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%。     

基于多频磁场耦合的平面二维位移传感器

针对目前光刻机、超精密数控机床等高端超精密装备对于精准平面定位的要求,提出了一种基于多频磁场耦合的平面 二维位移传感器。 传感器组成为定尺和动尺,其中定尺由导磁基体和 X、Y 方向励磁线圈构成,动尺由导磁基体和 X、Y 方向感 应线圈构成。 通过对 X、Y 方向励磁线圈通入正余弦励磁信号,在定尺上构建出多频磁场耦合的二维均匀磁场阵列,动尺感应 出带有位移信息的电信号,经过理论推导和电磁仿真验证了多频磁场直接解耦差动结构和幅值调制解算方法的可行性,并对仿 真误差进行分析,并优化了传感器结构。 最后采用 PCB 工艺制作传感器样机并开展相关实验研究,实验结果表明:传感器在 150 mm×150 mm 的测量范围可对二维位移进行精确测量,其中 X 方向测量精度为±33. 08 μm,Y 方向测量精度为±36. 95 μm,优 化后的传感器样机 X、Y 方向原始对极内位移误差峰峰值在原有基础上降低了 49. 1% 和 50. 7% 。     

基于正交双行波磁场的平面二维时栅位移传感器

针对半导体行业、航空航天等领域对于精密二维位移测量的迫切需求,提出了一种基于正交双行波磁场的平面二维时 栅位移传感器。 传感器由定尺和动尺组成,定尺由导磁基体和沿 x、y 方向排列的两励磁线圈组成,动尺由导磁基体和沿 x、y 方 向排列的两层感应线圈组成。 当励磁线圈通入正余弦励磁信号时,在定尺上方产生分别沿 x 和 y 方向运动的正交双行波磁场。 通过对感应线圈输出的感应电信号进行解算得到 x 和 y 方向的位移值。 首先介绍了传感器的结构和工作原理,对传感器模型 进行了电磁场仿真;然后对仿真误差进行溯源分析,并优化传感器结构;最后采用印刷电路板技术制作了传感器样机,并设计相 应的电气系统进行实验验证。 实验结果表明该传感器在 160 mm×160 mm 测量范围内能够实现平面二维位移测量,x 方向节距 内位移误差峰峰值为 32. 8 μm, y 方向节距内位移误差峰峰值为 34. 5 μm。     

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。     

一种双边传感型电磁感应式直线位移传感器

由于现有直线位移传感器的动尺一般只在定尺一侧安装,所以传感器的测量性能不免受动尺与定尺间的间隙变化、平行度差等装配问题的影响。为了使传感器达到较高的测量性能,传感器的安装和运行轨迹往往需要满足苛刻的要求。针对该问题,文中开展了一种双边传感型电磁感应式直线位移传感器的研究。该传感器采用2个动尺实现了双边同时传感,以求减弱装配问题对传感器测量性能的影响。介绍了传感器的仿真实验和样机实验。仿真实验结果显示,双边传感型传感器输出的信号质量明显优于单边传感型传感器。样机的实验结果显示,传感器在双边结构下的测量误差比单边结构下小40%。文中提出的双边传感结构不仅弥补了单边传感结构的不足,而且为直线位移传感器的研究提供了一种新思路。     

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...     

一种基于PCB工艺的平面绝对式角位移传感器研究

文中研究的平面绝对式角位移传感器采用PCB工艺制造定子和转子。定子PCB包含正弦形平面激励线圈和环形感应线圈,转子PCB包含改变激励线圈和感应线圈耦合系数的铜箔阵列。传感器共有2个传感通道,2个通道的重复结构周期数相差为1,共同实现绝对角位移测量。文中对该传感器进行了有限元仿真,验证了其原理可行性。样机实验表明,在0°～360°范围内传感器的原始测量误差为-104.2″～28.8″。这种基于PCB工艺的平面绝对式角位移传感器,具有结构简单、厚度小的特点,非常适合机器人关节臂等对传感器体积要求苛刻的工作场合。     

多参数协同调制的高分辨力直线时栅位移传感器

为了解决高精度的直线时栅位移传感器依赖空间超精密刻线和刻线不均匀等问题,提出一种采用多参数协同调制的新型直线时栅位移传感器。该传感器通过在PCB基板上布置阵列的激励线圈和特定形状的感应线圈,通过调制感应的面积和线圈的参数,感应出电行波信号,经过整形后用高频时钟脉冲插补得到位移量。通过仿真分析设计与样机实验,得出实验结果表明,在不改变空间极距的情况下,使得分辨力在信号源头上提高1倍且有±68μm的测量精度。     

