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″。     

一种新的圆光栅偏心参数自标定方法

圆光栅安装偏心误差对圆光栅编码器的角度测量精度有较大影响,对偏心误差进行补偿可以有效提高测量结果的精度。为了对圆光栅的安装偏心参数进行辨识,建立了双读数头的偏心误差模型,推导出了基于双读数头的圆光栅偏心参数的自标定公式。通过实验利用对径安装的两个读数头对圆光栅的偏心参数进行自标定,求解出了相关的偏心参数,并使用正十二面棱体搭建的实验装置,对自标定参数的补偿效果进行了验证。实验结果表明,用双读数头自标定公式标定出的偏心参数对单读数头的测量结果进行偏心误差补偿后,圆光栅的平均误差从补偿前的0.046 4°减小到了0.003 7°。     

双读数头圆光栅偏心参数标定修正算法

圆光栅安装偏心误差是影响圆光栅角度测量精度的关键因素,偏心误差补偿是提高角度测量精度的重要方法。为准确辨识和补偿圆光栅安装偏心误差参数,在建立的圆光栅偏心误差模型基础上提出了一种双读数头平均误差补偿方法,对读数误差进行修正,并对测量与修正模型进行仿真实验。使用正23面棱体与光电自准直仪搭建实验装置,对所提方法的测量补偿效果进行验证。实验结果表明:采用所提出的补偿修正方法能够有效补偿圆光栅读数头读数偏差,圆光栅的测角精度达到1″以内。     

圆光栅测角系统示值误差分析与补偿

首先针对引起圆光栅测角系统示值误差的主要来源(光栅盘的偏心及倾斜)进行理论研究,同时提出光栅盘与转动轴的同轴安装方法;利用中国计量科学研究院的全圆连续角度标准装置(测量不确定度为0.05″)对待测圆光栅测角系统直接进行溯源性测试,避免了圆光栅安装过程和间接溯源性测试(多面棱体和光电自准直仪配合校准)过程中引入的仪器误差;其次利用谐波理论分析偏心和倾斜以及其它阶次误差在频谱中的分布;最后针对安装偏心和倾斜造成的误差,进行谐波补偿。实验结果表明,测角系统的示值误差从补偿前的100″减小到了10″,有效消除了光栅盘安装偏心、倾斜造成的稳定可复现的误差谐波成分。     

精密位移动态测量信号特征辨识及细分新方法研究

针对数字化精密机械测量仪器和装备需要解决位移传感器信号的高倍数、高精度细分问题,通过对光栅位移测量模型的研究提出采用测量基准转换的思维方式构建空间序列理论。通过对各运动状态条件下精密位移动态测量信号的多尺度分解实现特征辨识,从而构建用于动态位移信号细分的自适应预测模型及相关细分误差实时修正技术。实验研究表明此方法可以实现圆光栅栅距内400倍细分,角位移细分误差-0.19″~0.27″。     

寄生式时栅传感器自标定方法研究

研究寄生式时栅传感器自标定方法,对解决寄生式时栅的现场标定基准和精度保持具有重要理论和实践意义。将圆周封闭的自然基准转移到定角的比较值中,再利用傅里叶级数性质将定角平移到幅值和相位中,建立了测量值和误差之间的内在联系,从而建立自标定模型。在此基础上进行了实验研究,并与光栅数据进行比对测量来检验自标定的精度,最终获得优于6″的自标定精度。该方法实现了角位移传感器双读数头的自标定,使用条件宽松,与其他方法相比更易于实现生产现场的应用。     

关节臂式坐标测量机角度传感器偏心参数辨识

对关节臂式坐标测量机中圆光栅角度传感器分度盘安装存在的偏心误差进行修正,可以有效提高测量机的测量精度。为了实现坐标测量机动态、实时的现场标校,建立了一种六自由度关节臂式坐标测量机的坐标系统,分析了圆光栅分度盘的安装偏心对角度测量的影响,推导了由于偏心引起的测量误差及其修正公式。分析表明,较小的安装偏心便会引起较大的角度测量偏差。以测量机的单点重复测量精度为目标函数,提出了一种基于模拟退火算法的角度传感器偏心参数辨识方法,并将其用于测量机关节圆光栅12个偏心参数的辨识和修正,实验结果表明,修正之后测量机的重复测量精度提高了11.3%。     

