基于多读数头位移传感器误差自修正的研究

目前栅式位移传感器主要有光栅、容栅、球栅、感应同步器、旋转变压器、时栅等,提高其精度一般通过增加栅线密度和读数头数量来实现,或者依靠高精度母仪来检测和修正误差,但是这种方式对传感器的加工和安装要求高,或者传感器精度长时间保持性差。本文针对上述问题,提出了基于等差相位构建正交信号、实现多读数头测量、误差特征参数自辨识和误差自修正的新方法,该方法不增加加工和安装难度,定子和转子的槽数接近,多读数头有机集成在同一个定子,使读数头的一致性好。实验结果表明:基于等差相位构建多读数头误差成分少,通过多读数头误差特征参数自辨识和误差自修正后,传感器的误差可达到±1.9″。     

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。     

平面时栅传感器多读数头构建方法与误差修正

基于平面时栅传感器原理提出了多读数头平面时栅传感器。利用耦合面积原理分析传感器正方形与正弦形状定子槽形状与激励耦合的谐波特性,对比不同耦合形状对各次谐波的削弱效果,选择最优的耦合形状构建传感器模型。设计了传感器信号处理模型,对感应信号进行解算得到测量角度。设计了对误差补偿模型测量结果进行修正,提高了传感器的测量精度,通过与原始数据的比较误差补偿后,测量精度显著提高。     

变耦型时栅传感器及测头姿态对测量误差的影响

根据时栅传感器的测量原理,提出一种采用高频时钟脉冲作为测量基准的变耦型时栅位移传感器以提高位移测量的精度。该传感器通过改变激励线圈和感应线圈的耦合状态输出感应位移变化的行波信号来实现精密位移测量。进行了建模和仿真,研究了不同测头姿态下传感器的位移误差特性,并对其进行了谐波分析,得到了不同测头姿态对位移测量误差各次谐波的影响规律。根据传感器模型制作了传感器并开展了验证实验。仿真和实验结果均表明:不同测头姿态对位移测量误差的影响主要体现在对测量误差的1次、2次和4次谐波上,且俯仰姿态引入的附加误差最大,其余测头姿态下引入的位移测量附加误差均较小。若保证较佳的测头姿态,传感器在定尺和动测头间气隙厚度为0.3mm时的原始误差约为±18μm。实验分析结果与仿真结果基本一致。     

多读数头位移传感器原理及误差谐波修正

为提高传感器的精度,提出了一种构建多读数头位移传感器的方法,在不增加刻线槽的情况下,可大幅提高传感器的对极数,该传感器误差成分比传统传感器的谐波误差成分少,且谐波误差幅值小,有利于提高传感器的精度。详细研究了传感器误差组成和误差谐波修正法理论,提出了对极内单点采样的误差修正方法。与对极内多点采样修正方法相比,误差修正效果一致,但采样点数较少。通过试验证明,对极内单点采样误差修正方法可提高传感器的精度。     

基于时变磁场类多普勒效应的位移测量方法

提出一种基于时变磁场类多普勒效应的位移测量方法。该方法通过在特定平面内布置带电导体,建立特定方向匀速移动的正弦分布时变磁场,利用被测运动使时变磁场内感应线圈的输出信号产生类多普勒频差,再通过测量频差解算出被测运动的位移。根据测量原理建立有限元模型对正弦时变磁场分布和感应信号频差进行模拟仿真。仿真结果表明:正弦分布磁场移动速度均匀,频差所对应的时间差累加与位移呈线性关系,线性度误差小于0.2%。根据仿真模型,采用多层印制电路板工艺设计并制作了位移传感器样机,进行类多普勒频差观察试验和位移测量精度比对试验。试验结果表明:时变磁场中感应线圈运动时产生明显的类多普勒频移,频差与运动速度呈线性关系;基于类多普勒效应的位移传感器可以有效地进行位移测量,在对定尺和动尺的加工和安装偏差、激励源及测量电路的电气偏差进行标定和修正后,传感器在200 mm的测量范围内,测量误差优于1?m。研究为低成本实现精密位移测量提供了一种可行的解决方案和可靠的理论依据。     