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。     

基于电涡流的多周期双极直线位移传感器

传统的基于电涡流的多周期位移传感器由于输出信号的周期重复性,难以解决断电重启后的绝对位置识别问题。 提出 一种基于电涡流的新型双极直线位移传感器。 经过理论与仿真分析,验证了随着滑片的滑动,接收线圈中感应电压的幅值呈现 正余弦变化。 设计了双极敏感结构,通过上极多周期接收线圈保证位移的精确测量。 下极布置单周期接收线圈对上级所处周 期进行识别。 通过感应信号偏移及幅值归一化处理算法提高精度,在实验室搭建传感器样机,以高精度电控平移台进行测试。 经测试,新型多周期双极电涡流直线位移传感器可以实现绝对位置测量,在 0~ 60 mm 量程内测量误差为 30 μm,最大非线性为 0. 08% 。 突破了传统多周期涡流式位移传感器绝对位置无法识别的局限。     

基于磁弹效应的索力传感器原理与实验研究

从逆磁致伸缩原理出发,推导出材料的磁导率与材料所受外力,外磁化强度及材料的温度有关.在此基础上,推出了磁导率与索力的基本关系式.讨论了一种双套筒结构的索力传感器,包含激励线圈,感应线圈.选用脉冲式的恒定电流激励,测量感应线圈上感应电压的变化来反映拉力的情况.并对磁导率的工作点选取方法做了重点讨论,同时也做了温度补偿.最后,利用万能拉力机做了传感器的拉力实验.结果表明,该索力传感器结构简单,测量重复性好,可用于桥梁等大型结构的索力测量.     

基于气隙磁场分层耦合的直线时栅位移传感器研究

针对前期研制的电磁式直线时栅位移传感器高信噪比和高时间插补分辨力难以兼顾的问题,设计了一种提高传感器信噪 比的新传感器结构,另外提出了一种高信噪比、高时间插补分辨力的测量新方法,并研制了基于气隙磁场分层耦合的直线时栅位 移传感器。 建立传感器气隙磁场数学模型,分析气隙磁场空间分布特性,研究平面线圈气隙磁场分层耦合的原理;根据气隙磁场 分层耦合原理,建立传感器气隙磁场分层耦合位移测量模型;对传感器测量模型进行电磁场仿真和误差分析;最后,搭建实验平台 进行对传感器的性能进行测试。 实验结果表明,采用气隙磁场分层耦合的结构提高了传感器的信噪比,传感器的测量精度在原有 的基础上提高了 31. 4% ;采用的高信噪比和高时间插补分辨力测量方法,传感器的测量精度在原有的基础上提高了 37. 3% 。     

基于离散绕组的磁场式时栅位移传感器及误差特性

针对高精度位移传感器难以加工的难题,提出一种基于离散绕组的磁场式时栅位移传感器。通过设计离散激励绕组排布方式与感应绕组的形状控制感应位移信号的变化规律,通过组合测量方式实现精密位移测量。通过理论建模、仿真分析与实验验证揭示了激励信号误差和安装偏差对传感器测量精度的影响规律。实验结果表明：两路激励信号的幅值不等和安装偏差都会在对极内测量精度中直接引入直流分量误差和2次谐波误差,其中2次谐波误差是误差的主要成分。安装偏差越大,2次谐波误差越大,动尺沿Z轴偏摆姿态对测量精度的影响最大,沿Y轴翻转姿态引入的误差次之,沿X轴俯仰姿态引入的误差最小。误差修正后传感器在144 mm的测量范围内,测量误差峰峰值为4.5μm,分辨力为0.15μm。通过毫米级尺寸的激励和感应绕组实现微米级精度测量,可显著降低传感器的制造难度,具有重要的工程应用价值。     

