基于平面线圈的高分辨力时栅角位移传感器

针对现有时栅角位移传感器采用漆包线绕制工艺加工线圈,导致线圈布线不均且容易随时间发生变化进而影响测量精度的问题,提出一种基于PCB技术的新型时栅角位移传感器。该传感器通过在PCB基板的不同层上布置特定形状的激励线圈和感应线圈,形成两个完全相同并沿圆周空间正交的传感单元;当在两传感单元的激励线圈中分别通入时间正交的两相激励电流后,通过导磁定子基体和具有特定齿、槽结构的导磁转子对传感单元内的磁场实施精确约束,使两传感单元的感应线圈串联输出初相角随转子转角变化的正弦感应信号;最后通过高频时钟脉冲插补初相角实现精密角位移测量。利用有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真。根据仿真模型制作了传感器实物,开展了验证实验,并对实验中角位移测量误差的频次和来源进行了详细分析。经过标定和补偿,最终获得了整周范围内误差在-2.82″~2.02″的时栅角位移传感器。理论推导、仿真分析和实验验证均表明,该传感器不仅能实现精密角位移测量,还能在激励线圈和感应线圈空间极距和信号质量不变的情况下,将位移测量的分辨力从信号源头提高1倍,且结构简单稳定、极易实现,特别适用于环境恶劣的工业现场。     

非接触电感式角位移传感器的设计与校准

本文设计了一种非接触电感式角位移传感器,该传感器由定子和转子组成,其中转子由扇形铜箔获得,定子包含一组激励线圈,一组接收线圈以及后续处理电路。当给激励线圈通入交变电流时,相邻两个接收线圈产生的感应电动势大小相等,方向相反,此时感应电压为0,当转子在接收线圈上方转动时,转子中产生的涡流会导致相邻两个接收线圈感应电压产生不同的变化,经过理论与仿真分析,验证了随着转子的转动,接收线圈中感应电压的幅值呈现正余弦变化。本文编写算法对正余弦信号进行识别与校准,以定位精度为0.000 3°的高精度时栅转台为基准对样机进行测试,结果表明校准完成后,在0°～360°范围内该传感器误差为0.1°,满足实际生产需求,验证了该方案的可行性。     

一种平面超薄型电磁感应式角位移传感器

为了解决传统的铁基材料磁场式时栅齿槽加工效率低、手工绕线一致性差和传感器厚重的问题,文中结合时栅传感器的测量原理,开展了一种平面超薄型电磁感应式角位移传感器的研究。该传感器通过采用PCB工艺技术进行了超薄型结构设计。通过开展仿真实验和精度实验,验证了传感器结构方案的可行性。精度实验获取了0°~360°内传感器的原始误差,结果表明其原始测量误差在±80″以内。该传感器的实现将有利于低成本的超薄型时栅角位移传感器的研发。     

互补式双层时栅角位移传感器研究

针对当前研制的双层时栅角位移传感器感应信号幅值小、时变磁场的均匀有效面积利用率低等问题,在原有“八”字形半正弦结构的基础上提出了一种双层互补式时栅角位移传感器设计方案。根据双层时栅位移传感器的特点,建立了其空间磁场分布模型,验证了双层时栅角位移传感器的互补式结构在构成行波上的优势;根据激励线圈的磁场分布规律进行建模,得到该参数状态下双层平面激励线圈的间距为0.235 mm。最后进行了有限元仿真分析和实验验证。仿真分析表明：采用互补式结构能有效增大感应信号强度,传感器的短周期误差峰峰值显著降低,能够有效抑制角度误差中的1次谐波和4次谐波。实验数据表明：传感器短周期原始误差为(-13.61″,13.30″),修正后误差为(-3.01″,0.78″);传感器长周期原始误差为(-19.60″,21.96″),修正后误差为(-2.62″,3.30″);相比单层“U”字形结构,1次误差减小了66.3%,4次误差减小了25.3%。     

互补谐振耦合型电磁式直线位移传感器

针对当前电场式和光电式直线位移传感器在环境适应性方面以及电磁式直线位移传感器在精度方面的不足,开展了互补谐振耦合型电磁式直线位移传感器的研究.传感器主要由1个定尺和2个动尺组成,其中2个动尺完全相同,且对称地布置于定尺两侧,与定尺形成互补耦合.定尺包含激励线圈和感应线圈,分别产生激励磁场和输出感应信号;动尺也包含感应线...     

