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。     

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。     

寄生式时栅角位移传感器的新型动态解算系统

为了将时栅角位移传感器应用于运动控制场合,设计了一套新型的测角解算系统。相比传统测角解算系统,该系统不仅实现了时栅角位移传感器的动态测量,而且降低了系统成本,有利于传感器高集成度、低成本设计。首先利用优化的坐标旋转数字计算方法(CORDIC)进行角度粗解算,然后利用三角函数在0附近微区间内呈现线性特性实现了高分辨率的误差线性补偿,完成角度的精解算。减少迭代次数的同时达到了较高的输出精度,实时性高。最后讨论算法本身带来的测量误差,同时,对整个系统的误差进行了溯源。以寄生式时栅角位移传感器为载体,通过调整了传感器的激励输入和利用高速AD的过采样技术,实现了基于寄生式时栅角位移传感器的整个解算系统的设计,同时搭建了测试实验平台,实验结果表明,在传感器输出信号较理想情况下,且允许的速度范围内,系统测量误差小于10″,可以满足动态测量场合下时栅角位移传感器的应用。     

寄生式时栅传感器测量不确定度的分析与评定

为了全面分析寄生式时栅误差和不确定度来源,提高寄生式时栅的测量精度,建立符合国际GUM规范检测结果的不确定度评定模型,以84对级的寄生式时栅为研究对象,根据其测量原理分析所测量角度的计算公式,进而将不确定度来源分为插补脉冲个数的误差、插补脉冲信号的量化误差、行波信号的周期误差和环境误差四大类,从理论上建立各不确定度分量之间的理论传递关系,应用现代不确定度理论,推导出合成测量不确定度计算公式。搭建实验平台,利用示波器等仪器的测量结果评定各不确定分量具体数值大小,计算被测角度的合成测量不确定度值。通过与寄生式时栅整圆周的实际测量误差相比较,可以看出利用该评定方法评定的传感器角度测量不确定度与实际误差相符,因此可以用于寄生式时栅传感器的实际评定。     

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。     

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。     

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″。     

时栅位移传感器动态误差模型及修正算法研究

时栅位移传感器的动态测量的重要性日益凸显,提出了一种时栅位移传感器的动态误差修正模型。该模型以动生电动势和感生电动势为切入点,将转动模型等效为动测头单位绕组横截面直线运动模型,建立了转子转速与时栅位移传感器动测头感应信号之间的关系数学模型。实验验证以低速标定好的时栅位移传感器为基础,提高转子转速,运用该模型对时栅位移传感器采集的原始数据进行预处理,然后运用谐波修正对其进行动态误差修正。实验研究表明:采用该模型后72对极轴式时栅位移传感器转速为2 r/min的误差为±2.4″,转速为4 r/min的误差为±2.88″。     

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。     

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。     

基于数字锁相放大的时栅传感器信号处理研究

针对时栅位移传感器对信号噪声和插补时钟频率稳定性敏感及需要时钟频率高的问题,提出了一种基于数字锁相放大技术的时栅位移传感器信号处理方法。该方法用STM32F4微处理器同步产生激励信号和采集时栅输出信号,不需采集正交参考信号,将正交参考信号和输出信号送入正交矢量型数字锁相放大器,实现角位移检测。研究了基于数字锁相放大技术的时栅传感器信号处理原理和算法,设计了A/D采集电路和窄带低通数字滤波器。仿真和试验表明:在信号噪声较大条件下,时栅位移传感器的误差控制在±1.1″以内,显著提高了精度。该方法只需采集一路感应信号即可实现传感器角位移检测,优化和简化了电路结构。     

