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。     

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。     

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。     

变耦合系数型时栅位移传感器后期处理新方法

由于变耦合系数型时栅对于定子齿和动子齿的依赖性比较大,所以该类型时栅除受激励谐波影响外还要受齿谐波的较大影响,其结果为合成行波的驻波并非呈标准正弦形式变化,而将驻波直接叠加的原始方法会将这种非标准正弦的误差带进行波.文中介绍了一种新的后期信号处理方法,仿真与实际实验表明,新方法不但可以解决上述问题,而且还可以抑制两路驻波中的共模干扰.     

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。     

基于气隙磁场分层耦合的直线时栅位移传感器研究

针对前期研制的电磁式直线时栅位移传感器高信噪比和高时间插补分辨力难以兼顾的问题,设计了一种提高传感器信噪 比的新传感器结构,另外提出了一种高信噪比、高时间插补分辨力的测量新方法,并研制了基于气隙磁场分层耦合的直线时栅位 移传感器。 建立传感器气隙磁场数学模型,分析气隙磁场空间分布特性,研究平面线圈气隙磁场分层耦合的原理;根据气隙磁场 分层耦合原理,建立传感器气隙磁场分层耦合位移测量模型;对传感器测量模型进行电磁场仿真和误差分析;最后,搭建实验平台 进行对传感器的性能进行测试。 实验结果表明,采用气隙磁场分层耦合的结构提高了传感器的信噪比,传感器的测量精度在原有 的基础上提高了 31. 4% ;采用的高信噪比和高时间插补分辨力测量方法,传感器的测量精度在原有的基础上提高了 37. 3% 。     

时空坐标转换理论与时栅位移传感器研究

剖析了各种调制式位移传感器工作原理和数学模型,按照“用时间测量空间”的思路,借助于伽里略变换,首次提出“带时间考查点对运动双坐标系”思想,将位置之关地时间之差进行测量,最终抽象总结成为一套时空坐标转换的新理论,由此指导设计出一种全新的位移传感器－时栅。     

一种新型齿电式时栅位移传感器研究

提出一种可同时兼顾动态测量、静态测量的齿电式时栅传感器,这种传感器把定子分为上、中、下三层,在三层槽齿上分别绕有对称
的三相绕组,使传感器的极对数达到槽数的1/2,以达到用低等分的加工精度实现高精度测量的目的。实验结果表明,该齿电式时栅传感器精度达到2.1″,且成本低廉。
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基于波动方程的时栅关键技术研究

以时栅位移传感器的测量原理为基础,从波动学的角度对其测量的基本思想——以时间量来测量空间量作了深入的分析。给出了理想的恒速运动坐标系——行波的具体实现方法,使传感器中运动坐标系的实现有了理论指导,时空坐标转换理论的内涵更加深入。     

基于FPGA的时栅传感器信息处理系统

提出一种基于FPGA技术的时栅传感器信息处理系统解决方案,该系统通过在单片FPGA上基于NoisⅡ软核实现整个系统的构建.经过对时栅传感器样机的测试,完成了利用高频脉冲插补感应信号和参考信号之间相位检测,实现了高精度、高分辨力测量角位移量.     

阻抗电桥技术在时栅位移传感器设计方案中的应用

在时栅电行波形成方案基础上,提出一种基于阻抗平衡电桥技术的电行波形成新方法,利用平衡电桥,将原有的电量敏感改变为电参数敏感,直接实现位移量与高频激励的调制,取得了很好的实验结果。     

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。     

基于磁敏元件的寄生式时栅传感器仿真分析

传统寄生式时栅位移传感器采用线圈传输电信号,不能保证线圈本身及绕线质量,导致寄生式时栅位移传感器体积大、灵敏度低、功耗大。根据寄生式时栅位移传感器的工作原理,选择一种基于磁敏元件代替绕制线圈的方法。用ANSOFT/Maxwell对磁钢和磁敏元件的气隙磁场、磁敏元件与被测齿轮之间的距离、磁钢大小和形状进行仿真,比较分析可知3mm×3mm×2mm的长方体磁钢在气隙为3mm的情况下能够满足磁敏元件的工作要求。     

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″。     

一种环型驻波超声电机的结构设计与工作机理

对环状超声电机定子中驻波的特征进行了分析,探讨了驻波状态下电机定子端面质点轨迹与矩形板表面质点运动轨迹之间的差异,指出驻波状态下圆环定子内圆周侧面上只有靠近波峰和波谷附近的区域和电机转子相接触,且接触区域的正压力会增大。设计了一种新型驻波超声电机,电机定子内侧面采用矩形小齿结构,并且实现了电机的薄型化。分析了此驻波电机的工作机理,证明利用驻波状态下波峰和波谷位置矩形小齿的位移能够驱动电机转子。制作了样机,完成了电机定子性能测试和电机运行实验。实验结果表明,电机在输入单相电压信号时能实现平稳运转。     

时栅传感器动态自动测试与标定系统

时栅传感器误差曲线的动态自动标定工作,在保证精度的同时,大幅度减少了标定所需的时间。同时,利用软件实现卡尔曼滤波方法,进一步提高了动态标定精度。文中主要介绍了系统工作原理及动态标定的方法,使用结果表明:动态自动测试效率和标定精度达到了预定的指标。     

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。