精密减速器角位移测量系统设计

为了实现对精密减速器输入端和输出端角位移的精密测量,建立精密减速器角位移测量系统。对该系统的机械结构、角度测量及标定方法、基于非线性最小二乘法的误差补偿模型进行研究。通过"立式筒状"结构和圆光栅角度传感器"前置"避免了传统检测仪的弱刚度结构和轴系形变对角度测量造成的影响。使用光电自准直仪与24面棱体结合的方式离散标定圆光栅角度传感器的角位移测量误差,研究基于谐波分析的误差补偿方法,对角坐标进行补偿,进一步消除误差。实验结果显示,通过优化检测仪的结构设计,角位移测量精度达到±7″;误差补偿后,角位移最终测量精度达到±2″,满足减速器角位移测量的高精度要求,对类似测角系统也有参考价值。     

嵌入式线结构光角度视觉检测及误差补偿

建立了基于DM642的嵌入式线结构光角度视觉检测系统,用于精确实时地在线检测线结构光角度.首先,将以CCD为图像传感器的装置与基准平面固定,以线结构激光发生器为光源的装置与被测平面固定;用CCD采集投影屏上的线结构光图像,再由DM642进行实时处理得到线结构光的角位置,并对角位置进行标定来获得被测平面与基准平面的夹角.然后,分析系统误差源,得出系统主要误差是由CCD感光面阵平面与投影屏平面之间的夹角α所致.最后,针对此误差项建立数学模型,并根据模型采用圆光栅控制激光发牛器精确转动3个角位移,由圆光栅所得的精确角位移值和对应的图像检测值计算出标定夹角a的大小和方向,并对由此夹角误差导致的检测误差进行精确补偿.实验结果表明:在a为0.331 97°时,经误差补偿后的圆光栅角位移值和对应的图像检测值之间的转角误差由22.522％减小到0.595％,系统测量的不确定度为0.051 44°.     

嵌入式时栅传感器的动态自标定

提出了一种新的嵌入式时栅角位移传感器的自标定方法,以提高这类传感器在没有高精度母仪标定以及参数和工作环境发生变化时的测量精度。介绍了嵌入式时栅的特点,提出了利用两个间隔一定角度离散测头之间的误差规律变换来实现自标定的方法。设计了动态自标定系统,采用卡尔曼动态滤波算法来降低动态标定过程中传感器自身稳定性波动和环境干扰的影响。为了寻求最优参数以保证标定精度,提出了残差的控制算法。最后,运用设计的自标定系统对传感器进行了标定实验,并与以往母仪标定方法进行了对比。实验结果表明,传感器的误差从标定前±20″降低到±2.4″,标定参数与实际传感器误差成分相吻合,标定精度与以往母仪标定的精度基本相同,满足时栅传感器的标定要求。     

基于平面线圈的高分辨力时栅角位移传感器

针对现有时栅角位移传感器采用漆包线绕制工艺加工线圈,导致线圈布线不均且容易随时间发生变化进而影响测量精度的问题,提出一种基于PCB技术的新型时栅角位移传感器。该传感器通过在PCB基板的不同层上布置特定形状的激励线圈和感应线圈,形成两个完全相同并沿圆周空间正交的传感单元;当在两传感单元的激励线圈中分别通入时间正交的两相激励电流后,通过导磁定子基体和具有特定齿、槽结构的导磁转子对传感单元内的磁场实施精确约束,使两传感单元的感应线圈串联输出初相角随转子转角变化的正弦感应信号;最后通过高频时钟脉冲插补初相角实现精密角位移测量。利用有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真。根据仿真模型制作了传感器实物,开展了验证实验,并对实验中角位移测量误差的频次和来源进行了详细分析。经过标定和补偿,最终获得了整周范围内误差在-2.82″~2.02″的时栅角位移传感器。理论推导、仿真分析和实验验证均表明,该传感器不仅能实现精密角位移测量,还能在激励线圈和感应线圈空间极距和信号质量不变的情况下,将位移测量的分辨力从信号源头提高1倍,且结构简单稳定、极易实现,特别适用于环境恶劣的工业现场。     

