圆形磁耦合截面构建的新型时栅位移传感器

现有磁场式时栅位移传感器暴露出机械加工齿槽等分性差和线圈绕制参数一致性差,导致耦合磁场形成的电信号质量较差的问题.针对以上问题,提出了一种以圆形截面铁磁材料替代传统类矩形截面铁磁材料构建耦合磁场形式的传感器设计方法,该方法采用标准件作为基本阵列导磁单元,并以定制的精密线圈绕组设计一种新型的变磁阻式时栅位移传感器.文中首先利用有限元软件ANSYS Maxwell对理论模型的可行性进行了仿真验证,然后通过精度实验获取了误差范围在±1.3"内的误差曲线,仿真与样机实验验证了新型传感器设计方案的可行性.该方法的应用规避了传统的线切割开槽绕线的机械加工形式,可以在有效提高电信号质量的同时大大提高了时栅的生产效率,有利于时栅位移传感器产品化进程的推进.     

双层反倾线圈结构的直线时栅位移传感器研究

针对前期研究的双层直线时栅位移传感器测量误差成分中四次谐波较大,影响传感器测量精度的问题。根据双层激励线圈的结构特点,提出了一种双层反向倾斜线圈结构的直线时栅位移传感器设计方案。通过构建双层反倾线圈产生磁场的数学模型,分析了双层反向倾斜线圈的磁场状态,并利用电磁场有限元仿真分析双层反倾线圈直线时栅位移传感器中倾斜大小和动定尺之间的气隙对测量误差与误差谐波成分的影响,确定了最优化的设计参数。采用PCB(Printed Circuit Board)工艺研制了78个节距大小的传感器样机并进行了精度测试。实验结果表明,双层反倾斜线圈结构对原双层直线传感器中误差四次谐波抑制效果显著,在同样设置条件下,将原测量误差成分中四次谐波从40μm抑制到7μm,抑制效果达到82.5%。最终经过误差修正后的传感器对极内精度达到±13μm。     

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.     

基于平面线圈的油液磨粒监测传感器设计

为了提高油液管道直径增加后感应区磁场均匀性,减小测量误差,根据电磁感应原理,设计了一种新型的在线油液 磨粒监测传感器。传感器使用一组安匝比为15/7/15的平面线圈在直径1ｍｍ的油管中产生均匀磁场以提高传感器探测金属磨粒的性能,使用COMSOL建立线圈模型并仿真,传感器线圈产生的磁场在感应区60％范围变化率小于1％,相同磨粒在油管径向不同位置的电感变化误差平均值为5％,根据仿真设计制作线圈实物,传感器能测量和分辨粒度100μｍ 铁磨粒和100μｍ 铜磨粒,同一磨粒位于管道轴线和管壁的电感变化误差不超过6.25％。仿真研究和实验结果证明新模型在管道径向产生的磁场更加均匀,可以有效减小粒子在管道径向运动带来的误差。     

基于遗传算法的时栅误差参数辨识与补偿方法研究

针对现有磁场式时栅角位移传感器原始测量精度低且误差成分复杂等特点,提出一种基于遗传算法的误差参数辨识与补偿方法,该方法根据时栅误差数学模型抽象出适应于生物遗传法则的遗传算法模型。首先将磁场式时栅误差辨识参数的样本数据进行针对性训练,并设置约束条件,然后利用遗传算法的“部分可观测黑箱性”特点进行数据样本迭代,并与时栅误差参数建立的目标函数寻求最佳逼近,以此完成误差参数的最优估计和误差曲线的最佳补偿。实验研究表明,采用遗传算法建立的时栅误差参数辨识模型辨识准确,对时栅误差成分中最主要的二次、四次误差有明显减少作用,其中二次误差减小66.67%、四次误差减小54.05%;与此同时,对一次误差及高频误差成分也有不同程度的抑制。     

