基于SOPC的便携式高精度频率仪设计

随着频率测量系统在许多领域的广泛应用,为了达到高速高精度宽量程的频率测量,介绍了基于Nios II处理器软核的SOPC为控制核心,采用直接数字频率合成(DDS)技术,在SOPC上构建通道切换逻辑控制、信号处理器模块以及人机交互模块,实现高速多通道数据运算与处理,缩小了频率仪体积,并降低了开发成本。通过通道切换逻辑控制,实现宽量程频率采样。通过细分插补软件算法实现0.061 ns级的时间测量,从而实现高精度的频率测量。     

光栅线性位移传感器误差分析

本文对光栅线性位移传感器在使用与安装时产生的误差进行了探讨,着重分析了光栅尺变形和尺框变形及误差及压杆结构造成的误差。这对提高传感器的位移测量精度具有实用价值。     

光栅尺动态误差检测与补偿技术研究

针对光栅尺检测装置在检测系统误差来源分析多基于理论分析,缺少对检测系统关键部件的定量标定,而且,现有检测装置在光栅尺运行速度等光栅尺实际工作状况方面考虑不够全面的现状,设计一种基于高精密气浮导轨的光栅尺动态误差检测装置,对检测装置的各关键部件引起的检测误差进行试验定量标定,并基于该装置对光栅尺在不同速度下的动态运行误差进行试验研究。试验结果表明,光栅尺的加速度对其动态运行误差影响较大,对运行速度影响却有限,而且各运行速度下光栅尺动态精度具有较好的重复性。通过回归分析的方法得出了光栅尺的全程误差补偿曲线,通过误差补偿大幅提高了光栅尺的测量精度和适用范围。     

基于双时栅的高速高精度蜗杆检测系统研究

文中提出一种基于双时栅位移传感器的高速高精度位移测量系统。通过建立蜗杆运动与测头运动的对应关系的模型和采用时间细分技术的高精度运动控制建立采样点实际坐标与下一采样点坐标之间的映射关系,实现环面蜗杆加工误差的在线高速高精度随动测量。该系统在15 r/min的转台转速下的重复定位精度达到5μm,对蜗杆误差进行测试得到的误差范围为-5.1″~4.2″。     

光栅传感器正交信号自动实时补偿技术研究

为提高光栅尺的测量精度和分辨率,对光栅位移传感器输出信号的自动实时处理方法进行研究。分析了光栅尺输出信号中存在的误差因素,根据Heydemann误差补偿模型修正信号中的非正交误差、直流误差和不等幅误差,利用CORDIC算法对修正后的信号进行细分。处理过程在LabVIEW环境下进行,利用FPGA模块实现信号实时处理,并与XL-80干涉仪比对验证该处理可有效补偿信号中的各类误差,且测量相对误差不超过±2μm。     

光栅尺位移测量系统热态特性分析

以光栅尺位移测量系统为研究对象,考虑直流电机和激光电磁热等热源对测量光栅以及读数头等光栅尺位移测量系统主要部件的影响,应用COMSOL有限元分析软件对测量光栅和读数头镜组进行了热-结构耦合分析。结果表明:测量系统工作1h,测量光栅附近温度升高1℃,达到稳态时的光栅最大形变值为0.49μm,由此带来的光栅在X方向上的零位漂移误差和示值误差最大可达到-0.49μm;读数头镜组最大形变值为0.09,平均热漂移系数为0.05,镜组温度和折射率呈现出明显的梯度分布。研究结果为实际工程应用中纳米级位移测量的环境控制提供了参考。     

高精度绝对式光栅尺研究进展及技术难点

在现代机加行业中,大多采用光栅传感器来进行位置反馈装置。由于光栅尺能够对系统实行全闭环控制,降低滚珠丝杠热变形等原因引起的误差,提高加工精度,所以目前中高档数控系统越来越多地采用光栅尺作为线位移反馈元件。光栅尺分为增量式和绝对式:增量式光栅尺的测量原理是将光通过两个相对运动的光栅调制成摩尔条纹,通过对摩尔条纹进行计数、细分后得到位移变化量,并通过在标尺光栅上设定一个或是多个参考点来确定绝对位置;绝对式光栅尺的测量原理是在标尺光栅上刻划一条带有绝对位置编码的码道,读数头通过读取当前位置的编码可以得到绝对位置。     

高精度平面光栅尺测量系统的模型设计与安装误差分析

本文分析了高精度平面光栅尺的测量原理,推导了工件台坐标系的位置关系,利用读头光束与光栅平面的几何关系,建立光斑位移与工件台位置的关系,实现了将平面光栅尺测出的莫尔条纹数转化为工件台的位置信息。平面光栅尺测量系统在安装过程中,读头和光栅均存在沿X方向、Y方向上的平移偏差和绕X轴、Y轴和Z轴的旋转误差,本文利用组合分析的方法,推导出模型约束出安装误差的最大范围。通过仿真分析可知,模型设计精度要求为1×1010m时,读头平移误差范围在-1×10-3m～1×10-3m、读头旋转误差的范围-8×10-4rad～8×10-4rad、光栅旋转误差的范围为-1×10-4rad～1×10-4rad下,可以满足相应的设计指标,为实际的工程应用提供有效的理论依据。     

基于气浮导轨的光栅尺动态检测系统设计与误差分析

光栅尺的动态精度受到安装误差、温度、振动等环境因素影响,目前光栅尺常采用的静态检测方法并不能满足光栅尺动态运行要求.另外,对于大行程、高精度光栅尺,传统检测系统中用到的滚珠丝杠机构的结构形变会引起较大的阿贝误差,无法满足检测精度要求.针对以上问题,提出了基于速度和加速度等动态变量的光栅尺动态精度检测方法,并以外差激光干涉仪为长度基准,以误差最小化为目标,设计并优化了基于精密气浮导轨的光栅尺动态误差检测系统,对检测系统的综合误差进行了分析.结果表明,所设计的动态精度检测系统可以满足大量程高精度光栅尺动态精度检测的要求.     

