基于数字内插法的时栅位移传感器信号处理系统设计

为了提高时栅位移传感器的动态性以及测量精度,设计了一种基于数字内插法的时栅信号处理系统;利用粗计数法和数字内插法将时栅信号分成粗测和细测两部分分别进行测量,降低了对插补脉冲频率的要求,提高了测量精度;同时采用SOPC技术实现了系统电路的高度集成,并利用自定义指令提高了数据处理速度;实验表明,采用该系统后,时栅在40 kHz激励情况下误差为±1.2″,实现了时栅信号的高精度测量。     

TDC-GP21电场式圆时栅传感器信号处理系统设计

针对时栅传感器信号处理系统需要高精度时间间隔测量的需要,设计了一种基于TDC-GP21芯片测量时间间隔的时栅信号处理系统.采用FPGA控制TDC芯片的高精度测量模式对整数部分时间脉冲进行计数,小数部分时间脉冲采用门电路延迟进行细测,使时间测量更为精确,从而提高了时栅位移传感器的分辨率;通过校准测量对测量结果进行补偿修正,减小了测量误差.实验结果表明:采用该系统后72对极的圆时栅在0°～360°测量范围内,传感器的原始测量精度达到±1″,分辨率为0.036″.     

基于SOPC的时栅位移传感器信号处理系统设计

为了提高时栅位移传感器的动态性以及测量精度,设计了一种基于SOPC技术的时栅信号处理系统,将数据的采集和处理集成在一片FPGA内,采用NiosⅡ处理,并将复杂的乘除运算加入了自定义指令,提高了时栅传感器的数据处理效率,采用傅氏级数谐波修正技术来进行误差修正,大大提高了测量精度。实验表明,采用该系统后,时栅在每分钟8转情况下误差峰峰值为2.2″。     

基于虚拟仪器技术的纳米时栅传感器实验研究

为了实现制造成本低、抗干扰性强、性能稳定的大量程、纳米精度位移测量,研究了一种基于交变电场耦合的纳米时栅位移传感器。利用虚拟仪器开发平台LabVIEW软件和PXI-5422任意波形发生器硬件设备相结合,实现标准波形的频率、幅值、相位的设置等功能。实验得出：通过调节激励信号的幅值可以避免安装位置的不同对纳米时栅精度的影响,调节相位可以提高其精度。虚拟仪器技术在纳米时栅实验中的应用为激励信号性能的改进与提高提供了技术支持,在纳米时栅特性的研究中提供方便。     

纳米时栅传感器高精度激励信号源研究与设计

纳米时栅利用正交变化电场构建的运动参考系进行测量,激励信号精度直接影响运动参考系匀速性,进而影响测量精度。针对纳米时栅需要高精度激励信号的要求,设计了一种采用闭环控制结构的高精度激励信号源,该信号源采用单片FPGA实现总体控制,完成采集控制、数据处理和波形数据产生等功能,利用16位高精度数据转换器构建信号发生电路及反馈电路,保证了对信号的精确控制。测试结果表明：输出正弦信号幅值精度为0.01%,相位精度为0.1%,并将纳米时栅原始精度从1.4μm提高至0.9μm。     

基于纳米时栅传感器安装偏差的测量精度分析研究

为了解析安装参数与测量精度的关系,根据纳米时栅的基本测量原理,构建出与动、定尺间距d0和正对面积变化量ΔS相关的数学模型.通过理论推导,分析了动尺在yz平面倾斜、xy平面偏转时会导致两路驻波幅值不等、相位偏移,从而给测量结果带来二次误差.实验结果表明通过调整动尺在yz平面与xy平面上的安装,对极内原始误差由4.86μm降低至0.84μm,证明动尺在yz平面倾斜、xy平面偏转为产生二次误差的主要原因.在行程200mm测量范围内,传感器误差峰峰值为400nm.实验结果验证了理论分析的正确性,该分析为传感器结构参数优化和实验方法的改进提供了有力的支撑,为进一步提升传感器精度提供了可靠的理论依据.     