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。     

数显技术在大型机床上的应用

目前标准式直线感应同步器,每块定尺的有效长度仅为150mm,对于大型机床,都需要将定尺接长使用,本文主要介绍标准定尺的接长和安装使用。直线感应同步器的安装要求直线感应同步器是高精度的位移检测元件,它的安装质量好坏将有接影响感应同步器数显装置的系统精度。感应同步器由定尺、滑尺组件和防护罩三部分组成。定尺组件由定尺和定尺座组成;滑尺组件由滑尺和滑尺座组成,它们分别安装在机床上两个作相对位移的部件上,以检测相对位移。防护罩主要防止铁屑进入定、滑尺之间的气隙,损坏定、滑尺绕组,同时对空间磁场也有一定的屏蔽作用,可提高系统的抗干     

旁路励磁的钢缆索索力传感器参数设计与实验

建立钢缆索索力传感理论模型,分析了施加在缆索材料上的力信号(外力和应变)与磁信号(磁感应强度、磁场强度)之间的耦合关系;提出一种改进的旁路励磁索力传感器,用磁导分析法对磁路做了详细的推导,结果表明可通过检测感应线圈的感应电压反映材料所受的外力;在缓变力情况下,传感器灵敏度与感应线圈的匝数、外激励磁化场及该磁化场下的材料磁导率有关.重点从激励磁化方式、参考工作点的选取、传感器的尺寸设计等三方面做了讨论,确定了传感器的参数.最后,利用万能拉力机对该种结构的传感器做丫拉力模拟实验,传感器最大重复性误差为0.27%,实验结果与理论基本一致,表明所建立的索力传感器理论模型可行,对传感器的磁路计算、参数设计合理,可用于钢缆索的索力测量.     

电感式磨粒传感器中铁磁质磨粒特性仿真研究

针对机械装置的在线监测传感器,模拟了铁磁质磨粒通过传感器过程中传感器线圈的磁场和感应线圈的感应电压瞬态变化特性.考虑了线圈与铁磨粒的材料、线圈匝数和激励线圈的输入电压等因素,应用Jmag Designer I0.4软件建立了传感器的二维有限元模型.仿真结果揭示了磨粒运动过程中线圈磁场与感应线圈中感应电压的变化规律,获得了感应电压与球形磨粒的直径大小的立方成正比,与磨粒运行速度成正比.研究结果对于电感式磨粒传感器的开发具有重要的指导价值.     

非接触电感式角位移传感器的设计与校准

本文设计了一种非接触电感式角位移传感器,该传感器由定子和转子组成,其中转子由扇形铜箔获得,定子包含一组激励线圈,一组接收线圈以及后续处理电路。当给激励线圈通入交变电流时,相邻两个接收线圈产生的感应电动势大小相等,方向相反,此时感应电压为0,当转子在接收线圈上方转动时,转子中产生的涡流会导致相邻两个接收线圈感应电压产生不同的变化,经过理论与仿真分析,验证了随着转子的转动,接收线圈中感应电压的幅值呈现正余弦变化。本文编写算法对正余弦信号进行识别与校准,以定位精度为0.000 3°的高精度时栅转台为基准对样机进行测试,结果表明校准完成后,在0°～360°范围内该传感器误差为0.1°,满足实际生产需求,验证了该方案的可行性。     

数字显示装置在立车上的应用

感应同步器与数显表是一种位移指示装置。将它组合后安装在立式车床上,通过感应位移,在数显表上自动显示出工件的加工尺寸。它具有使用直观、测量精度高、保证加工质量、减少中间测量次数、提高生产效率的显著特点。一、感应同步器及其安装直线感应同步器由定尺和滑尺组成。定尺安装在机床的床身上,滑尺安装在刀     

可抑制端部效应的平面磁场式直线时栅位移传感器

针对前期研制平面磁场式直线时栅位移传感器存在的端部效应致使匀速运动坐标系均匀度降低的问题,提出了一种抑制平面线圈端部效应的方法,构建均匀性更高的交变磁场,并研制出了一种可抑制端部效应的新型平面直线时栅位移传感器。建立了平面线圈励磁数学模型,分析端部效应对均匀磁场的影响程度,提出了双层互补式激励线圈结构抑制端部效应方案;建立了新型平面直线时栅位移测量模型,采用空间正交的双列激励单元,实现了行波信号的合成并通过仿真验证了方案的有效性;建立了仿真模型,分析端部效应对传感器测量精度的影响,并优化传感器参数;基于PCB工艺制造了量程为228 mm的新型传感器样机并与传统传感器样机展开了对比实验,实验结果表明,新型平面直线时栅位移传感器能够有效地抑制传感器的端部效应,提高测量精度,传感器对极内原始测量精度从±20μm提高到±10μm。