时栅位移传感器误差动态采样与补偿模型研究

针对现有时栅位移传感器误差补偿模型补偿效果受标定实验台速度影响的问题,提出了一种基于三次样条插值-傅里 叶谐波合成的误差补偿模型。 首先,根据时栅位移传感器多测头信号感应原理与整周误差曲线等间距周期性分布特性,分析短 周期误差受标定实验台速度影响,引入传感器等间距采样的“错位”误差,该误差将直接影响构建的短周期误差补偿模型的补 偿效果;其次,利用三次样条插值法准确定位误差采样位置,精确重构短周期误差曲线;最后,通过重构的短周期误差曲线与傅 里叶谐波补偿法建立了短周期误差补偿模型,提高了时栅位移传感器误差补偿效果。 实验结果表明,采用本补偿模型后传感器 短周期误差峰峰值降至 1. 7″;本补偿模型短周期误差补偿效果优于传统基于傅里叶谐波补偿法构建的补偿模型,标定实验台速 度为 3 r/ min 时补偿效果可提高 56. 0% ,既能满足传感器动态标定的工作效率,也能满足传感器的高精度误差标定需求。     

大型望远镜测角系统误差的修正

由于大型望远镜转台轴系对测角精度要求较高,本文研究了测角数据系统的误差修正技术。分析了测角数据误差产生的原因,对测角元件误差、安装误差、被测轴系误差进行了讨论,指出轴系测角分系统的误差规律符合谐波方程,故提出采用谐波方程式来表达误差规律。针对工程应用,建立了基于傅里叶级数的简化谐波方程误差公式,用谐波方程算法和多项式拟合算法对系统误差进行修正。在一个望远镜垂直轴转台进行了试验验证,结果显示测角精度峰值由原来的3.81″提高到了1.06″。实验表明,基于傅里叶级数的修正算法,较好地符合误差分布规律;采用系统误差修正技术,可以对系统综合误差统一修正,能够有效提高系统测角精度。     

时栅传感器电气误差分析及补偿

测量仪器误差分析是测量仪器研制过程中的重要一环。为了确定影响仪器测量精度的主要误差因素,本文讨论了时栅传感器电气误差中零电平误差、电源误差的产生原因,提出用误差补偿技术来提高时栅的测量精度,对时栅传感器的批量化生产具有重要作用。     

容栅测角数显仪的研制

本文介绍了容栅传感器测量位移的工作原理及其研究应用发展概况，并给出了分辨率为1’的容栅测角数显仪的具体设计。     

新型圆光栅测角误差补偿方法及其应用

在实际工业应用中,环境温度变化是便携关节式坐标测量机中旋转轴系测角精度的主要误差源。为了消除环境温度对旋转轴系测角精度的影响,本文提出了一种新型圆光栅测角误差补偿方法,即建立含有环境温度影响因子的圆光栅测角误差补偿模型。利用谐波方法建立在特定温度下的圆光栅测角误差补偿模型,利用多项式方法建立谐波系数与环境温度之间的函数关系。最后,以14℃下的实验数据为验证数据,分别代入到传统谐波误差补偿模型和本文提出的模型中。实验结果表明,相对于传统谐波误差补偿模型,使用本文提出的模型补偿后圆光栅的测角精度提高4倍左右,修正后的残差峰峰值在2″以内,能够有效地补偿10～40℃下圆光栅的测角误差。     

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。     

时栅动态测量误差建模与补偿技术研究

为提高时栅传感器动态测量精度,针对时栅的误差特点,提出对动态测量误差的周期性成分和随机性成分分别建模的思想。采用傅里叶级数逼近的方法对误差中的周期性成分进行建模,利用最小二乘方法对逼近模型参数进行寻优,选取比重较大的谐波参数对误差的周期性成分进行分离,对于分离后残留的随机性成分采用支持向量回归(Support vector regression,SVR)模型进行预测,利用交叉验证的方法对回归预测模型进行参数寻优和细化,选取最优的核函数参数g和惩罚因子C,使得残差均方达到最小。研发误差补偿系统,对时栅动态测量误差进行补偿。试验结果表明,运用该建模方法和模型,时栅传感器动态测量误差的峰峰值由38.2″降至3″,有效地降低了测量误差,大幅度提高了传感器的测量精度。     

圆光栅测角误差实时补偿方法研究

误差补偿是提高圆光栅测角精度的常用手段。一些机床和精密仪器由于没有位置测量元件误差补偿功能,无法进行圆光栅的误差在线补偿。针对这一问题,提出了一种中继式的圆光栅测角误差实时补偿方法。首先,分析了圆光栅测角误差的补偿原理,建立了谐波拟合函数和圆光栅测角误差补偿模型;然后,进行了误差补偿模块的硬件选型,设计了以差分芯片为核心的信号转换电路,包括差分信号转单端信号电路和单端信号转差分信号电路,开发了误差补偿模块的嵌入式软件,将所设计的误差补偿模块插入到圆光栅的信号输出通道,建立了基于中继式误差补偿模块的试验系统;最后,采用雷尼绍校准装置采集了圆光栅的原始误差数据,使用谐波函数对测角误差数据进行了拟合,应用误差补偿模型,利用误差补偿硬件模块,对圆光栅测角误差进行了在线补偿试验。研究结果表明：对测角误差最大值为134.59″的圆光栅进行补偿后,其误差最大值可减小到12.62″,可见采用误差实时补偿方法可以显著提高圆光栅测角精度。     

基于自补偿技术的时栅电流型激励信号源设计

三相激励信号源的相位对称性将直接影响时栅位移传感器性能,针对这一特点,设计了一种基于自补偿技术的电流型时栅三相激励信号源,该信号源采用直接数字频率合成技术产生三路正交的正弦信号,经相位自检和自修后,使三相激励信号源达到高稳定和高精度三相对称.实验表明该设计大大提高了时栅位移传感器的稳定性和测量精度.     