基于电阻链移相的时栅高速测量方法研究

针对时栅位移传感器因频率响应慢影响测量速率的问题,提出了一种电阻链移相结合数据处理的方法.利用电阻链对时栅输出信号进行移相处理,采用多路模拟选择器和整形输出电路对移相后的信号分时输出,运用可编程片上系统(SOPC)技术进行数据处理和误差补偿.实验结果表明:采用该方法采样频率由原来的400 Hz提高到12.8 kHz,大幅度提高了现阶段时栅位移传感器的频率响应,使传感器实现了高速实时测量.同时能够有效地降低了随机误差,对极内的误差峰-峰值由1.5"降低为0.8",测量精度提高了近1倍.     

基于Qsys的时栅信号处理系统设计与实现

为提高时栅传感器位移测量精度和测量分辨力,研究采用FPGA嵌入式锁相环倍频产生4路同频且相位差为45°的高频时钟脉冲作为测量基准,利用多路并行双边沿计数方法对时栅参考信号和时栅感应信号进行相位测量,通过相位差转换得到具有高分辨力的时栅位移信号, 采用Qsys开发平台设计Nios－II软核进行数据处理,利用傅立叶级数谐波修正技术对测量结果进行误差修正,提高时栅传感器的测量精度,在72对极磁场式时栅角位移传感器上进行精度测试,实验结果表明:经过误差修正后,该系统测量的整周误差从－57.2″~ 92.5″下降到－2.0″~2.5″,作为角位移传感器满足高端装备高精度定位需求,具有重要的工程应用价值。     

基于TDC-GP2的高速时栅位移传感器信号处理系统的研究

随着时栅位移传感器的产业化发展,高速测量需求的趋势日益凸显,提出了一种基于TDC-GP2的时栅位移传感器信号处理系统。该系统采用STM32F4和AD9958产生时栅位移传感器所需的高稳定、高精度励磁信号,采用高分辨率TDC-GP2数字时钟转换器来测量传感器动、定测头的感应信号相位时间差,将测量结果送入微处理器中处理,以此到达以时间测量空间的目的。经实验表明:48对极时栅传感器整周(0~360°)的误差达到±2.3″,该方案优化了电路结构,提高了时栅位移传感器的测量精度。     

基于二维细分技术的时栅信号处理系统设计

为了提高时栅位移传感器的动态性能及测量精度,提出了一种基于FPGA和二维细分技术的时栅位移传感器信号处理系统;利用二维细分技术对插补脉冲进行倍频处理,降低了对插补脉冲频率的要求,通过倍频后的高频脉冲插补时栅感应信号和参考信号之间的相位差完成了时栅角位移的测量,提高测量精度;该系统在FPGA内基于NiosⅡ软核完成数据的采集和处理,简化了系统,并加入自定义指令提高了数据处理效率;实验表明,采用该系统后,时栅位移传感器在960 MHz插补脉冲下测量误差峰峰值为士1.3",实现了时栅的高精度角位移测量.     

基于STM32F4的时栅位移传感器信号处理系统集成化设计

设计了一种基于单片STM32F4芯片的时栅位移传感器信号处理系统,将驱动电源、信号采样以及数据处理与误差补偿集成在一片芯片中完成,采用数字频率直接合成（DDS）技术进行激励源的设计,利用输入捕获方式进行高频时钟脉冲插补来采集测量信号,由芯片集成的单周期DSP指令部件完成数据计算,并采用傅氏级数谐波修正技术来进行误差修正。实验表明：采用该系统后,72对极时栅误差峰峰值为3．29”,在保证精度的同时实现了时栅信号处理系统的集成化、小型化,降低了生产成本。     

纳米级光栅容栅融合测量系统研究

利用容栅测量系统中激励信号源的设计技术,产生一组多相输出的调制信号源,作为光栅测量系统的多相线阵光源激励信号,发出的多相调制光信号,再经过标尺光栅调制后,由光电转换元件接收并获得一个复合的电信号.该信号经处理电路后,可获得一个频率与激励信号源的基波频率相等的电信号,检测这两个信号间的相位差的变化,可得到标尺光栅的移动距离x.将容栅和光栅测量技术有机地结合,并通过提高相位检测电路的细分数和减小线阵光源的点距,可达到亚微米或纳米级的测量分辨力.     

