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.     

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。     

基于单个时栅读数头冗余采样的自标定方法

极端、特殊应用场合中工作的嵌入式时栅,受恶劣工作环境影响,其安装状态、电气参数等容易发生非预期的变化,进而导致其测量精度下降。在这些应用场合,通常缺乏高效安装比对标准器的条件,难以频繁在线标定以保持其测量精度。针对这一问题,提出一种单个时栅读数头即可实现的自标定方法,该方法利用冗余采样序列中提取的具有固定初始位置差的多组采样序列与系统误差函数的映射关系,解算出包含安装误差在内的传感器系统误差。在工程应用现场,以某大型回转机床为对象,搭建了自标定应用平台。实验结果表明,该自标定方法能够有效补偿传感器的短周期系统误差,使其测量误差峰峰值由约450″降低到约33″,其中,自标定方法有效的误差频次残余误差不超过1%。分析并验证了该自标定方法有效的条件,为后续研究中针对特定应用场合准确选择最适合的自标定方法提供了可靠的理论依据。     

提高嵌入式时栅传感器精度的测头设计方法

为了提高嵌入式时栅传感器的测量精度,结合传感器自身的特点,从布置方式和数据处理方式两方面设计了特殊的测头结构。首先利用谐波分析确定传感器误差的主要频次,然后分别针对长短周期的误差采用多组测头对径和间隔特定空间角度的测头布置方式,测头之间采用数字量相加的数据处理方式,最后通过实验验证了这种测头结构和数据处理方式的有效性。结果表明,与单测头结构相比,这种方式将长周期误差降低了75%,短周期误差降低了83.6%,更有效地提高了嵌入式时栅传感器的测量精度。     

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。     

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%。     

高精度时栅转台控制系统设计

为了提高时栅转台控制系统的位置检测精度,提出了一种以卡尔曼滤波和PI控制融合的控制方法,并在此基础上设计了高精度伺服控制系统。该方法利用卡尔曼滤波预测实现PI控制器的参数预测自适应整定,控制系统以则采用以电流环作为内环、位置环为外环的双闭环控制结构和时栅传感器为转台位移反馈部件,同时,以ARM(LPC2124)为控制核心,结合电源电路、SP3232串口通信等硬件电路实现卡尔曼滤波和PI控制相融合的控制方法。经实验测试,设计的时栅转台伺服系统具有运动稳定可靠性,位置检测精度在-0.8″～1.2″范围内, 满足高精度时栅转台控制系统的精度要求。     

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...     

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。     

寄生式时栅位移传感器测量原理与结构优化*

大型机床在实现全闭环数控过程中,现有测量方法存在回转工作台无法同轴安装角编码器、安装要求高、精度无法保证等方面问题,本文提出一种适用于大型、中空回转工作台角度测量的寄生式时栅位移传感器。传感器通过在两路空间正交的励磁线圈中通入两相时间正交的励磁信号,利用磁导调制方法得到相位差直接反映空间转角的电行波信号,从而实现精密角位移测量。建立由4个传感单元组成的传感器模型,采用电磁场有限元仿真软件建模并仿真,对仿真结果进行误差分析和溯源;根据分析结果对传感器进行结构优化并仿真验证;根据优化模型制作传感器实物,搭建试验台进行实验验证。实验结果表明,在整周范围内传感器测量精度达到±2″,实现了高精度测量,为寄生式时栅的进一步开发应用提供了理论依据。