双读数头圆光栅偏心参数标定修正算法

圆光栅安装偏心误差是影响圆光栅角度测量精度的关键因素,偏心误差补偿是提高角度测量精度的重要方法。为准确辨识和补偿圆光栅安装偏心误差参数,在建立的圆光栅偏心误差模型基础上提出了一种双读数头平均误差补偿方法,对读数误差进行修正,并对测量与修正模型进行仿真实验。使用正23面棱体与光电自准直仪搭建实验装置,对所提方法的测量补偿效果进行验证。实验结果表明:采用所提出的补偿修正方法能够有效补偿圆光栅读数头读数偏差,圆光栅的测角精度达到1″以内。     

多读数头混合布局测角误差抑制方法

在不增大码盘尺寸的前提下,对测角传感器读数头的布局展开研究,以研制小型化高精度的测角传感器。本文基于测角误差的谐波分析结果,详细推导和分析了多读数头布局对角度测量误差的抑制原理。通过对几种典型多读数头布局方式进行深入研究,提出一种采用奇数头和偶数头相结合的读数头混合布局方式,以消除更多更高阶次误差,提高测角传感器的精度。实验结果表明,当采用三个、四个和六个读数头均匀布局形式时,测角传感器的测角精度分别为15.44″、9.72″和8.96″;当采用六个读数头优化布局的方式时,测角精度可达到7.7″。上述结果说明多读数头优化布局可有效抑制测角误差,提高测量精度。     

双角度编码器超精密转台测角误差校准

为了提高超精密角度计量转台的测量精度,对转台所用编码器分度误差与细分误差的校准展开研究。首先,介绍了转台的结构,设计了方便进行相互比对的双角度编码器测角系统并描述了其多读数头布置方式。然后,基于直接比较法与自校准法进行了双编码器分度误差的快速、高精度校准。最后,借助精密电容式位移传感器测量系统,利用比较法检测了两套编码器各读数头的单信号周期测量误差。校准结果显示:采用双读数头均布的第一套编码器的分度误差为±0.27″,细分误差在±0.1″以内;基于四读数头均布方式进行测量的第二套编码器分度误差为±0.17″,细分误差在±0.2″以内;两套编码器的测量精度皆为亚角秒级。双编码器相互比对的校准方式有助于对转台的测角误差进行全面、准确地评估。     

交变光场时空耦合型位移测量系统的研制

针对现有光栅精密刻划加工难度大制约测量精度的问题,设计了一种以交变光场为测量媒介的时空耦合线性位移测量系统。该测量系统利用四路正交的交变光场与四组正交的正弦透光面调制耦合形成电行波信号实现高精度位移测量。在对测量系统测量原理分析的基础上,建立了该系统的理论模型和误差模型,通过仿真详细分析了该系统在时间相位不正交、空间相位不正交以及结构安装不平行时的误差规律。开展实验验证了一次、二次和四次谐波的产生原因,根据误差来源改进了测量装置的结构,优化了相应的参数。实验结果表明:在180mm测量范围内,用栅距0.6mm的测量系统实现了±0.4μm的测量精度。该测量系统规避了现有光栅精密刻划的问题,结构简单、安装方便,为光学位移测量提供了新思路。     

磁场式时栅位移传感器信号处理新方法

为了提高磁场式时栅位移传感器的测量精度,分析了该时栅的测量原理。针对其测量过程中出现的激励信号源误差、合成行波非线性误差等问题,提出了信号处理的新方法。通过比较两路感应驻波信号的电压幅值,产生一路相位与时间量及被测位移量相关的方波信号,根据此方波的相位解算出被测位移量。基于该方法建立了数学模型,并进行了仿真分析。通过实验验证了该方法的可行性与有效性,证明该方法对磁场式时栅位移传感器输出信号的处理具有广泛的适用性。     

基于傅里叶变换的转台分度误差分离与补偿方法

为了保证和提高转台测角系统的现场测量精度,本文针对基于傅里叶变换的转台分度误差分离与补偿方法开展研究。在原理证明傅里叶变换实现转台分度误差分离的基础上,建立转台分度误差与读数头测量值之间的函数模型;根据傅里叶变换中传递函数性质,重点说明双读数头安装角度间隔与测量误差谐波阶次间关系,优化了双读数头布置;在现场可编程门阵列电路平台上实现多读数头测量值的同步获取,采用坐标旋转数字计算方法完成谐波误差函数实时计算。搭建实验平台进行误差分离与补偿效果验证实验,实验结果证明采用优化布置的双读数头信号进行分度误差分离并补偿后,转台的分度误差峰峰值由57.58″减小到3.36″,补偿后的转台测角系统扩展测量不确定度为0.9″(k=2)。     