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。     

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。     

提高嵌入式时栅传感器精度的测头设计方法

为了提高嵌入式时栅传感器的测量精度,结合传感器自身的特点,从布置方式和数据处理方式两方面设计了特殊的测头结构。首先利用谐波分析确定传感器误差的主要频次,然后分别针对长短周期的误差采用多组测头对径和间隔特定空间角度的测头布置方式,测头之间采用数字量相加的数据处理方式,最后通过实验验证了这种测头结构和数据处理方式的有效性。结果表明,与单测头结构相比,这种方式将长周期误差降低了75%,短周期误差降低了83.6%,更有效地提高了嵌入式时栅传感器的测量精度。     

自补偿技术在时栅位移传感器中的应用

基于时空坐标转换理论而研制的时栅位移传感器实现了以时间测量空间，但关键是要构建一个以恒速V运动的坐标系。V的稳定度直接决定时栅的性能。为提高时栅的测量精度，采用数字闭环控制方法去获得恒速V，提出了一种时栅位移传感器自补偿方案，以消除温度、电子元器件等因素的影响。实践证明，运用自补偿技术抑制了时栅输出值的漂移现象，该技术在时栅中的应用是成功的。并且这种自补偿功能的实现体现了时栅所具有的智能性。     

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。     

时栅传感器动态测量误差补偿

针对动态测量误差特点,提出了对系统误差和随机误差分别进行建模和组合补偿的思想来提高时栅传感器的动态测量精度。对具有周期性变化特征的系统误差采用傅里叶级数逼近的方法进行建模,运用最小二乘求解超定方程组的方法计算出系统误差的补偿参数。对于系统误差补偿后残留的随机误差采用灰色预测GM(1,1)模型进行预测,通过模型残差检验和修正提高预测的准确度。实验结果表明,利用傅里叶级数逼近模型有效地补偿了系统误差,误差由±35″降至±7.8″,通过最小二乘参数寻优得到的补偿参数与传感器实际的误差成分相吻合;灰色预测模型则很好地预测补偿了残留的随机误差,误差由±7.8″降至±3″。得到的结果表明,利用这种对误差分别建模和补偿的方法大幅度地降低了动态测量误差,有效地提高了传感器的测量精度。     

增量式时栅位移传感器原理及试验研究

介绍了一种新型的增量式时栅位移传感器原理。通过设计传感器信号处理电路实现了其从原理到试验的转变,并且在增量式时栅位移传感器原理试验台上进行了测量试验。在分析测量数据的基础上验证了增量式时栅位移传感器原理的可行性。     

数控机床误差补偿技术及应用测头系统误差分析和补偿技术

在机测量是机床加工过程质量监控的重要手段。文章对触发式测头的结构、测量原理、测头系统和测量过程中的误差源进行分析和处理,给出误差补偿和控制措施,以提高测量精度。该技术对推广和应用在机测量技术有重要意义。     

基于交叉变异PSO算法的形貌测量系统误差补偿

触针表面形貌测量系统具有高精度、高分辨率、稳定可靠和动态特性好等优点,在生产和科研中发挥着重要作用。但其杠杆结构造成的非线性误差,在大量程测量时会显著增大误差,影响测量精度。本文基于粒子自身的亲和力和浓度选择交叉变异提出一种新型粒子群算法,显著提高了粒子群算法的迭代速度和收敛精度。基于此粒子群算法可实现对触针表面形貌测量系统的非线性误差补偿,有效避免局部收敛,提高了补偿精度。经实验验证,通过高精度标准球冠进行标定测量,补偿误差在±0.5μm以内。     

2TPR&2TPS 并联机构的位姿误差建模与补偿研究

位姿精度是评价机器人性能好坏的一个重要指标,建立有效的补偿算法是提高机器人位姿精度的重要保证。 本文以 一种 2TPR&2TPS 并联机器人为研究对象,建立了基于正解的误差模型,根据该误差模型得出了动、静平台位置参数误差及 驱动杆零点长度误差与机器人末端位姿误差的关系,同时建立了基于逆解的补偿算法。 通过粒子群算法对误差函数的最小 值寻优,得到了机器人驱动杆补偿量和位姿补偿量,仿真得出该机器人的平均位置精度提升了 98. 148% ;将驱动杆补偿量与 理想位姿对应的驱动杆长叠加作为机器人的驱动杆输入量进行实验验证,实验得出机器人的平均位置精度提升了 87. 457% ,补偿效果显著。     

一种转台测角系统动态比对的信号同步方法

针对转台测角系统和环形激光测角仪进行动态比对时的数据同步问题开展研究。 首先分析了转台测角系统与环形激光测角仪之间的同步问题,阐述了转台测角系统和环形激光测角仪之间因各自系统延时不同引入的同步角偏差;针对同步角偏差进行分析,提出延迟补偿方案以实现转台测角系统和环形激光测角仪相同时刻测量输出值对应同一转台角位置;开发基于现场可编程门阵列(FPGA)的同步角偏差实时补偿电路,重点说明了角速率解算和延时触发关键环节。 搭建动态角度测量实验平台验证同步角偏差补偿效果,实验结果表明,在不同转速下补偿方法均能够实现良好的补偿效果,且各个转速下的补偿效果差异小于 0. 5″。