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。     

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。     

电极几何尺寸误差对纳米时栅位移传感器测量精度的 影响及其抑制方法

在纳米时栅传感器的制造过程中,由加工工艺引入的制造误差主要表现为电极几何尺寸误差。通过运用分段面积积分方法进行数学建模,详细地分析了电极几何尺寸误差对测量精度的影响,并揭示了采用多个感应电极进行信号拾取会具有一种平均效应,能够有效地匀化由电极几何尺寸误差随机变化所引入的测量误差。采用制造精度在1μm级的微纳加工工艺和制造精度在10μm级的印制电路板(PCB)工艺分别制作了两套量程为200 mm的传感器样机,并进行了精度对比实验。实验结果表明,由于平均效应的作用,PCB工艺制作的样机经过简单的线性补偿后,在满量程内取得了±250 nm的测量精度,接近微纳加工工艺制作的样机的测量精度。实验结果验证了多个感应电极平均效应的有效性。     

基于分时复用反射电极结构的高精度绝对式时栅角位移传感器

提出了一种基于分时复用反射电极结构的高精度绝对式时栅角位移传感器。以增量式时栅传感器为基础,将单对极与多对极相结合,整周多对极作为精确测量部分实现高精度,整周单对极作为粗略测量部分实现绝对定位。提出了一种分时复用反射电极结构,粗测部分和精测部分共用一组反射电极和接收电极,因此结构更加紧凑,便于小型化,同时动子无需引线,应用环境更广。通过分时间段对粗测部分和精测部分施加激励信号,并把不工作的电极接地,可以有效消除粗测部分和精测部分之间的串扰,保证测量精度。采用PCB技术制造了外径Φ=60 mm,内径Φ=26 mm的传感器样机。通过理论分析和结构优化,最终实验结果表明传感器的测量精度达到了±12″。     

基于分时方法的高精度反射绝对式 纳米时栅位移传感器设计

本文提出了一种反射绝对式纳米时栅位移传感器的传感方法。采用反射单列式传感器作为反射绝对式传感器的精密测量部分,记为传感器A。为了实现绝对位移测量,设计了一个与传感器A相差一个周期的反射单列式传感器,记为传感器B,利用传感器A与传感器B相位作差实现绝对位移测量。采用标准印刷电路板技术制作了传感器样机,搭建了实验平台,进行了实验测试。测试结果表明,激励电极引线方式对接收电极带来干扰,从而造成一次谐波误差。为了抑制误差,提出了交叉反射结构和分时方法,交叉反射结构将感应电极与另一端的反射电极引线相连,增大激励电极和接收电极的距离,分时方法通过不同时间段对传感器A和传感器B施加激励信号,并把不工作的电极接地。实验表明该结构和方法相互配合有效的抑制了干扰,最终在400 mm范围内,补偿后实现了±300 nm的测量精度。     

基于二次调制的高精度多圈绝对式时栅角位移传感器

提出了一种基于二次调制的高精度多圈绝对式时栅角位移传感器,该传感器由单圈绝对式传感器与多圈计数模块组成。首先,采用两级单排式时栅角位移传感器构成单圈绝对式传感器,通过第一级传感器构建四路正交的行波信号,将差动的两路行波信号直接反射,作为精测信号;同时,利用第一级四路正交的行波信号作为第二级传感器的激励信号进行二次调制,获得整周单周期信号,作为粗测信号,精测信号结合粗测信号实现高精度单圈绝对式角位移测量。在此基础上,结合韦根多圈计数模块记录圈数信息,从而实现高精度多圈绝对式角位移测量。通过印制电路板技术制作了原理样机,搭建了实验平台,并进行了测试,实验结果表明:该传感器在整周范围原始精度可达±8″,并且在上电、断电情况下实现了圈数的准确记忆。     

纳米时栅位移传感器电场分布与误差特性研究

针对现有纳米测量技术量程小和测量环境要求苛刻等不足,提出研究一种以高频时钟脉冲作为计量基准的新型纳米位移传感器,利用差动平行电容极板构建的交变电场进行精密测量.为了优化传感参数并提高测量精度,对纳米时栅传感器在不同参数条件下的电场分布与误差特性进行了研究.首先根据其测量特征,利用ANSYS软件建立二维仿真模型,对不同参数条件下传感器的电场分布进行分析;再通过实验验证,找出不同参数与误差特性之间的关系;最后根据仿真和实验结果,对传感参数进行优化设计.实验表明:在200 mm测量范围内,传感器精度达到±300nm.为纳米时栅优化设计和精度提高提供了可靠的理论依据和技术支持.     

纳米时栅传感器数字信号处理系统设计

针对大量程纳米级精度测量难的问题,结合时栅传感器的基本原理,提出一种基于交变电场耦合的纳米时栅传感器。利用Nutt内插法对影响时栅精度的关键因素—时间量进行精密测量,降低了系统对插补脉冲频率的要求,提高了测量分辨率。采用SOPC技术设计纳米时栅信号处理系统,保证了系统高性能实时测量。实验结果表明,该系统能稳定正常工作,在行程200mm测量范围内,纳米时栅精度可达到±300nm。     

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。     

基于二次调制原理的多层结构绝对式角位移传感器

为了在传感器径向尺寸不变的前提下,保持良好的测量精度和分辨率,以适应小型化需要的工业场合,提出了一种利用多层结构实现信号二次调制的圆时栅角位移传感器。传感器为3层结构,利用轴向空间,使内外环分别通过多层结构完成信号的二次调制,其中内环作为粗测环经二次调制后用于实现传感器的绝对定位,外环作为精测环经二次调制后,提高了传感器分辨率。采用PCB工艺制造了外径Φ=100 mm,内径Φ=50 mm的传感器样机,初步实验表明内外环同时施加激励时,内外环将分别受到对方产生的串扰影响,因此进一步提出分时施加激励的优化方法避免信号串扰的影响以提升测量精度。最终实验结果表明传感器能够实现绝对定位且分辨率提升了1倍,原始测量精度达到了±4.1″。