典型位移传感器分类研究与时栅传感器特点分析

对现有广泛使用的主要位移传感器和全新原理的时栅位移传感器,按其测量基准、测量原理、数学模型和刻划媒介等方面的不同进行了科学分类,分析其间的联系与差别、优势与不足、各自适用的场合等技术特征。介绍时栅在测量原理上的先进性,经权威部门——中国测试技术研究院检定:目前圆式、直线式时栅的测量精度分别达到±0.8″、±0.5μm/m,分辨力分别达到0.1″、0.1μm。为了使时栅的测量精度向纳米级测量精度迈进,对基于电场和光场原理的纳米时栅进行了分析。另外对时栅的衍生技术-寄生式时栅及其在极端特殊环境下的应用前景进行了简单介绍。     

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。     

时栅位移传感器的误差修正实用技术

针对时栅角位移传感器定子和转子的加工误差对测量精度的影响,利用多测头法分离出多次谐波成分并加以修正.根据场式时栅角位移传感器的误差特点,针对32对极场式时栅进行了理论分析,分离并消除64次及64的整数倍次以外的谐波分量.定子和转子线槽的分度误差被修正以后,时栅角位移传感器测量精度达到了2′的预定指标.     

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″。     

寄生式时栅位移传感器测量原理与结构优化*

大型机床在实现全闭环数控过程中,现有测量方法存在回转工作台无法同轴安装角编码器、安装要求高、精度无法保证等方面问题,本文提出一种适用于大型、中空回转工作台角度测量的寄生式时栅位移传感器。传感器通过在两路空间正交的励磁线圈中通入两相时间正交的励磁信号,利用磁导调制方法得到相位差直接反映空间转角的电行波信号,从而实现精密角位移测量。建立由4个传感单元组成的传感器模型,采用电磁场有限元仿真软件建模并仿真,对仿真结果进行误差分析和溯源;根据分析结果对传感器进行结构优化并仿真验证;根据优化模型制作传感器实物,搭建试验台进行实验验证。实验结果表明,在整周范围内传感器测量精度达到±2″,实现了高精度测量,为寄生式时栅的进一步开发应用提供了理论依据。     

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″。     

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。     

电涡流传感器测量旋转齿盘位移的特性研究

基于造纸业关键装备盘式磨浆机磨浆间隙测控的精确和实时性的需要,讨论了磨浆盘齿结构与运行间隙特点;首次研究了用电涡流传感器测量旋转齿盘动态位移的特性和最佳特性曲线拟合方程.研究表明:对于通常磨浆盘齿参数齿高2～7 mm、齿宽2.4～4.5 mm和槽宽1.5～4.0 mm范围内,恰当的电涡流传感器的电涡流效应与齿宽和槽宽有关,而齿高参数的影响很小.直径为11 mm、灵敏度为2 V/mm、线性范围为5 mm的电涡流传感器对不同齿形齿盘的输出电压(U)-盘间隙(X)特性曲线其本一致,且均比无齿盘明显平行上移;当齿盘的盘间隙值相同、测点线速大于172 m/min(实际生产中为1200～1500 m/min)时,输出电压测量与显示值可靠.这为电涡流传感器用于旋转齿盘动态位移的新的测量用途和实现实时、精确测量磨浆间隙提供了理论依据.     

基于非线性磁场耦合的寄生式时栅位移测量方法

由于大型机床的回转工作台具有大型、中空、强冲击振动等特点,在闭环控制过程中无法安装传统角编码器,而现有检测方法具有安装要求高、精度无法保证等问题,提出一种利用与转台同轴刚性连接的蜗轮的齿槽等分特性实现角度测量的寄生式时栅测量方法。首先利用蜗轮蜗杆齿面坐标变换和啮合方程,建立蜗轮齿顶面数学模型;其次采用分段函数方法研究传感单元与蜗轮齿顶面磁场耦合面积变化,建立非线性磁场耦合条件下的位移传感理论模型。在特定蜗轮和传感器参数条件下,对传感器建模并进行有限元仿真。根据仿真结果修正理论模型,优化传感器结构并制作原理样机,搭建实验平台进行实验验证。实验结果表明,在整周范围内传感器静态测量误差峰峰值达到7″,为应用于非线性磁场耦合条件下的寄生式时栅位移传感器开发提供了理论依据。     