基于平面线圈的高分辨力时栅角位移传感器

针对现有时栅角位移传感器采用漆包线绕制工艺加工线圈,导致线圈布线不均且容易随时间发生变化进而影响测量精度的问题,提出一种基于PCB技术的新型时栅角位移传感器。该传感器通过在PCB基板的不同层上布置特定形状的激励线圈和感应线圈,形成两个完全相同并沿圆周空间正交的传感单元;当在两传感单元的激励线圈中分别通入时间正交的两相激励电流后,通过导磁定子基体和具有特定齿、槽结构的导磁转子对传感单元内的磁场实施精确约束,使两传感单元的感应线圈串联输出初相角随转子转角变化的正弦感应信号;最后通过高频时钟脉冲插补初相角实现精密角位移测量。利用有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真。根据仿真模型制作了传感器实物,开展了验证实验,并对实验中角位移测量误差的频次和来源进行了详细分析。经过标定和补偿,最终获得了整周范围内误差在-2.82″~2.02″的时栅角位移传感器。理论推导、仿真分析和实验验证均表明,该传感器不仅能实现精密角位移测量,还能在激励线圈和感应线圈空间极距和信号质量不变的情况下,将位移测量的分辨力从信号源头提高1倍,且结构简单稳定、极易实现,特别适用于环境恶劣的工业现场。     

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。     

时栅传感器定距变换与误差频率扫描自标定法

时栅传感器在特殊恶劣环境中应用,面临安装偏差、电气参数偏移、外部导磁介质介入引起电磁场畸变等因素的影响,导致测量精度下降。现场又缺乏提供高精度参考基准的条件,无法实施在线标定。针对这一问题,本文提出利用两个相隔恒定间距测量值函数求解误差函数频谱的算式(定义为定距变换),并据此设计了一种基于定距变换的误差频率扫描自标定方法。该方法通过合理的间距组合,可对包含有限频率成分误差的时栅传感器实施误差频谱扫描,重构误差函数,在无参考标准器的前提下实现传感器的在线自标定。在此基础上,研制样机进行自标定和比对实验。实验结果表明:由于安装偏差和电气参数偏移引起±40″测量误差的时栅传感器,在实施误差频率扫描自标定后与参考标准器进行比对,二者差异小于0.7″。本研究为时栅传感器进一步提高测量精度以及在特殊环境的应用中保持精度提供了有效的解决方案和可靠的理论依据。     

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。     

时栅角位移传感器在线自标定系统

为解决时栅角位移传感器在实际应用中的在线标定问题,提出了一种定角平移自标定方法并设计了相应的自标定系统。该方法首先把圆周封闭的自然基准转换成定角基准,在时栅内部建立了自标定基准。然后,根据傅里叶级数的性质,将定角基准平移到傅里叶变换的幅值和相位中,建立了测量值之差与误差之差的函数关系。通过对测量值之差进行傅里叶分析,重构了时栅角位移传感器的误差函数。最后,讨论了影响自标定精度的误差来源,并设计了传感器的零点纠错算法。为了检验自标定效果,利用激光干涉仪实验装置与自标定系统进行了对比试验。结果表明:定角平移自标定精度为1.9″,与理论计算的自标定误差(1.5±0.5)″的结论相符。提出的自标定方法在解决时栅自身标定基准的同时,满足了精密测量领域对时栅精度和可靠性的要求。     

单圈绝对式电子经纬仪测角信号处理

为实现快速、高精度角位移测量,提出了一种单圈绝对式电子经纬仪测角信号处理算法。只需刻画脉冲左右边沿在阈值附近各2个采样点就可以快速估计出脉冲宽度和脉冲中心坐标;对现有文献细分方法进行改进,给出了基于多组刻画脉冲中心求解高分辨力细分角的公式;并对算法时间复杂度和抗噪声性能分别进行了分析与仿真。实验结果表明,本方法在水平方向上测角误差标准差仅为2.5″,平均每秒钟可测角输出25次,具有实现简单、只需较少计算量就可以获得较高测量精度的优点。研究结果可以为单圈绝对式电子经纬仪、全站仪提供一种新的测角信号处理实用方法。     

时栅角位移传感器自动检定系统

针对时栅角位移传感器产业化过程中产品质量检定环节采用人工检定方式导致工作效率低且容易产生漏记、错记进而影响产品质量检定的问题,研制了时栅角位移传感器自动检定系统。系统采用PMAC作为运动控制单元,以直驱电机作为驱动机构,有效减小传动环节误差,质量检定选用ELCOMAT3000型双轴电子自准直仪,全量程检定误差小于±0.25″。构建了参数化的直线梯形加速运动模型与产品质量检定算法,整个产品质量检定全部自动完成,检定精度高,工作效率得到有效提升,产品质量得到可靠的保证。     

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.