场式时栅位移传感器研究

根据作者前期提出的“时空坐标转换理论”和基于旋转机械的“单齿式时栅”，再提出基于运动场的“行波磁场式时栅”方案，可克服机械式时栅的缺点，使时栅的商品化应用成为可能，并将研究领域扩展到直线测量。     

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。     

基于平面线圈线阵的直线时栅位移传感器

针对现有磁场式直线时栅位移传感器行波磁场产生过程中,齿槽的存在影响行波磁场的匀速性,提出基于平面线圈线阵的直线时栅位移传感器。无齿槽的结构形式提高了行波磁场的匀速性,可实现大极距下的高精度测量。传感器将施加正交信号的两相励磁线圈相间排列形成平面线圈线阵,产生的行波磁场通过磁场拾取线圈感应出电行波信号,处理后得到位移量。通过电磁场分析软件对传感器进行建模仿真,根据仿真结果得到测量误差;通过理论分析对测量误差进行分析溯源,并根据分析结果对传感器结构进行优化。基于分析和优化结果研制出传感器样机,并进行了精度实验。实验表明,传感器在240 mm内测量精度为±1μm,实现了精密测量。     

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%。     

基于时间参考点的差动式线阵CCD位移传感器

为了将线阵CCD应用于实际工程的大尺寸位移测量,利用线阵CCD像元空间与输出时间的对应关系,提出了一种差动式测量的线阵CCD位移传感器测量系统。分析了线阵CCD位移测量存在的问题,结合线阵CCD中像元空间与驱动脉冲之间的对应关系,提出一种以时间为参考点的差动式测量方法。该方法用两个空间上对齐、时间上错开半个积分周期的线阵CCD检测透光挡板上等间距分布的透光光线的位置变化;通过计算两个CCD上输出光信号的时间差,用匀速扫描测量原理实现对空间位移的测量。用雷尼绍激光干涉仪对所研制的线阵CCD位移传感器进行了校准,结果显示：在有效测量范围（600.05 mm）内,经过修正后的测量误差可控制在±2 μm以内,验证了用差动法实现线阵CCD大尺寸精密位移测量的可行性。     

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。     

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。     

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。     

差频式时栅位移传感器研究

本文对差频测量法的本质进行了深入探讨,进而将原有的差频式动态传动误差测量方法移植成为一种圆分度静态精密测量新方法,并提出一套用于差频电路方案工程设计的新方法－齿波对偶法,介绍了一种双联齿差频式时栅样机。     

时空坐标转换理论与时栅位移传感器研究

剖析了各种调制式位移传感器工作原理和数学模型,按照“用时间测量空间”的思路,借助于伽里略变换,首次提出“带时间考查点对运动双坐标系”思想,将位置之关地时间之差进行测量,最终抽象总结成为一套时空坐标转换的新理论,由此指导设计出一种全新的位移传感器－时栅。     

光电六维振动位移传感器的设计

根据光学反射原理，采用光线转换器件和六个线阵CCD光电探测器件，设计了一个六维振动位移测量传感器系统，讨论了六维振动位移的同步测试问题，该传感器系统采用新颖的光线转换器件被物体的位置信息转化为投影光曲线的形状信息，线阵CCD器件将光线位置信息转化为电信号，由数据采集板送往计算机处理，得到被测物体的位移信息，该系统采用了新型的光线转换器，无需复杂，精密的光学系统，即可进行一定范围内的六维位移测量。     

具备自标定功能的绝对式时栅位移传感器

时栅位移传感器的绝对式实现方法主要采用单对极+多对极和多对极差一对极组合两种形式实现。对于两层传感器结构的单对极+多对极的组合形式,由于极对数相差较多、分辨力差别较大,不利于实现高精度。对于差一对极的组合方式,由于极对数较多,在传感器原始加工精度较差时,会产生位置解算困难、甚至无法正确解算的情况。为解决上述问题,提出对极数呈互质关系的两层传感器结构的新组合模式。该模式可实现自校正,有效提高产品精度。通过试验验证了该方法的可行性,获取的传感器精度为-4.5″-3.9″。     

增量式时栅位移传感器中的虚拟仪器设计

本文针对已经提出的增量式时栅位移传感器设计方案,利用VB进行了虚拟仪器设计,并已用于增量式时栅的试验研究。     

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。     

齿距误差对时栅位移传感器的精度影响分析

传统时栅位移传感器采用线切割机床加工定、转子,线切割机床主要靠电火花的瞬时高温使局部金属腐蚀加工齿轮,导致加工效率低,齿距等分性差。然而,齿距等分性在一定程度上影响着传感器的测量精度。研究齿轮的齿距误差对传感器测量精度的影响,通过精密插齿工艺与线切割加工工艺下的齿距等分实验,可知前者的齿距等分性好于后者,比较两者的精度检定实验,可知精密插齿加工工艺的传感器精度优于线切割加工工艺的传感器精度±0.6″。     

基于CPLD设计的增量式时栅传感器增量信号处理电路

介绍了增量式时栅位移传感器的工作原理,在分析信号产生及增量测量方法的基础上,采用D触发器工作原理设计了防重复计数电路模块,并采用VHDL语言设计了增量及方向信号产生电路模块,解决了时栅传感器信号处理电路的增量信号输出问题。通过对增量信号处理电路在CPLD中的综合时序仿真,验证了电路设计的正确性。CPLD可再编程的特点便于后续开发对传感器测量处理电路的升级。     

基于迈克尔逊干涉原理的高精度位移传感器

介绍了一种新型的基于迈克尔逊干涉原理的高精度位移传感器,分析了其光学原理、测量电路和信号细分方法。该位移传感器还采用了一种新的光电管排列方法,使得信噪比较传统的光电管排列方法有极大的提高并且更便于光学调整。该传感器的测量分辨率高达5nm,可应用于表面形貌的高精度测量。     

基于DSP的偏振光位移传感器

提出了一种新型偏振光直线位移传感器的DSP实现。基于光的偏振特性、马吕斯定理和法拉第旋光效应,采用同光源双光路检测,实现了大量程直线位移的测量。     

一种高精度测量仪直线位移装置的设计

针对传统测长仪测量主轴系统存在结构复杂、装调繁琐、笨重且造价高等缺陷,考虑结构的简化与测量精度的提高,采用空气阻尼原理,设计出一种具有空气阻尼控制的直线位移装置,并将其应用于JC系列高精度数显测量仪。研究表明:该装置在测量过程中作直线位移时平稳、顺畅,保障了测量的稳定、可靠,完全满足高精度数显测量仪的使用要求。