基于DSP与FPGA的电容绝对式编码器的设计北大核心CSCD

为了解决绝对式编码器的编码盘复杂,增量式编码器不能获取绝对位置信息的问题,设计了一种具有2组码道的非接触角度测量的电容式旋转编码器。编码器包括2个定子和1个转子,由FPGA产生的4路相位差90°的高频方波信号作用在定子的发射极上,转子具有正弦轮廓,可将角度位置编码为基于正交调制的相位/频率调制信号,然后利用FPGA和DSP将调制信号数字化解码到角位置,最后通过RS485将数字角度位置传输到计算机上,实现了绝对角位移的在线检测。实验结果表明:设计的编码器工作可靠,测量稳定。     

小型化高精度绝对式时栅角位移传感器

针对机器人关节臂、关节臂式测量机等设备中所用绝对式角位移传感器面临的高精度和小体积之间的矛盾,研制了一种基于电场式时栅传感技术的绝对式、高精度、小型化角位移传感器。采用内圈单对极粗测结合外圈多对极精测的方式,实现绝对定位功能;采用单排差动传感结构能有效抑制共模干扰的优点,保证测量精度;采用传感电极和电路元件的集成化设计,实现了小型化。使用PCB工艺制作了外径为Φ=45 mm的传感器样机,通过实验分析表明,内外两圈之间的交叉串扰导致了对极内的一次谐波误差。在此基础上提出增大两圈间隙和布置中间屏蔽地的优化方案,使最终测量精度达到了±5.5″。该传感器在具备低功耗、低成本、小体积等特点的同时,拥有巨大的产品化潜力。     

时栅位移传感器在构造场中的耦合特性研究

为了进一步溯源时栅位移传感器磁场耦合过程引起的误差,对时栅位移传感器在构造场中的耦合特性进行研究,并研制了一种基于指数形平面线圈结构的新型直线时栅位移传感器。建立传感器工程构造磁场的数学模型,分析传感器耦合间隙对线圈耦合平面磁场分布的影响,研究不同形状平面线圈的耦合特性;根据传感器的耦合特性,构建了一种新型直线时栅位移传感器测量模型,对该模型进行了电磁场有限元仿真和仿真误差分析,得出该结构最佳感应间隙为0.4 mm;对传感器的结构误差进行了溯源分析,进一步优化传感器的结构;搭建实验平台,利用双层PCB绕线工艺加工传感器定尺和动尺,对优化前后的传感器样机开展对比实验。实验结果表明,设计的基于指数形平面线圈结构的新型直线时栅位移传感器可以有效抑制传感器的四次误差,新研制的传感器样机的原始测量精度在原有的基础上提高了45.8%。     

基于斐波那契数列的双通道绝对式时栅设计

磁场式时栅角位移传感器的绝对式测量主要采用2个极对数呈互质关系的"精机+精机"的双通道组合形式实现。为了解决和优化传感器设计中两组极对数匹配问题,文中尝试引入斐波那契数列作为寻优化设计的参考,并为传感器设计提供参考。文中先后建立了传感模型,并通过有限元仿真软件开展了不同对极对数组合下的绝对式时栅的磁场仿真,仿真结果表明:各组仿真波形的感应行波信号的相位仿真值与理论值的误差可以保持在低于0.3°,且随着极对数的组合形式越趋近于黄金分割点,传感器仿真结果越好。因此,文中通过实验表明斐波那契数列可以作为绝对式时栅传感器结构设计的一种有利参考,对时栅传感器的寻优设计有一定的借鉴意义。     

基于分时复用反射电极结构的高精度绝对式时栅角位移传感器

提出了一种基于分时复用反射电极结构的高精度绝对式时栅角位移传感器。以增量式时栅传感器为基础,将单对极与多对极相结合,整周多对极作为精确测量部分实现高精度,整周单对极作为粗略测量部分实现绝对定位。提出了一种分时复用反射电极结构,粗测部分和精测部分共用一组反射电极和接收电极,因此结构更加紧凑,便于小型化,同时动子无需引线,应用环境更广。通过分时间段对粗测部分和精测部分施加激励信号,并把不工作的电极接地,可以有效消除粗测部分和精测部分之间的串扰,保证测量精度。采用PCB技术制造了外径Φ=60 mm,内径Φ=26 mm的传感器样机。通过理论分析和结构优化,最终实验结果表明传感器的测量精度达到了±12″。     

时栅位移传感器的误差修正实用技术

针对时栅角位移传感器定子和转子的加工误差对测量精度的影响,利用多测头法分离出多次谐波成分并加以修正.根据场式时栅角位移传感器的误差特点,针对32对极场式时栅进行了理论分析,分离并消除64次及64的整数倍次以外的谐波分量.定子和转子线槽的分度误差被修正以后,时栅角位移传感器测量精度达到了2′的预定指标.     

电磁型平面微电机及其制作工艺

为得到一种尺寸小、输出力矩大、转速高的直流可调速微电机,提出了一种利用微机械加工工艺制作微电机的方法。定子和转子都做成平面结构,定子线圈采用了平面型、无槽式集中绕组;线圈之间采用了三相星形连接方式,采用了微机械LIGA工艺和硅微机械加工工艺;转子采用钕铁硼永磁材料,进行轴向充磁,成辐射状间隔分布。装配时转子分布于定子两侧,不但减小了电机尺寸,还有利于定子的散热。把装配完毕的微电机接通三相半控控制电路对其转速和力矩进行了测试,测试结果表明,电机运转平稳,输出力矩大。     

