磁场式时栅位移传感器信号处理新方法

为了提高磁场式时栅位移传感器的测量精度,分析了该时栅的测量原理。针对其测量过程中出现的激励信号源误差、合成行波非线性误差等问题,提出了信号处理的新方法。通过比较两路感应驻波信号的电压幅值,产生一路相位与时间量及被测位移量相关的方波信号,根据此方波的相位解算出被测位移量。基于该方法建立了数学模型,并进行了仿真分析。通过实验验证了该方法的可行性与有效性,证明该方法对磁场式时栅位移传感器输出信号的处理具有广泛的适用性。     

锁定放大器在时栅位移传感器动态测量中的应用

时栅位移传感器在进行动态测量时,除激励磁场外,持续运动的圆栅转子/直线栅动子也影响动测头信号的变化,以致时栅的测量精度下降.研究了一种基于锁定放大器的信号处理方法,用于时栅动、定测头信号的处理,仿真实验和实际动态误差采集表明,该处理方法可以解决上述问题.     

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″。     

基于数字锁相放大的时栅传感器信号处理研究

针对时栅位移传感器对信号噪声和插补时钟频率稳定性敏感及需要时钟频率高的问题,提出了一种基于数字锁相放大技术的时栅位移传感器信号处理方法。该方法用STM32F4微处理器同步产生激励信号和采集时栅输出信号,不需采集正交参考信号,将正交参考信号和输出信号送入正交矢量型数字锁相放大器,实现角位移检测。研究了基于数字锁相放大技术的时栅传感器信号处理原理和算法,设计了A/D采集电路和窄带低通数字滤波器。仿真和试验表明:在信号噪声较大条件下,时栅位移传感器的误差控制在±1.1″以内,显著提高了精度。该方法只需采集一路感应信号即可实现传感器角位移检测,优化和简化了电路结构。     

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。     

基于多对极组合的绝对式时栅位移传感器实现方法

为了提升时栅位移传感器产品的市场应用空间,时栅位移传感器需要实现绝对式测量功能。提出一种多对极组合的传感器设计方法,通过该方法实现了时栅位移传感器的绝对式测量。通过对时栅位移传感器位移量与信号量关系的解析,阐述了时栅位移传感器的测量机理,并通过系统测试获取了信号量变化规律,验证了该方法与传感器结构的可行性。     

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″。     

串并转换思想与绝对式时栅传感器的频响特性研究

在分析绝对式时栅位移传感器频响特性的基础上，介绍了一种在数字信号处理电路中的数据串并转换思想，并提出了一种基于串并转换思想的绝对式时栅信号处理电路设计方案。信号处理电路采用了复杂可编程逻辑器件（CPLD）芯片，预处理电路将测头信号进行模数转换后，经可编程多路切换器模块处理，自适应地将原始测头信号分别转换为对应的多路并行信号，各路对应的分频信号通过比相电路及传感器信号处理电路模块运算后转换为绝对位移脉冲测量信号，最后将多路绝对位移脉冲测量信号进行并串转换操作输出测量值。对信号处理电路进行了仿真，结果证明，该方法可大大提高时栅位移传感器的频响特性，从而为绝对式时栅位移传感器提供了一种应用于动态测控系统的解决方法。     

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%。     

基于双测头的时栅位移传感器自标定方法

为提高时栅的测量精度,扩大其应用领域,提出了一种基于双测头的时栅位移传感器实时在线自标定方法。利用空域信号傅里叶级数的空间位移和线性性质,找出了相距一固定角的两个测量位置时栅示值之差数列的傅里叶级数与误差函数傅里叶级数间的关系;在此基础上,提出利用双测头相对回转的方法,实现了相距定角的两测量位置时栅示值之差数列的傅里叶级数的获取和误差函数的重构;分析了定角取值对误差函数重构精度的影响。试验结果表明:该方法能在误差频次高、误差成分复杂的条件下有效降低整周范围内时栅的测量误差,对72对极的时栅传感器,经自标定后剩余误差的峰-峰值小于2″,达到计量光栅精度水平,且系统极易集成,易于实现。该方法特别适合于大直径、大中空等极端特殊条件下时栅的自标定,也同样适用于其他同类型位移传感器的自标定。     

时栅位移传感器在传动误差检测系统中的应用研究

采用"时域信号、空域分析"的思想,将时栅位移传感器输出的按时采样的角位移传感器信号转换成按空间均分的角位移信号,实现了用时栅替代等空间采样的光栅作为检测元件应用于传动误差测量。搭建了试验装置,绘制了试验的传动误差曲线,由曲线频谱图,分析、确定了误差的主要产生环节。证明了用时栅代替光栅测量传动误差是行之有效的。该研究不仅实现了用成本低廉的时栅代替光栅,而且克服了课题组前期开发的传动误差测试系统的采样不稳定性和速率不同步性带来的误差。     

柱栅传感器接长方法的研究

柱栅传感器是一种新型数字式直线位移传感器。它是在感应同步器的基础上提出来的新型位移传感器,它具有许多优良的电气和机械特性。目前单根柱栅传感器的设计与制作工艺已很成熟,但当单柱栅只能实现短距离的位移测量,然而在实际中长距离的测量必不可少,因此在现有基础上实现多段柱栅的接长来实现长距离测量就显得相当重要。文章主要介绍了柱栅传感器接长方法的设计和实现及由接长所产生的误差的分析和相应处理,从而达到高精度长距离测量的目的。     

光场式时栅传感器信号产生与采集的硬件系统设计

针对传统光学位移传感器的制造设备昂贵及时栅传感器中存在的抗电磁干扰能力差、制造精度不高等问题,设计了一种基于交变光场时空耦合和光刻技术的光场式时栅传感器。根据光场式时栅传感器测量系统的要求,利用DDS技术生成了光场式时栅的激励信号,并完成了LED光源的驱动电路设计,得到了时栅的交变光场信号;设计了基于硅光电池的光信号采集及调理电路,获得了一路用于位移测量的电行波信号。实验表明:该系统能够稳定工作,在108 mm的测量范围内,光场式时栅的测量精度为±0.5μm。     

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。     

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LabVIEW的场式直线时栅位移传感器误差曲线拟合

提出了一种基于LabVIEW的传感器误差修正和补偿的方法,将其应用于时栅位移传感器研究,在Lab-VIEW环境中实现了时栅位移传感器测量的误差曲线分析和拟合算法,提高了传感器精度。     

单交变光场余弦透光面集成化时栅传感器研究

针对现有多光场时栅传感器体积大难以集成、光源一致性难控制以及安装误差影响大等问题,提出一种单光场余弦透光面的时栅位移测量方法。该方法采用单交变光场、连续余弦透光面合成电行波信号,从而实现高精度直线位移测量。文中介绍了多光场时栅缺点、单光场时栅的测量原理和集成化设计,并通过仿真和实验验证了连续余弦透光面优化的有效性。完成了光电传感和接收的集成化样机研制和实验平台的搭建。实验结果表明:在100 mm量程内用0.6 mm栅距实现了±0.2μm测量精度。     

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。     

柱栅传感器位移检测

柱栅是一种新型数字式直线位移传感器。对栅式测量的基本方法—鉴相法进行了静态测量和动态测量的数学模型分析。采用单片机系统对该鉴相法进行实现并对柱栅传感器的位移检测信号进行数字化处理。使用双单片机系统构成双坐标位移检测系统,增强系统检测的实时性,定时/计数器8254与D触发器构成该检测系统的鉴相电路。最后讨论了增量式栅式测量的数据处理原理和过程。     

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%。