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。     

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。     

自动增益控制技术在时栅位移传感器信号处理中的应用

许多传感器都存在加工制造精度不足和安装误差问题,导致通过转换元件拾取的信号时强时弱,而信号幅值的波动又引起传感器的测量误差。针对这一问题,作者在“运用电子技术去弥补机械精度的不足”的思想指导下,提出了一种电子校正的方法,将无线电信号处理中的自动增益控制技术应用到传感器信号处理中,并设计了由乘除法器AD534构成的自动增益控制(AGC)电路。最后,以作者正在研制的时栅位移传感器为例,给出了采用自动增益控制技术前后的对比实验结果。     

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。     

差频式时栅位移传感器研究

本文对差频测量法的本质进行了深入探讨,进而将原有的差频式动态传动误差测量方法移植成为一种圆分度静态精密测量新方法,并提出一套用于差频电路方案工程设计的新方法－齿波对偶法,介绍了一种双联齿差频式时栅样机。     

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。     

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。     

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。     

基于线阵电荷耦合元件静态光场式时栅位移传感器研究

延续前期关于磁场式和电场式时栅位移传感器的研究基础,根据时栅传感器的设计思想,提出并分析光场式时栅传感器的测量原理及实现方案。探索性地提出在静态光场下,用时序驱动的光电探测器构成匀速扫描测量方式,实现将被测对象的空间位移测量转换为时间差的测量。为了验证方案的可行性,用多个线阵电荷耦合元件(Charge-coupled device,CCD)构成圆阵列,实现CCD时栅原理样机设计。将相邻CCD输出信号的时间差变化量与匀速扫描的速度值相乘,经过适当的转换便可得到转轴的角位移大小,并可以判断位移的方向。所研制的原理样机,通过与精度为±1″的圆光栅(ROD880)对比测量,在整周范围内,测量误差控制在±6°以内。为光场式时栅的进一步研究,提供了可靠的理论和实践依据。     

齿距误差对时栅位移传感器的精度影响分析

传统时栅位移传感器采用线切割机床加工定、转子,线切割机床主要靠电火花的瞬时高温使局部金属腐蚀加工齿轮,导致加工效率低,齿距等分性差。然而,齿距等分性在一定程度上影响着传感器的测量精度。研究齿轮的齿距误差对传感器测量精度的影响,通过精密插齿工艺与线切割加工工艺下的齿距等分实验,可知前者的齿距等分性好于后者,比较两者的精度检定实验,可知精密插齿加工工艺的传感器精度优于线切割加工工艺的传感器精度±0.6″。     

具备自标定功能的绝对式时栅位移传感器

时栅位移传感器的绝对式实现方法主要采用单对极+多对极和多对极差一对极组合两种形式实现。对于两层传感器结构的单对极+多对极的组合形式,由于极对数相差较多、分辨力差别较大,不利于实现高精度。对于差一对极的组合方式,由于极对数较多,在传感器原始加工精度较差时,会产生位置解算困难、甚至无法正确解算的情况。为解决上述问题,提出对极数呈互质关系的两层传感器结构的新组合模式。该模式可实现自校正,有效提高产品精度。通过试验验证了该方法的可行性,获取的传感器精度为-4.5″-3.9″。     

时栅位移传感器的增量式实现方法研究

为解决时栅与数控系统的接口问题,介绍了增量式光栅的增量方法,并据此研究了时栅的增量式实现方法;并用复杂可编程逻辑器件CPLD设计了一种实现时栅位移增量的控制电路。     

时栅传感器电气误差分析及补偿

测量仪器误差分析是测量仪器研制过程中的重要一环。为了确定影响仪器测量精度的主要误差因素,本文讨论了时栅传感器电气误差中零电平误差、电源误差的产生原因,提出用误差补偿技术来提高时栅的测量精度,对时栅传感器的批量化生产具有重要作用。     

增量式时栅位移传感器原理及试验研究

介绍了一种新型的增量式时栅位移传感器原理。通过设计传感器信号处理电路实现了其从原理到试验的转变,并且在增量式时栅位移传感器原理试验台上进行了测量试验。在分析测量数据的基础上验证了增量式时栅位移传感器原理的可行性。     

差动结构的平面二维时栅位移传感器

为了解决采用两套高精度一维传感、装置测量二维位移时存在的测量系统复杂、检测同步性难保证和解耦运算复杂等问题,提出了一种基于差动结构的二维感应信号直接解耦方法,用于研究一种平面线圈型二维时栅位移传感器。立足于传统电磁式时栅技术,构建了二维位移直接解耦测量模型,并设计了传感器的基本结构。利用ANSYS Maxwell 建立了传感器三维结构模型并进行了电磁仿真,并对仿真结果进行误差分析和溯源。基于此研制了传感器样机并进行了实验。实验结果表明：样机在79.2 mm×79.2 mm测量范围内,X方向误差为91 μm,Y方向误差为74 μm,可实现二维位移同步检测和直接解耦测量,且测量系统结构简单、体积小,对研究更高性能的二维时栅具有重要参考价值。