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。     

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。     

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。     

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。     

单边引线结构的直线时栅位移传感器

为了克服传统直线时栅传感器双边引线的限制和手工绕线一致性差的缺点,结合磁场式时栅测量原理,开展了单边引线结构的直线时栅传感器研究,并通过有限元仿真验证了理论模型的可行性。     

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。     

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。     

具有自标定功能的直线时栅位移传感器

在极端特殊的环境下运用时栅位移传感器,过多的误差因素会导致其测量精度降低,如安装过程造成的偏移、电子元件参数偏差、外部影响介质的引入导致电磁场改变。在工业现场,常常没有使用高精度外部基准的条件,不能进行在线标定。为了解决上述问题,并在硬件上尽可能减少对标定系统的严格要求,本文提出了使用两个相隔一定间距(定距)的测量值函数,根据该函数解析出传感器的误差函数解析式,然后进一步求得其频谱式。根据该频谱式设计了一种具有自标定功能的直线式时栅位移传感器,其自标定原理是基于定距变换的误差频率扫描(频扫)。实验结果表明,在同样的条件下,该自标定方法所标定的精度与传统借助外部基准的标定方法的标定精度基本一致,两者与光栅对比误差为±2μm,自标定方法具有更高的效率以及更低的成本。     

基于驻波调制方法的新型时栅位移传感器

现有的时栅位移传感器利用三相电机绕组方式形成行波磁场,再通过切割磁力线感应出行波电场,最后通过比相得到位移量.为了摆脱时栅位移传感器的三相电机绕组方式,简化测量工作机理,进行了磁路分析并设计了新的机械结构,采用驻波调制方法直接得到行波电场.实验表明按该方法设计的传感器达到了较高的测量精度,简化了制作工艺,降低了成本,推进了时栅进一步发展.     

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。     

基于二次调制的高精度多圈绝对式时栅角位移传感器

提出了一种基于二次调制的高精度多圈绝对式时栅角位移传感器,该传感器由单圈绝对式传感器与多圈计数模块组成.首先,采用两级单排式时栅角位移传感器构成单圈绝对式传感器,通过第一级传感器构建四路正交的行波信号,将差动的两路行波信号直接反射,作为精测信号;同时,利用第一级四路正交的行波信号作为第二级传感器的激励信号进行二次调制,...     

基于分时方法的高精度反射绝对式 纳米时栅位移传感器设计

本文提出了一种反射绝对式纳米时栅位移传感器的传感方法。采用反射单列式传感器作为反射绝对式传感器的精密测量部分,记为传感器A。为了实现绝对位移测量,设计了一个与传感器A相差一个周期的反射单列式传感器,记为传感器B,利用传感器A与传感器B相位作差实现绝对位移测量。采用标准印刷电路板技术制作了传感器样机,搭建了实验平台,进行了实验测试。测试结果表明,激励电极引线方式对接收电极带来干扰,从而造成一次谐波误差。为了抑制误差,提出了交叉反射结构和分时方法,交叉反射结构将感应电极与另一端的反射电极引线相连,增大激励电极和接收电极的距离,分时方法通过不同时间段对传感器A和传感器B施加激励信号,并把不工作的电极接地。实验表明该结构和方法相互配合有效的抑制了干扰,最终在400 mm范围内,补偿后实现了±300 nm的测量精度。     

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。     

基于平面驻波磁场的二维位移传感器 测量原理与结构优化

在芯片制造、智能制造、航空航天等领域,精密平面定位迫切需要平面两维度位移的同步独立精密测量。本文提出一种基于电磁感应原理的平面位移传感器,由动阵面和定阵面组成。定阵面由m×n个平面螺旋线圈阵列串联而成,通入交变励磁电信号时在测量平面产生平面驻波磁场。动阵面由四个螺旋线圈以2×2矩阵形式排列,感应出振幅随x轴和y轴位移变化的四路调制信号,并利用Cordic算法求解两维度位移量。本文首先介绍了传感器的工作原理,对电磁模型进行有限元分析,并对位移解算算法进行数值模拟。根据仿真结果对测量误差进行分析溯源,优化传感器结构。制作传感器样机开展了实验验证,验证了传感器结构和位移解耦方法的可行性。实验表明,传感器在节距内最大误差为48.7μm,分辨率为0.317μm,在147 mm×147 mm量程范围内,传感器线性度达到0.15%,为高精度电磁感应式平面二维位移传感器的进一步发展提供了理论支撑和实验指导。     

电极几何尺寸误差对纳米时栅位移传感器测量精度的影响及其抑制方法

在纳米时栅传感器的制造过程中,由加工工艺引入的制造误差主要表现为电极几何尺寸误差。通过运用分段面积积分方法进行数学建模,详细地分析了电极几何尺寸误差对测量精度的影响,并揭示了采用多个感应电极进行信号拾取会具有一种平均效应,能够有效地匀化由电极几何尺寸误差随机变化所引入的测量误差。采用制造精度在1μm级的微纳加工工艺和制造精度在10μm级的印制电路板(PCB)工艺分别制作了两套量程为200 mm的传感器样机,并进行了精度对比实验。实验结果表明,由于平均效应的作用,PCB工艺制作的样机经过简单的线性补偿后,在满量程内取得了±250 nm的测量精度,接近微纳加工工艺制作的样机的测量精度。实验结果验证了多个感应电极平均效应的有效性。