基于原子磁力仪的高精度电流传感器

高精度电流测量对产生核磁共振陀螺中稳恒磁场具有重要意义,基于光泵原子磁测量方式的新型电流传感器实现了对电流的精确测量,可应用在各种高精度设备的校准及其他精密探测领域.这种新型的电流传感器,具有极高的线性度,通过实验表明,基于光泵原子磁力仪的电流传感器线性度最高可达0.00001％,性能优于其他电流传感器,解决了线性度低...     

光学鼠标芯片在铁路转辙机动程检测中的应用

安捷伦(Agilent)公司的ADNS2051芯片是一种新推出的高性能的运动检测器件，在目前的光学鼠标中应用广泛，其易用性和廉价性使其非常适合应用于中低精度、低速运动的位置检测场合。借鉴光学鼠标原理，结合ADNS2051的功能、特点，通过对光学鼠标的改装来替代位移传感器在铁路转辙机动程测试中的应用，不但实现了测试功能，保证了测量精度，更降低了成本。     

加热式差分热电阻水位传感器的研制与试验

加热式差分热电阻水位传感器由加热热电阻和不加热热电阻构成,可连续测量水位。理论分析表明水位与差分热电阻ΔRt呈线性关系。水位传感器没有运动部件,热式原理直接敏感水位,测量精度高,工作安全可靠,寿命长。试验结果表明,传感器的测量精度可达±1.5%~±2.0%,该水位传感器尤其适用于核场或其他高可靠应用的场合。     

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。     

一种新的拉线式位移传感器的设计及其应用

研究了一种新的拉线式位移传感器的设计及其应用。简要分析了传统拉线式位移传感器的工作原理及其不足,针对此从结构上对这种传感器进行了优化设计,并从性能上对所设计的传感器进行了分析。实验证明所设计的传感器测量精度高、耐磨性好、具有良好的研究和应用价值。     

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″。     

基于IQPSO优化ELM的熟料质量指标软测量研究

水泥熟料游离氧化钙(f Ca O)含量是水泥生产过程的重要质量指标。针对难以建立其精确的数学模型和难以实时在线测量的问题,首先采用序列二次规划方法增强量子粒子群算法的局部搜索能力,提出了一种局部区域可调的改进量子粒子群优化(IQPSO)算法,并采用提出的IQPSO算法优化超限学习机(ELM)的输入层权值和隐层阈值参数,在优化过程中同时兼顾均方根误差和隐层输出矩阵条件数最小的原则,建立了基于IQPSO优化ELM的水泥熟料f Ca O软测量模型,仿真验证结果表明,IQPSO算法具有较高的搜索精度以及较快的收敛速度,建立的软测量模型精度高、泛化能力强。最后基于该模型,通过软件编程的方法给出了水泥熟料质量指标软测量仪表,实现了f Ca O含量的在线软测量。     

Direct measurement of skin-friction in shock/boundary-layer interaction flows

The direct measurement of skin friction at high speed is extraordinarily complicated due to the interference from various extraneous forces and the short test-time of high-speed facilities. The present study deals with the design and performance assessment of a skin friction sensor in a hypersonic flowfield with shock-boundary layer interaction, which is a predominant high-speed flow phenomenon. The experiment was conducted in the IIT Bombay Shock Tunnel (IITB-ST); the sensor was exposed to a flow with freestream Mach number, total enthalpy, and Reynolds number of 8.4, 0.69 MJ/kg, and 2.60 × 10⁶ m⁻¹, respectively. The shock-boundary layer interaction was induced by an oblique shock impinged on a flat plate, with a flow turn angle of 15°. The low magnitude average skin friction could be measured with an uncertainty of ±21%. The comprehensive study conducted confirmed the suitability of the skin friction sensor for high-speed applications in impulse facilities.