基于平面磁场的双列结构绝对式时栅传感器研究

针对绝对式位置传感器编码复杂和加工工艺要求较高的问题,本文提出了一种基于平面磁场的双列结构绝对式时栅位移测量新方法.研究采用两列不同极距的"几"字型结构定尺绕组产生运动磁场,通过动尺电磁感应方式构造两列空间位移信号,建立两列空间位移信号相位差与运动位移的线性映射关系,通过粗通道定位和精通道测量实现绝对式位移测量.通过理论推导和模型仿真分析证明了绝对式位移测量方法的正确性.制作了PCB传感器样机进行了实验研究,结果表明传感器通过修正后定位精度可达到±9.6μm.此绝对式时栅位移传感器不仅具有结构简单,成本低廉等优势,还有效克服了传统绝对式位置传感器编码复杂和加工工艺要求较高的问题,可应用于复杂机电系统实现精密绝对定位,具有重要应用价值.     

双丝差动型磁致伸缩位移传感器结构设计

为了降低现有磁致伸缩位移传感器信号的各种噪声干扰,有效的提高测量精度,减小误差,提出了一种新型的双丝差动结构设计方案;分析了传统单线圈磁致伸缩位移传感抗干扰能力和精度的不足,并通过电路信号测试对比、传感器精度实验、稳定性实验对比论证了本方案在提高传感器精度和抗干扰能力方面的优势,为产品化的磁致伸缩传感器结构设计提供了一种全新的思路.     

基于光场耦合的时栅位移传感器设计

为了实现制造成本低、易加工、高精度的位移测量,设计了一种光场耦合式的时栅位移传感器.介绍了利用基于交变光场的两路驻波合成电行波信号,并通过鉴相的方式实现空间位移转换的测量原理;完成了传感器的结构设计,给出了传感器的系统框图,具体分析了信号处理电路的功能.实验结果表明:光场耦合式的时栅位移传感器在108 mm范围内误差为±0. 5μm.     

高精度磁场式时栅传感器激励信号对测量误差的影响分析及系统设计

为提高磁场式时栅传感器测量精度,本文从理论上推导分析了时栅传感器激励信号源幅值和相位不一致产生的谐波成分对时栅传感器测量精度的影响,提出了一种基于DDS原理并采用完整闭环调节的高性能时栅激励信号源设计方案。以FPGA为微处理器,通过编程分频系统时钟,设置频率、相位控制字对DDS输出的信号频率、相位进行调节,使用增益控制器配合相位累加器实现相位到幅值精确转换。搭建了信号调理电路和信号反馈电路,通过实时对比反馈控制,解决了系统电路阻抗不匹配及干扰导致的激励信号相位不正交性和幅值不一致性的问题。实验结果表明：本文所设计的激励信号源输出信号幅值相对误差只有0.4%,正交性相对误差只有0.05%,并且采用该激励信号源,磁场式时栅传感器测角原始误差从±103.4"降低到了±20.3",有效抑制由于激励信号源幅值不一致和相位不正交带来的谐波误差。经修正后对极内角位移测量误差只有±1.3",整周角位移测量精度达到±2",满足高精度位移测量要求。     

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.     

一种新型MEMS微驱动器的设计与仿真分析

提出并设计了具有双稳态功能的新型电磁型MEMS微驱动器结构形式。微驱动器由导磁的两端固支的扭梁、两端可自由摆动的悬臂梁,以及永磁体、下磁路和平面线圈组成。永磁体的使用,实现了器件的双稳态功能,从而可以得到低功耗的磁驱动器。通电线圈用来实现器件的姿态转换。对设计的器件进行了电磁仿真分析,验证了器件的双稳态机制,分析表明:铁芯的存在对器件功能有决定性的影响。     

时栅位移传感器中利用光电技术产生电行波信号的新方法

原有的基于变耦合系数变压器原理的时栅位移传感器方案,采用通过旋转改变齿面间的距离以改变电磁耦合系数的方法得到电行波.但试验结果显示,所得电行波信号相对较弱,载波较大,难以滤除,且很容易受到周围电磁环境干扰.为了克服上述问题,基于相同的原理,又提出了一种利用光电技术产生电行波信号的新方法,使时栅位移传感器的研究工作跳出了长期依赖电磁转换原理设计传感器的思路,并在实验中取得了良好的结果,所得行波的质量明显改善.     

