时栅传感器自适应信号处理方法与误差补偿算法研究
发布时间：2020-12-24 08:16
精密测量技术在衡量一个国家的工业竞争力和制造业水平是一个非常重要的指标,被广泛应用到航空航天、国防装备制造、超精密加工等国家重大工程方面。在精密位移测量领域,针对传统测量技术依赖高精密刻线问题,作者所在团队研制出一种以时钟脉冲为位移测量基准的时栅位移传感器,其最大特点是不依赖空间精密刻线实现高分辨力与高精度的位移测量。本课题以磁场式时栅传感器为研究对象,研究时栅误差函数模型及误差补偿算法,研究时栅传感器自适应信号处理方法并进行系统设计,以提高传感器的测量精度和稳定性。主要研究内容包括:（1）基于时栅传感器基本传感理论,进一步研究磁场式时栅测量原理,分析误差来源、确定误差成分、分析各参数对误差的影响,建立误差函数模型,通过仿真分析与验证传感信号在测量系统中的传感机理。（2）研究时栅传感器自适应信号处理方法,首先通过通带增益与系数补偿进行粗处理,再通过自适应信号处理（压控变容窄带滤波、测频、辨识等）的细处理,以保证信号受系统影响的增益误差和信号中心频率不稳定造成的系统误差得到控制。（3）基于自适应信号处理方法,设计针对时栅传感器的自适应信号处理系统,并对整个系统进行分析、设计和参数验证。利...
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２容栅和磁栅尺??
???１．２时栅传感器信号处理方法研究现状??现有时栅传感器信号处理系统主要为两种方案，第一种是在利用嵌入式??ＳＴＭ３２Ｆ４Ｘ系列微控制器为主控芯片进行信号处理的方案，该方案中微控制器的主要??功能是控制激励信号的产生、数据处理、和信号通讯传输给上位机，时间差测量（包??括相位差测量、整周期时间差测量和非整周期时间差测量）的数据接收、ＤＳＰ数字信??号处理等模块；除此之外，还有激励信号放大模块、时栅位移传感器本身机构、感应??信号调理、基准信号等模拟信号处理部分，系统框图如图１．３所示该信号处理系??统主控芯片为基于ＡＲＭ的Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ４的ＳＴ?（意法半导体）公司开发的??ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＺＧＴ６，该信号具有ＡＲＴ功能，集成了?ＤＳＰ数字信号和ＰＦＵ浮点运算等??功能，因此在信号处理场景使用非常合适，具有极大优势。该激励信号由主控芯片驱??动ＤＡＣ模块产生两路信号正弦信号，频率分别为１０ｋＨｚ和２０ｋＨｚ。ＤＡＣ芯片为ＡＤＩ??公司的１２位ＤＡ芯片，四通道输出，每个通道可以独立设置信号频率、相位和幅值，??其灵活和功耗低的优点可以极大满足系统的设计需要［１８］。??ＤＩ，?Ｔｌ?激励信号放大????Ｉ?ＡＤ５３４４?［功率放大??时钟脉冲?一？?定时＾?￣｜?麵信号１?ｒ＼?，?，麵信号２??????频率?１０ｋＨｚ?”?＾?频率２０ｋＨｚ??｜平面＾维时栅位移传感器????感应信号１?Ｃ＼?感应信号２??ＮＶＩＣ?主率?１０ｋＨｚ主率２０ｋＨｚ????＾应信号调ｉ??ＤＭＡ?］?｜整形｜?｜滤波｜丨放大丨??ＤＳＰ??Ｊ?ｉ?１?Ｊ???ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＺＧＴ６
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【参考文献】：
期刊论文
[1]基于遗传算法的时栅误差参数辨识与补偿方法研究[J]. 郑方燕,颜路,汤其富,郑永,简圣杰. 传感技术学报. 2019(10)
[2]光栅精密位移测量技术发展综述[J]. 高旭,李舒航,马庆林,陈伟. 中国光学. 2019(04)
[3]基于单个时栅读数头冗余采样的自标定方法[J]. 苟李,陈锡侯,彭东林,武亮,汤其富. 仪器仪表学报. 2018(03)
[4]线性啁啾光栅的分段变迹优化和基于自适应遗传算法的光栅重构[J]. 孙瑞霞,赵发,李炜. 光电子·激光. 2018(01)
