寄生式时栅位移传感器的行波信号优化方法及其实验研究

发布时间：2020-06-20 05:10

【摘要】：位移测量是数控机床、精密加工设备、国防武器装备的关键技术,是衡量一个国家精密加工制造发展水平的一个重要标志。时栅技术代表着一种新的位移传感器技术,由于其制造成本低、精度高等特点,已逐渐被科研界、企业界看好。为了解决极端条件下(大型,中空,强冲击振动)回转轴系角度测量问题,衍生出一套寄生式时栅技术。本文通过方法创新与技术创新,揭示寄生式时栅测量过程中蕴含的测量误差,并对其误差进行分类与来源推导,首次将时栅位移传感器的系统误差分为了空间项误差和时间项误差,寻找出了各个误差项在感应行波信号中对应的数学表达式。对行波优化方法开展了研究,进行了方法创新,成功地提出了对极内一次误差补偿算法、对极内二次误差补偿算法和差分校准算法,针对上述算法分别展开了有针对性的实验以验证所提出方法和理论的正确性、有效性和实用性。实验结果表明它们分别有效地消除了由于漏磁通、绕线不均带来的一次误差,由安装不均带来的安装误差以及由于相位非正交和幅度不均带来的二次误差。这大大地改善了寄生式时栅的误差分布特性,为后期的自修正工作带来了很大的便利。本文的研究内容如下:(1)对寄生式时栅位移传感器的误差进行了基于感应信号的理论分析。其误差包含了对极内一次误差项,对极内二次误差项,对极内的奇数次误差项以及整周齿不均误差项。揭示了其蕴含的数学含义并对电行波信号进行建模,建立了电行波信号与误差项的对应关系。该研究为后面的行波波形优化方法提供了理论基础。(2)提出了对极内一次误差消除算法。该算法由对径补偿算法和三参数拟合算法组成,有效地减少了由于漏磁通、绕线不均,寄生电容带来的对极内的一次谐波误差。首先研究了一次谐波误差产生的原因,建立了一次谐波误差在感应信号中的数学模型,通过最小二乘法拟合出对径位置的行波信号表达式。联立对径位置处的行波信号,并建立状态方程,求解出行波信号中含有的残留电压的幅度、相位、偏置三个参数。实验表明了该算法的准确性,有效性与实用性。(3)提出了对极内二次误差消除算法。该算法能有效地减少二次误差项。因为不对称性的存在,系统不可避免的会出现幅度不均、相位非正交等情况,这会导致输出角度的二次谐波误差。该算法对测量过程进行空间映射,建立一套空间轴与时间轴的坐标系。利用两轴特性进行误差补偿,实验数据表明,该算法能有效地抑制励磁信号幅度不均导致的二次误差。(4)提出了解决安装误差的校准算法。通过对信号特征分析(三角函数的差分结果为其自身的初相位相移90°),然后构造信号进行差分的条件:让被测件以低速缓慢移动,精准地采样每个周期的信号,然后前后周期信号进行差分运算。以其输出作为传感器的理想输出信号,寻找相距180°的任意两点并建立特征方程进行安装误差的修正。理论与实验表明,该算法不仅有效地消除了由于安装误差引起的一次误差,而且很大程度的抑制误差中的高频次谐波成分,部分消除了由于安装误差导致的二次误差。(5)重新设计了一套全新的数字化解算系统,该系统具有小型化、集成度高、成本低等特点。对寄生式时栅位移传感器误差项进行分析并寻找到与感应信号的映射关系,提出了能压制误差的补偿算法等基础后,开发了一套完整的数字化解算系统。该系统提供了一套通用的传感器解决方法,包括了激励信号的产生,感应信号的获取与预处理,传感器角度的实时输出。该软件集成了本文从提出的所有理论与方法,并已经在寄生式时栅角位移传感器上开始应用。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212
【图文】：

原理图,光栅测量,原理

得到国家自然科学仪器专项(小仪器)“极端和寄生式时栅新技术与方法”和国家重大科学仪器密蜗轮副隐含误差规律的机械传动误差检测智能511127001和 51827805)支持。位移传感器的信号补偿方法研究现状关方法法国人发现了莫尔条纹图案。1874 年，物理学家，揭示了莫尔条纹的科学与工程价值，进而创立的光栅刻画技术不完善与电子技术尚处于初期研工作者的认可。直到 1950 年，计量光栅才被应用中。20 世纪 60 年代，Merton-NPL 法与照制作成为了可能，为光栅技术的应用与推广做

条纹,光栅干涉,几何原理

第 1 章绪论长度和角度进行测量。这里主要讨论计量光栅。其测量原理如图1-1所示，扫光栅和光栅尺形成光栅副。一般，扫描光栅是透明的，用于检测信号；光栅是透明或是反射的，作为测量的基准部件固定在运动件上，随着扫描光栅一运动。光源通过聚焦镜照射在光栅上，平行光通过两个光栅时，如果狭缝对，形成明条纹，如图 1-2 中的(a)所示[4]；如果两者错开 1/4 的距离，则形成半半暗的图案，如图 1-2 中的(c)所示；如果狭缝错位，形成暗条纹如图(1-2)中(b)所示；经过上述变化过程，便形成明暗相间的条纹；再经光电芯片转化后，输的电信号为三角波，如图 1-3 所示，但实际上两个光栅间总存在一定的间，使得光栅存在间隙、衍射效应，再加上刻线边缘总有一定的毛刺的因素存，造成亮度不均，致使三角波形被削顶或削底，近似输出为类正弦波。通过正弦波计数，或是细分后再计数，达到位移测量的目的，光栅测量的精度主取决于玻璃刻线的密度和正弦波形的质量。

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