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。     

基于组合测量方式的新型磁场式时栅位移传感器

针对数字化精密机械加工装备和测量仪器中的关键功能部件———位移传感器测量精度过分依赖高精度加工的难题,提 出基于组合测量方式的新型位移传感新方法。 利用在平面上均匀分布的激励绕组产生交变磁场,构建运动参考系,建立位移和 时间基准之间的映射关系。 通过控制感应绕组的形状实现磁场精确约束,从原理上抑制谐波误差。 采用差分排布的感应绕组 式及组合测量方式增强抗干扰性,提高位移测量精度。 通过电磁仿真验证,进行测量误差分析,优化结构参数。 研制了传感器 样机并进行实验验证,结果表明在 144 mm 测量范围内,测量误差为±2. 25 μm,分辨力为 0. 15 μm。 不同于传统高精度位移传 感器严重依赖高精度光刻制造加工,此方法通过对磁场的精确约束和传感原理创新实现精密位移测量,具有结构简单,成本低 等优势具有重要学术和工程应用价值。     

基于电涡流效应的绝对式直线位移传感器误差分析及抑制方法研究

基于电涡流效应的绝对式直线位移传感器具有结构简单、分辨率高、响应速度快和抗干扰能力强的特点。相比于增量式直线位移传感器,该类型的传感器不仅不受断电的影响,还能实现更加快速和精确的绝对定位。但是,传感器制造、安装及电信号处理等环节处理不理想会产生无效电动势,带来对极内的1次、2次和4次误差。针对上述问题,使用信号补偿的方式抑制1次和2次误差,采用空间移相的方式消除感应信号中的3次谐波,以此抑制4次误差。对优化后的传感器进行误差抑制实验,验证了误差来源分析的正确性以及抑制方法的有效性。实验表明：误差抑制后的传感器节距内误差峰峰值由32μm优化为6μm,性能大幅度提升。     

基于时变磁场类多普勒效应的位移测量方法

提出一种基于时变磁场类多普勒效应的位移测量方法。该方法通过在特定平面内布置带电导体,建立特定方向匀速移动的正弦分布时变磁场,利用被测运动使时变磁场内感应线圈的输出信号产生类多普勒频差,再通过测量频差解算出被测运动的位移。根据测量原理建立有限元模型对正弦时变磁场分布和感应信号频差进行模拟仿真。仿真结果表明:正弦分布磁场移动速度均匀,频差所对应的时间差累加与位移呈线性关系,线性度误差小于0.2%。根据仿真模型,采用多层印制电路板工艺设计并制作了位移传感器样机,进行类多普勒频差观察试验和位移测量精度比对试验。试验结果表明:时变磁场中感应线圈运动时产生明显的类多普勒频移,频差与运动速度呈线性关系;基于类多普勒效应的位移传感器可以有效地进行位移测量,在对定尺和动尺的加工和安装偏差、激励源及测量电路的电气偏差进行标定和修正后,传感器在200 mm的测量范围内,测量误差优于1?m。研究为低成本实现精密位移测量提供了一种可行的解决方案和可靠的理论依据。     

基于差极结构的绝对式直线时栅位移传感器研究及测量误差特性分析

针对传统绝对式位移传感器复杂编码和严苛光刻加工的难题,提出了一种"精机定位+精机测量"的差极结构绝对式时栅位移测量新方法.传感器定尺分为两列对极数相差1的激励绕组,每列激励绕组由空间正交排布的正/余弦绕组构成.通过施加正交激励电流,采用动尺正弦形感应绕组拾取时变磁场,得到两路行波信号.通过信号解耦以精机定位和精机测量的...     

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。     

时栅位移传感器的动态特性研究

为了解决时栅角位移传感器的动态测量问题,在基于静态的时栅位移传感器电磁仿真的基础上,通过引入运动单元模块,建立了时栅位移传感器的动态电磁仿真模型。通过分析时栅位移传感器的感应电动势幅值信号和感应频率信号,得到了动态条件下的时栅位移传感器感应电动势幅值和频率与转子转速的关系,并测算了磁场式时栅位移传感器在激励频率为400Hz的情况下,理论上能够达到的极限转速为8r/min。实验结果表明,转子转速在0～8r/min时传感器动态误差为±1.4″,速度超过8r/min时传感器精度开始恶化,转子转速为10r/min时传感器误差为±8.2″。     

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。     

平面时栅传感器多读数头构建方法与误差修正

基于平面时栅传感器原理提出了多读数头平面时栅传感器。利用耦合面积原理分析传感器正方形与正弦形状定子槽形状与激励耦合的谐波特性,对比不同耦合形状对各次谐波的削弱效果,选择最优的耦合形状构建传感器模型。设计了传感器信号处理模型,对感应信号进行解算得到测量角度。设计了对误差补偿模型测量结果进行修正,提高了传感器的测量精度,通过与原始数据的比较误差补偿后,测量精度显著提高。     

球杆仪检测数控机床典型误差的调整方法

一、球杆仪的介绍 球杆仪是用于数控机床两轴联动精度快速检测与机床故障分析的一种工具。主要由安装在可伸缩的纤维杆内的高精度位移传感器构成,该传感器包括两个线圈和一个可移动的内杆,当其长度变化时,内杆移入线圈,感应系数发生变化,检测电路将电感信号转变成分辨率为0．1μm位移信号,通过接口传入PC机。其精度经激光干涉仪检测达±0．5μm（温度在20℃下）。     