精密球面磨床主轴回转误差的高精度测量

利用主轴回转误差单点测量法设计了一套测量系统,该系统由高精度标准球、高精度非接触位移传感器和角度传感器组成.阐述了回转误差的测量原理,分析了测量过程中可能引入的测量误差及其消除方法,并进行了实验研究.通过测量系统对测量数据进行了自动获取和分析处理,并用最小二乘法对测量数据进行评定,实现了精密球面磨床主轴回转误差的高精度测量.     

基于Matlab的时栅位移传感器的误差曲线分析与拟合研究

提出了一种基于Matlab傅立叶算法的传感器误差修正和补偿方法,将其应用于时栅位移传感器研究,借助于Matlab强大的计算功能实现时栅位移传感器测量的误差曲线分析和拟合算法,用低精度的机械加工实现高精度的传感器制造。     

变耦型时栅位移传感器理论模型与误差研究

针对现有高精度位移传感器栅距小导致对制造和使用环境要求苛刻的问题,提出一种采用高频时钟脉冲作为测量基准,可在大极距条件下实现高精度、大量程直线位移测量的变耦型时栅位移传感器。传感器通过在交变电磁场中改变励磁线圈和磁场拾取线圈的耦合状态建立以时间差反映位移变化的行波信号,实现精密位移测量。通过有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真,根据仿真结果得到传感器仿真模型的测量误差,并对其进行了谐波分析;根据误差特点和变化规律对主要误差进行了溯源,并对模型进行了优化。根据优化模型制作了传感器实物,开展了验证实验。实验结果表明:根据仿真结果对传感器进行优化设计,在200 mm的测量范围内,传感器精度达到±500 nm,且系统成本低廉,极易制造。为时栅位移传感器在恶劣环境中的应用提供了解决方案和理论依据。     

基于光栅的快速精确图像拼接

为了提高IC芯片视觉检测中图像拼接的速度和精度,提出一种基于精密光栅运动系统的快速精确图像拼接技术。提出自标定技术解决了传统标定受标准件加工尺寸精度和光强影响的问题,提高了标定的准确度并降低了成本。在准确标定基础上,建立了基于光栅精确定位的拼接模型。实验表明,该方法拼接精度高,拼接平均误差在0.4 μm以内,2 σ为0.872 μm,达到亚像素级精度,而且拼接速度快,两幅图像拼接时间约为10 ms。     

高精度时栅位移传感器研究

分析了传统位移传感器的优点与不足,讨论了时空转换思想、时空坐标转换方法与时栅位移传感器原理。通过高精度时栅位移传感器的研制过程,介绍了单齿式、差频式、场式和混合式几种时栅的原理结构及其分别达到的分辨率和精度指标,最终通过鉴定的场式时栅达到了0.1″的分辨率和±0.8″的精度。还介绍了谐波修正法思想,目的在于把傅里叶变换用于传感器诞生之前的参数设计和制作过程中的误差修正,而不只是在其后的误差分解和分析。反映出时栅作为一种智能传感器所体现的技术优势和谐波修正法的实用效果,而最终目标是不依赖精密机械加工或不用刻线尺而实现精密位移测量。     

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。     

图像式角位移测量的光栅偏心度监测系统

图像式角位移测量装置中,光栅的安装偏心标定结果直接影响着角位移测量的精度。为此,本文设计了一种用于调试图像式角位移测量装置光栅偏心度的系统。首先,根据图像式角位移测量机理,提出了基于线阵图像传感器的标定光栅偏心度监测原理;然后,在图像传感器上建立了偏心调试监测信号的模型,并提出存在偏心时偏心监测信号的变化机理;最后,对某型号角位移测量装置进行了实验,并给出了调试建议。实验表明,经过调节误差均方差由1017″降低到12.8″。本文设计的偏心监测系统能够实现对标定光栅的高精度安装调试,提高了图像式角位移测量装置的批量生产效率。     

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。     

时栅数控转台空间回转位置预测方法研究

时栅传感器利用时空变换技术将空域信息变换到时域,以时间测量空间位移.为了研制高精度时栅数控转台,减少动态位置反馈误差,提出了一种回转位置预测测量新方法,利用时空变换技术将时域信息返回到空域.利用时间序列理论对时栅测量值进行建模,从而预测出数控转台未来一段时间内的位置值,并利用当前测量值对前一次的预测误差进行实时修正.介绍了测量数据建模方法和预测系数估计算法.为了验证位置预测方法的有效性,设计了一套动态实验系统.实践证明,数控转台的角位移预测误差为±2″,实现了精密位置预测.     

基于支持向量机时栅数控转台时序预测研究

时栅代替光栅等传统位移传感器运用到全闭环数控转台做角位移检测部件,需采用时空变换算法将时栅的时域信息转换到空域信息。运用时间序列分析出时栅数控转台的测试数据依存特性,采用支持向量机建立起未来测试数据和历史样本的映射关系,从而得到测试数据中隐含的规律。依据过去相关测量值采用支持向量机回归预测下一采样时刻角位移,将原本等时采样的绝对式角位移转换为全闭合数控系统需要的等空间增量式连续脉冲。并且在误差控制方面,采用当前预测值对上一次预测误差进行实时修正,消除累计误差保证测量精度。实验证明支持向量回归的时间序列预测算法能有效保证动态数控角位移测量误差控制在±2.5″以内,实现精密全闭环角位移测量。     

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。