尔定律的光纤式液位测量方法,该方法利用介质折射率对双光纤之间光耦合效率的影响,使用两根并行排列的侧发光光纤作为测量元件,实现了对燃油液位的本质安全测量。通过理论分析得到了传感器的液位响应公式,进行传感器样机设计予以验证,在0.1～1 m范围内输出电压曲线变化趋势符合理论分析结果。     

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。