基于差动比较技术的时栅电气误差抑制方法研究

时栅位移传感器测量数据显示,其误差存在明显的高次谐波成分。通过分析传感器动测头感应信号的处理流程,发现电气部分的随机噪声、零电平波动等问题导致输入数字电路前的方波信号相位改变,从而在测量中引入了电气误差。文中研究了基于差动比较技术的信号处理方法抑制产生的电气误差。通过将该方法应用于精确磁场约束型时栅位移传感器,原始误差下降幅度达30%左右,验证了该方法的可行性与有效性,且对解决相关问题有广泛的适用性。     

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。     

高精度衍射光栅干涉式测量系统的主要误差分析与仿真

设计了一种高精度位移传感器——衍射光栅干涉仪系统。该系统利用半导体激光器作为光源,衍射光栅作为长度标准,其光学原理可以利用多普勒效应来阐述。给出当光栅存在沿X向、Y向上的位移偏差和绕X轴、Y轴和Z轴的转动误差时,引起干涉条纹质量变化和测量误差的定量关系,为测量系统在实际应用中进行误差修正提供依据。经分析可知,光栅沿X轴(光栅运动方向)、Y轴(光栅刻线方向)和Z轴的偏移几乎不会导致条纹信号变化;当光栅沿着X轴旋转时,条纹方向和间隔均发生了变化;当绕Z轴旋转时,条纹间隔没有变化但是方向发生了变化;当沿X轴和Y轴旋转后,条纹位置分别向右和向下移动。光栅沿Z轴移动误差小于0.05mm,绕X轴和Z轴旋转误差小于0.002rad,绕Y轴旋转误差小于0.005rad时,满足测量范围为1000mm时,精度为±3μm测量的要求。     

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。     

基于零磁通原理的微电流传感器的研究

为了快速准确地补偿微电流传感器的误差,提高微电流传感器的测量精度。根据零磁通补偿原理,研制了一种微电流传感器。微电流传感器包含感应单元、信号补偿单元以及信号处理单元,其中补偿单元采用有源与无源相结合的方法对输出电流进行相位和幅值补偿,信号处理电路用于实现对二次侧输出的微弱信号进行调理,放大。通过搭建实验平台,实验结果表明利用该补偿方法时电流传感器在测量μA级到m A级的工频电流时准确度可达到0.2级,且补偿方式方便快捷。     

高精度随钻定向测量仪的设计

以3轴加速度传感器和3轴磁通门传感器为基础,设计了定向传感器的角度测量模型;通过对传感器温度误差和安装误差的分析,研究了影响传感器精度的因素,提出了能有效提高传感器测量精度的误差校正模型.以微控制器MSP430F149和模数转换器ADS1216为核心,设计了硬件滤波电路和信号采样电路;基于角度测量模型和误差校正模型,给出了姿态参数采集的主程序和误差补偿程序流程图.实验分析表明:在高温高压强振的环境下该系统达到了所提出的精度指标.     

基于等差相位构建的多读数头位移传感器研究

目前多读数头位移传感器大多采用均布或等比方式进行排列,对读数头的加工和安装精度要求非常高,实现困难。文中提出了一种在不增加加工和安装难度的情况下实现高精度多读数头测量的新方法。传感器制造时,多读数头按照感应信号相位等差的方式分布在同一个定子上并且共用一个转子,使得多个读数头角位移信号和误差信号的感应电动势具有高度的一致性,且在相位上表现出周期性的等差规律,降低了误差辨识和修正的难度,提高了传感器的测量精度。实验结果表明:经过多读数头误差修正后,传感器的误差可以控制在±2″以内。     

非接触式R-test测量仪的现场标定方法研究

R-test测量仪是用于五轴数控机床转动轴结构误差测量的专用设备,其标定的准确性和可实施性是保证测量精度的重要前题。研究了一种采用电涡流位移传感器的非接触式R-test测量仪现场标定方法。该方法可直接在被测量机床上实施,利用机床直线轴的高精度微量移动完成仪器测量坐标系和传感器感应平面的标定。在标定完成后,通过样机的现场标定实验和精度验证,验证所提出标定方法的精度和可实施性。最后证明了该方法可减小R-test测量仪在加工装配以及在机床上安装过程所引入的误差对最终测量精度的影响,从而提高R-test测量仪的测量精度和可靠性。     

时栅传感器高精度激励信号源设计

针对时栅位移传感器在测量过程中存在低次误差的问题,分析了激励信号源误差对时栅测量精度的影响。为提高时栅位移传感器的测量精度,设计了一种基于闭环控制的高精度激励信号源。对两相激励信号进行数据采集,计算相位差及比较幅值,并将处理结果反馈到激励信号数据源,控制其相位和幅值,以满足两相激励信号的幅值相等及相位正交。试验结果表明,这种基于闭环控制的方案提高了激励信号源的精度,从而使时栅的测量精度提高了30%。     

非接触三点内径测量法中角度安装误差的校准方法研究

由于操作简便，非接触三点内径测量法常用于工业现场测量。为提高工件内径测量精度，对在安装中无法避免的位移传感器角度安装误差进行分析建模，提出了一个新的考虑角度安装误差的非接触内径测量模型及一种基于多观测位置联立方程的误差校准方法。通过仿真分析了模型中观测位置数、工件内径尺寸与其他参数的设置对校准结果的影响，确认了在观测位置数大于4时即可实现对误差的校准。最终，使用激光位移传感器构建内径测量系统并开展实验，验证了角度安装误差校准方法的有效性，圆工件的内径测量的绝对精度与重复性精度分别在0.6μm与0.4μm以下。