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″。     

一种高梯度静磁场感应式全流量磨粒监测传感器

针对传统单激励油液磨粒传感器难以实现全流量润滑油监测的问题,提出了一种基于多激励结构的感应式磨粒监测传感器。在传感器流道周向均匀布置多个激励结构,扩大检测范围,从而实现全流量磨粒监测。建立三维有限元模型,分析了感应线圈的静磁场和瞬态特性,揭示了激励结构数量与y-z平面周向磁场均匀性的关系。同时,优化了传感器的磁极形状。单颗粒模拟实验表明激励电流、电流方向和激励结构数量直接影响磨粒感应信号波形,验证了激励结构数量是影响传感器有效检测范围的重要因素。润滑油系统循环条件下的磨粒注入实验结果显示,传感器能够在直径为40 mm的流道中检测到13μm的铁磁性磨粒。     

基于二次调制的高精度多圈绝对式时栅角位移传感器

提出了一种基于二次调制的高精度多圈绝对式时栅角位移传感器,该传感器由单圈绝对式传感器与多圈计数模块组成。首先,采用两级单排式时栅角位移传感器构成单圈绝对式传感器,通过第一级传感器构建四路正交的行波信号,将差动的两路行波信号直接反射,作为精测信号;同时,利用第一级四路正交的行波信号作为第二级传感器的激励信号进行二次调制,获得整周单周期信号,作为粗测信号,精测信号结合粗测信号实现高精度单圈绝对式角位移测量。在此基础上,结合韦根多圈计数模块记录圈数信息,从而实现高精度多圈绝对式角位移测量。通过印制电路板技术制作了原理样机,搭建了实验平台,并进行了测试,实验结果表明:该传感器在整周范围原始精度可达±8″,并且在上电、断电情况下实现了圈数的准确记忆。     

花萼状涡流传感器及其飞机金属结构疲劳损伤监测试验研究

飞机金属结构疲劳损伤的实时在线监测,对于保证飞行安全是极其重要的。在文献[13]的基础之上,提出一种花萼状涡流传感器,并搭建基于该传感器的疲劳裂纹监测系统,进行程序载荷谱下的2A12-T4铝合金拉伸疲劳试验件的疲劳损伤在线监测试验,通过对比传感器监测结果和疲劳裂纹断口定量分析结果,对传感器的疲劳裂纹定量监测能力进行验证。监测试验结果与试件断口定量分析对比结果表明,在试件疲劳裂纹扩展过程中,传感器的各感应线圈通道的幅值比信号的变化较为明显,同时具有阶跃特征,当裂纹从一个感应线圈通道位置扩展至其相邻通道位置时,该感应线圈通道的幅值比信号会急剧增加,而当裂纹穿出其相邻通道位置时,该感应线圈通道的幅值比信号增加速度显著减缓;根据阶跃特性,将各感应线圈通道的幅值比信号开始快速增加的"拐点"作为裂纹前缘进入相应感应线圈通道的特征,花萼状涡流传感器可以实现疲劳裂纹的定量监测,监测精度为1 mm;离疲劳源较近的感应线圈通道的幅值比信号可定性监测结构的疲劳累积损伤程度。     

一种新型大中心孔绝对式磁编码器

为测量机器人关节端角度和电机端位置,研制一种基于霍尔原理的新型绝对式磁编码器,采用大中心孔结构,具有大的中心孔、体积小、结构紧凑、分辨率高、绝对式位置测量等特点。传感器由转子和定子组成,转子的磁码盘包括主码道和游标码道,定子由霍尔敏感芯片和信号调理电路板组成;根据游标计算原理,得到了传感器绝对角度的计算方法。通过仿真软件分析了转子的磁场分布和模态;为进一步提高磁编码器的输出精度,提出一种基于遗传优化算法的误差补偿模型,搭建了传感器的标定平台,实验结果表明传感器绝对定位精度可以达到0.2°,经过模型补偿后可以达到0.036°,满足机器人关节及伺服系统设计要求。     

基于等差相位构建的多读数头位移传感器研究

目前多读数头位移传感器大多采用均布或等比方式进行排列,对读数头的加工和安装精度要求非常高,实现困难。文中提出了一种在不增加加工和安装难度的情况下实现高精度多读数头测量的新方法。传感器制造时,多读数头按照感应信号相位等差的方式分布在同一个定子上并且共用一个转子,使得多个读数头角位移信号和误差信号的感应电动势具有高度的一致性,且在相位上表现出周期性的等差规律,降低了误差辨识和修正的难度,提高了传感器的测量精度。实验结果表明:经过多读数头误差修正后,传感器的误差可以控制在±2″以内。     

基于磁弹效应的索力传感器原理与实验研究

从逆磁致伸缩原理出发,推导出材料的磁导率与材料所受外力,外磁化强度及材料的温度有关.在此基础上,推出了磁导率与索力的基本关系式.讨论了一种双套筒结构的索力传感器,包含激励线圈,感应线圈.选用脉冲式的恒定电流激励,测量感应线圈上感应电压的变化来反映拉力的情况.并对磁导率的工作点选取方法做了重点讨论,同时也做了温度补偿.最后,利用万能拉力机做了传感器的拉力实验.结果表明,该索力传感器结构简单,测量重复性好,可用于桥梁等大型结构的索力测量.     

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。