时栅位移传感器的误差分离与补偿方法研究

为进一步提高时栅角位移测量系统的测量精度,降低生产成本和生产时间,根据时栅传感器的误差组成和误差特性,提出了一种新的误差补偿方法;同时建立了基于傅里叶函数的误差分离模型。该补偿方法将沿空间正弦分布的非线性误差转化成线性误差,并运用最小二乘法理论对系统的误差进行补偿。通过试验与测试证明,采用该方法进行误差补偿可以大幅度提高时栅角位移测量系统的测量精度。     

坑道水核磁共振探测激发磁场计算与测试方法研究

提出一种测量激发场垂直于地磁场分量的测量方法：应用固定线圈电磁感应法测量激发场,应用磁通门传感器测量地磁场,通过矢量运算求解激发场垂直于地磁场的分量。制作了激发场测量装置,通过对比激发场的径向分量和轴向分量的理论计算值和实测值,验证测量装置有效性。分析固定点处激发场垂直于地磁场的分量受线圈布设方向的影响,推导出固定点处激发场垂直于地磁场的分量取最大值时线圈布设角度求解方法,为实际探测线圈布设方向提供理论指导。     

面向机器人运动跟踪的电磁定位系统

电磁定位具有精度高、速度快和易实现等优点,所以对手术、室内和室外机器人跟踪是一个良好的选择。电磁定位以交变电磁信号作为源信号。交变的电流信号激励发射线圈（信号激励部件）在空间中产生交变的电磁场,感应线圈（信号感应部件）在交变的电磁场中输出频率相同的信号。根据输出信号的幅值和相位信息,我们可以计算出感应线圈相对于发射线圈的位置和方向信息。本文面向机器人定位跟踪,介绍电磁定位系统的原理与实现,包括磁场模型、电磁定位算法与系统软硬件的搭建与实验。本文介绍两种不同的激励模式,分别为分时激励3轴正交发射线圈模式与同时激励2轴正交发射线圈模式,两种模式中的感应线圈均采用3轴正交线圈。实验结果表明,定位系统可以达到1 mm的定位精度。     

Two-axis micro fluxgate sensor on single chip

We present a two-axis micro fluxgate sensor on single chip for electronic compassing function. To measure X- and Y-axis magnetic fields, functional two fluxgate sensors were perpendicularly aligned and connected each other. The fluxgate sensor was composed of square-ring shaped magnetic core and solenoid excitation and pick-up coils. The solenoid coils and magnetic core were separated by benzocyclobutane which had high insulation and good planarization characters. Copper coil patterns of 10 μm width and 6 μm thickness were electroplated on Ti (300 Å)/Cu (1,500 Å) seed layers. 3 μm thick Ni_0.8Fe_0.2 (permalloy) film for the magnetic core was also electroplated under 2,000 gauss. Excellent linear response over the range of ?100 μT to +100 μT was obtained with the sensitivity of ～280 V/T. Actual chip size was 3.1×3.1 mm². The sine and cosine signals of two-axis fluxgate sensor had a good function of azimuth compass.     

MEMS micro fluxgate sensors with mutual vertical excitation coils and detection coils

As a classic Earth magnetic field sensor, fluxgate magnetic sensors have great potential applications in many fields. This paper presents a new 3D micro-solenoid fluxgate magnetic sensor based on the MEMS technique. The excitation coils were placed vertically to the detection coils on the chip plane, around a rectangular shaped magnetic core. Polyimide was used to insulate coils and magnetic core. Width of copper conductor lines is 50 μm, and line space is 50 μm. The design of such fluxgate magnetic sensor followed second harmonic signal selecting method. Phase-lock amplifier was used to get second harmonic signal output by detection coils. The linear range of 0–80 μT with sensitivity of 6.7 V/T was achieved from the fabricated sensor with excitation current of 430 mA and the operational frequency of 40 KHz. As the excitation current was 470 mA, linear range of 0–50 μT with sensitivity of 21.7 V/T was achieved.