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。     

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。     

数控研磨机研磨去除量的在线监控系统试验研究

将光栅测量系统和数控技术用于高速研磨机上,从而给研磨机增加监控功能,这是新型高速研磨机的发展方向。光栅测量系统具有数字化、精度高和安装方便等优点,故选用光栅测量系统测量压头的位移,并利用计算机实现相应的控制。介绍了光栅测量系统的组成、工作原理及主要技术参数,并对数控研磨机监控装置的组成和监控原理进行了分析,对高速研磨机的设计优化具有参考价值。     

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。     

基准圆光栅偏心检测及测角误差补偿

为了修正关节测试平台中由圆光栅安装偏心所产生的测量误差,建立了圆光栅偏心测角误差补偿模型并对安装偏心检测方法进行研究。首先,根据圆光栅测角与偏心参数间的几何关系,推导出圆光栅测量误差补偿模型。然后,描述了采用双读数头对比接收正弦信号间相位差,检测偏心参数的方法和原理;通过合成信号的李萨茹图形,检测出关节测试平台内圆光栅的偏心距及偏心方向。最后,根据所推导的偏心测角误差补偿公式对测试系统进行修正。对比实验结果表明:修正后的圆光栅测角精度大幅提高,测量精度提高了近5倍,满足关节测试平台的测量精度要求。     

电容式位移传感器的线性度标定与不确定度评定

由于光刻投影物镜装调中电容传感器的线性度指标不能够满足位移调节精度的需求,本文提出了一种提高电容传感器测量线性度的方法。该方法采用压电驱动器提供位移进给;采用高精度激光测长干涉仪校准电容传感器的线性度,提供位移反馈以保证运动控制精度。采用高阶曲线拟合方法得到拟合系数对传感器线性度进行在线标定;对标定实验中的环境、安装、机构以及控制等进行不确定度分析与评定以保证电容传感器的线性度测量精度;最后进行电容传感器线性度的标定实验。实验结果表明:本文提出的线性度标定方法能够减小各误差项对于测量结果的影响,标定后传感器线性度由0.047 14%提高至0.004 84%,近一个数量级,并且线性度重复性较高,重复性偏差为0.38nm,全行程内线性度的合成不确定度为5.70nm,能够满足光刻物镜中位移控制精度的需求。     

嵌入式容栅传感技术及轴功率测试研究

针对旋转轴功率测试存在的传感器信号引线困难、安装空间受限、信号易受干扰的问题,设计了一种嵌入式容栅扭矩、转速传感器和测试系统.测试时在轴的两端分别安装容栅传感器,轴在受到扭矩时产生扭角,则两容栅的输出信号会产生一个相位差,通过测量相位差的变化得到扭矩.容栅传感器的差动结构提高了灵敏度减小了误差,容栅的嵌入式安装,将对被测轴的影响降到了最低.实验证明容栅传感器可靠性高,可以在环境要求严格的情况下长时间使用,并且无需通过滑环、无线或红外进行供电和信号的传输,克服了以上方式安装复杂、信号易受干扰的缺点.     

时栅角位移传感器在线自标定系统

为解决时栅角位移传感器在实际应用中的在线标定问题,提出了一种定角平移自标定方法并设计了相应的自标定系统。该方法首先把圆周封闭的自然基准转换成定角基准,在时栅内部建立了自标定基准。然后,根据傅里叶级数的性质,将定角基准平移到傅里叶变换的幅值和相位中,建立了测量值之差与误差之差的函数关系。通过对测量值之差进行傅里叶分析,重构了时栅角位移传感器的误差函数。最后,讨论了影响自标定精度的误差来源,并设计了传感器的零点纠错算法。为了检验自标定效果,利用激光干涉仪实验装置与自标定系统进行了对比试验。结果表明:定角平移自标定精度为1.9″,与理论计算的自标定误差(1.5±0.5)″的结论相符。提出的自标定方法在解决时栅自身标定基准的同时,满足了精密测量领域对时栅精度和可靠性的要求。