基于差动比较技术的时栅电气误差抑制方法研究

时栅位移传感器测量数据显示,其误差存在明显的高次谐波成分。通过分析传感器动测头感应信号的处理流程,发现电气部分的随机噪声、零电平波动等问题导致输入数字电路前的方波信号相位改变,从而在测量中引入了电气误差。文中研究了基于差动比较技术的信号处理方法抑制产生的电气误差。通过将该方法应用于精确磁场约束型时栅位移传感器,原始误差下降幅度达30%左右,验证了该方法的可行性与有效性,且对解决相关问题有广泛的适用性。     

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。     

一种高精度的圆分度测量原理

提出一种能提高圆分度测量系统精度的测量原理。通过应用信号分析技术对圆分度测量系统中适当布置的两个读数头的读数信号进行分析处理,可分离出由测量系统主要误差源引起的前几十阶读数谐波误差并予以修正。应用本测量原理的圆分度测量系统的精度高于采用平均读数原理的圆分度测量系统,并可简化测量系统结构,使测量易于实现。     

时栅位移传感器动态误差模型及修正算法研究

时栅位移传感器的动态测量的重要性日益凸显,提出了一种时栅位移传感器的动态误差修正模型。该模型以动生电动势和感生电动势为切入点,将转动模型等效为动测头单位绕组横截面直线运动模型,建立了转子转速与时栅位移传感器动测头感应信号之间的关系数学模型。实验验证以低速标定好的时栅位移传感器为基础,提高转子转速,运用该模型对时栅位移传感器采集的原始数据进行预处理,然后运用谐波修正对其进行动态误差修正。实验研究表明:采用该模型后72对极轴式时栅位移传感器转速为2 r/min的误差为±2.4″,转速为4 r/min的误差为±2.88″。     

纳米时栅位移传感器误差模型建立与分析

纳米时栅是利用交变电场进行精密位移测量的新型传感器。由于传感器的安装偏差、结构实现、基体加工和工作环境变化等均会导致测量误差。为研究误差的产生原因及对测量精度的影响规律,在纳米时栅传感器的测量模型基础上,建立了由于驻波参数变化产生的测量误差模型,具体分析了驻波信号参数变化中幅值不相等、相位不正交、含有高频干扰这3种情况的误差变化情况,经实验验证了理论的正确性,明确了测量误差产生的原因,为纳米时栅的结构最优化设计提供了理论依据。     

光栅读数头安装误差对光栅测量精度的影响

通过试验方法研究了光栅读数头安装误差对光栅测量系统测量精度的影响。采用单因素法定量分析了光栅读数头A、B、C、Z轴4个方向的安装误差对光栅测量精度的影响规律。试验表明:读数头安装误差对光栅细分精度产生直接影响,并且这4个方向的影响显著性不同,其中B轴方向最敏感。     

磁场式位移传感器误差的数理模型研究

现场自校准技术关系到磁场式位移传感器的生命。由于两个传感器在加工、安装上细微的不一致,导致现有的"多传感器协同修正"的误差自修正方法实效并不明显。通过考察在相同的测量值微小增量情形下,其对应的间距均匀的理想转子和间距不均匀的实际转子不同的微元增量,进而在微单元层面建立起他们的数量映射关系,最终在数量上推导出整周的大范围误差的数学结构;同时,提出了一种可以在复杂工况下,不依赖于外部参考基准,从其自身的整周递增测量值序列中提取出动态误差的方法。此方法及其结论还为各类位移传感器克服刻线偏差提供了一种全新的思路和解决方案。结合实验进行验证,在一般回转精度转台下,单个位移传感器的修正精度达到峰-峰值±5.5″。     

时栅传感器高精度激励信号源设计

针对时栅位移传感器在测量过程中存在低次误差的问题,分析了激励信号源误差对时栅测量精度的影响。为提高时栅位移传感器的测量精度,设计了一种基于闭环控制的高精度激励信号源。对两相激励信号进行数据采集,计算相位差及比较幅值,并将处理结果反馈到激励信号数据源,控制其相位和幅值,以满足两相激励信号的幅值相等及相位正交。试验结果表明,这种基于闭环控制的方案提高了激励信号源的精度,从而使时栅的测量精度提高了30%。