基于ARM的直线式时栅传感器自动闭环控制系统设计

设计的自动闭环控制系统,是为了完成直线式时栅传感器数据的快速采样,提高测试效率。基于PHILIPS公司的ARM处理器LPC2214作为主控芯片,设计了控制电路,控制步进电动机驱动滚珠丝杠,带动直线式时栅传感器的动测头与直线光栅的扫描头同步运动,同时接收直线式时栅传感器的反馈信号,并与上位机之间进行串口通信。实践证明:系统响应速度快,控制精度能达到0.1μm。     

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。     

基于ARM的直线式时栅位移传感器A/D转换电路设计

利用时空转换思想,以时间基准测量空间位移量,设计了基于ARM的直线式时栅传感器A/D转换电路。采用STM32F407VGT6型ARM处理器与AD7298BCPZ型12位A/D转换芯片相结合,利用嵌入式Linux实时操作系统的移植,使得系统具有更好的可靠性与实时性。实验表明:设计的A/D转换电路,最小分辨时间为2.44 ns.能够更好的实现传感器的高速、高分辨率采样,实现了直线式时栅传感器的实时误差修正与补偿,为高精度直线式时栅传感器的研制提供了技术支持。     

直线式时栅传感器的自动定位闭环控制系统设计

为了实现直线式时栅传感器数据的快速采样,提高测试效率,设计了一套高精度自动定位系统。该系统采用ARM作为主控芯片,控制步进电机驱动滚珠丝杠,带动直线式时栅传感器的动测头与直线光栅的扫描头同步运动,同时接收直线式时栅传感器的反馈信号,形成高精度闭环控制,并与上位机之间进行串口通信。系统定位精度达到0.1μm。     

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。     

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。     

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。     

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。     

寄生式时栅传感器动态测量误差的贝叶斯建模

为了提高寄生式时栅传感器的测量精度,分析了它的工作原理和动态误差组成,得到其主要误差分量为常值误差、周期误差和随机误差等。针对寄生式时栅误差特点,建立了寄生式时栅动态误差高精度预测模型,并与其他建模方法进行了比较。选用插入标准值的贝叶斯预测模型,以实际测量的传感器第一个对极动态误差数据进行建模,在后续对极特定位置插入部分实际误差测量数据,建立误差预测模型,预测了传感器后83个对极的动态误差。另选用三次样条插值和BP神经网络建模方法对寄生式时栅整圈动态误差建模,并与建立的误差模型进行了对比。验证实验表明,三次样条插值建模时间最短(0.62s),但其建模精度不高(16.050 0″);贝叶斯动态模型建模时间(0.86s)略长于三次样条插值,但建模精度最高(0.415 3″);BP神经网络建模时间最长(32min),但建模精度最低(19.680 2″)。同时贝叶斯插入标准值建模方法所需数据点(69395个)远少于三次样条和BP神经网络建模数据点(235526个),节省了大量的标定时间和建模数据量,因此可用于寄生式时栅传感器的动态测量误差高精度建模修正。     

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。     

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。     

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。     

纳米时栅位移传感器电场分布与误差特性研究

针对现有纳米测量技术量程小和测量环境要求苛刻等不足,提出研究一种以高频时钟脉冲作为计量基准的新型纳米位移传感器,利用差动平行电容极板构建的交变电场进行精密测量.为了优化传感参数并提高测量精度,对纳米时栅传感器在不同参数条件下的电场分布与误差特性进行了研究.首先根据其测量特征,利用ANSYS软件建立二维仿真模型,对不同参数条件下传感器的电场分布进行分析;再通过实验验证,找出不同参数与误差特性之间的关系;最后根据仿真和实验结果,对传感参数进行优化设计.实验表明:在200 mm测量范围内,传感器精度达到±300nm.为纳米时栅优化设计和精度提高提供了可靠的理论依据和技术支持.     

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。     

增量式光栅转化为绝对式时栅的理论方法与技术实现

分析了光栅、感应同步器和时栅3种典型传感器的原理和数学模型.找出它们在原理和技术上的共同之处,进而提出一种新的设计方案,从原理上证明可以将低精度低分辨力增量式光栅传感器,利用感应同步器的电行波产生原理,转换成为高精度高分辨力时栅传感器.设计实验平台进行了原理验证性实验,实验结果表明,利用时空正交驻波合成行波的方法可以实现将增量式光栅转化为绝对式时栅.最后对实验中影响行波质量的原因进行了分析,并提出了解决方法.     

基于变耦合系数变压器原理的时栅位移传感器设计

原有的时栅传感器设计中采用了电机绕组产生旋转磁场的方案，但是电机定子绕组分布不均带来了误差。原有的差线栅传感器中采用了齿栅的结构，但实验表明它对齿的加工精度太敏感。本文提出了一种新的行波形成方法，实验表明，按此方法设计的新的传感器，可以解决上述2个问题。