直线式时栅传感器的动态测量与数据处理

针对直线式时栅传感器的动态测量,提出了直线式时栅传感器的主要动态误差源.采用直线光栅尺,光栅测量值作为直线式时栅传感器空间位置测量的标准量,直线式时栅传感器的预测测量值与之进行比较,从而得到动态预测测量的误差值.对测量的误差值进行数据的预处理:数据的截断和采样、异常数据剔除,预处理后对误差值进行频谱分析,提取出幅值和相...     

大量程纳米位移传感器的微纳加工制造

针对解决大量程纳米位移精度测量难度大的问题,提出了新型纳米时栅传感器。就大量程、高精度位移传感器的亚微米精度加工而言,宏观尺度范围内周期性结构单元一致性制造是保证位移传感器可靠性和高精度测量的关键所在。对上述提出的问题,采用高精度自动拼接曝光技术加工并实现了大量程标尺的图形转移,结合微纳加工方式实现时栅传感器亚微米级精度的制造。通过实验验证所加工出的样机能够达到预期目标,并且测量误差峰值在500 nm以内。     

基于游标细分方法的高精度时栅测量系统设计

为了提高时栅位移传感器的测量精度,介绍了一种不通过提高时钟频率而提高时栅测量精度的方法一游标细分法.借鉴于游标卡尺对齐细分的测量方法,对时栅时钟脉冲进行二次细分,实现了高分辨率、高精度时间量的测量,避开了复杂的电子细分.为了验证该方法的有效性,搭建了一套实验平台,实践证明:采用游标细分方法后,时栅位移传感器的时钟插补脉冲在41.7 ps的高分辨率下,测量误差峰峰值为±1.4”,实现了更高精度的测量.     

DDS在光栅传感器位移测量系统调试中的应用

针对光栅位移测量系统调试中直接用光栅传感器产生信号不方便的缺点,在研究光栅传感器输出信号机理的基础上,提出了采用直接数字合成（DDS）技术来模拟光栅传感器输出的两路同频严格正交信号,进行了DDS的原理分析,设计了相关电路,搭建了实验系统,完成了相关实验。实验表明：用DDS技术来模拟光栅传感器的输出信号,频率覆盖范围为0．1Hz-20MHz,频率误差和相位误差小于1％,整个系统电路设计简单,容易实现频率调整,能够满足实际需要。     

基于交变光强的新型时栅传感器行波信号设计

基于三相异步电机绕组方式的磁场式时栅位移传感器,通过旋转磁场得到行波信号强度较弱,并容易受到周围磁场的干扰.为了进一步提高时栅位移传感器行波信号的强度,提出一种基于交变光强的时栅位移传感器行波形成方法,并搭建了实验平台.实验表明:该设计方案产生出正确的行波信号,并且所得到的行波信号强度优于磁场式时栅位移传感器产生的行波信号强度.     

光纤光栅传感系统的现状及发展趋势

介绍了光纤光栅传感系统的构成,分析了光纤光栅传感系统所用的3种不同的光源LED,LD和掺铒光源的性能,阐述了光纤光栅传感器的工作原理和各种不同的温度和应力的区分测量方法,描述了滤波法、干涉法、可调窄带光源法等几种常用的信号解调技术,最后,提出适应未来的需要如何对光纤光栅传感系统的光源、光纤光栅传感器和信号解调进行优化。