[5]永磁伺服电机嵌入式位置检测理论及误差分析[J]. 王淑娴,吴治峄,彭东林,李维诗,彭凯. 仪器仪表学报. 2017(10)
[6]基于遗传算法的光栅信号辨识与偏差补偿研究[J]. 杨华晖,冯伟利,刘福. 激光与光电子学进展. 2016(12)
[7]基于非线性磁场耦合的寄生式时栅位移测量方法[J]. 武亮,彭东林,陈锡侯,鲁进,汤其富. 仪器仪表学报. 2016(09)
[8]基于SOPC的便携式高精度频率仪设计[J]. 张天恒,叶伟,王阳阳,张兴红,陈鸿雁. 仪表技术与传感器. 2015(05)
[9]基于双测头的时栅位移传感器自标定方法[J]. 鲁进,陈锡侯,彭东林,官云丽. 仪表技术与传感器. 2015(02)
[10]LRC串联谐振电路中Q与R关系的实验研究[J]. 刘竹琴. 电子测量技术. 2014(04)
博士论文
[1]基于时变磁场精确约束方法的时栅位移传感器研究[D]. 汤其富.重庆大学 2015
[2]高精度绝对式光栅尺测量技术研究[D]. 乔栋.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[3]基于时栅传感器的精密蜗轮副动态检测技术研究[D]. 郑永.合肥工业大学 2011
硕士论文
[1]基于MEMS的小型化圆时栅传感器研究[D]. 但敏.重庆理工大学 2017
[2]磁场式时栅位移传感器的误差分离与抑制方法研究[D]. 王斌.重庆理工大学 2017
[3]双致变型时栅位移传感器[D]. 官云丽.重庆理工大学 2015
本文编号：2935310
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２容栅和磁栅尺??
???１．２时栅传感器信号处理方法研究现状??现有时栅传感器信号处理系统主要为两种方案，第一种是在利用嵌入式??ＳＴＭ３２Ｆ４Ｘ系列微控制器为主控芯片进行信号处理的方案，该方案中微控制器的主要??功能是控制激励信号的产生、数据处理、和信号通讯传输给上位机，时间差测量（包??括相位差测量、整周期时间差测量和非整周期时间差测量）的数据接收、ＤＳＰ数字信??号处理等模块；除此之外，还有激励信号放大模块、时栅位移传感器本身机构、感应??信号调理、基准信号等模拟信号处理部分，系统框图如图１．３所示该信号处理系??统主控芯片为基于ＡＲＭ的Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ４的ＳＴ?（意法半导体）公司开发的??ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＺＧＴ６，该信号具有ＡＲＴ功能，集成了?ＤＳＰ数字信号和ＰＦＵ浮点运算等??功能，因此在信号处理场景使用非常合适，具有极大优势。该激励信号由主控芯片驱??动ＤＡＣ模块产生两路信号正弦信号，频率分别为１０ｋＨｚ和２０ｋＨｚ。ＤＡＣ芯片为ＡＤＩ??公司的１２位ＤＡ芯片，四通道输出，每个通道可以独立设置信号频率、相位和幅值，??其灵活和功耗低的优点可以极大满足系统的设计需要［１８］。??ＤＩ，?Ｔｌ?激励信号放大????Ｉ?ＡＤ５３４４?［功率放大??时钟脉冲?一？?定时＾?￣｜?麵信号１?ｒ＼?，?，麵信号２??????频率?１０ｋＨｚ?”?＾?频率２０ｋＨｚ??｜平面＾维时栅位移传感器????感应信号１?Ｃ＼?感应信号２??ＮＶＩＣ?主率?１０ｋＨｚ主率２０ｋＨｚ????＾应信号调ｉ??ＤＭＡ?］?｜整形｜?｜滤波｜丨放大丨??ＤＳＰ??Ｊ?ｉ?１?Ｊ???ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＺＧＴ６
?周期￣ｉｔ１?Ｉ???＋?□?出?Ｉ?出：Ａ?ＵＡＲＴ??动测头？?Ｕ?周Ｉ相ｉ?：?输出??感应信Ｉ差信?过光??１?期丨位丨光差１?丨?显：??分号滤Ｉ零稱非?相位?■？茳：茳栅修?－？示Ｉ??定测头？放合波比隔门ｑ??１?位正ＴＩＷ?，?丁｜??堇進＾大成丨较离?＾?ｉ?ｉ移?＝，Ｕ??＿＿?＿?＿＿?＿ＩＩ＿ＩＩ＿＿??！?移?ｉ?位??信号调?ｇ?电路?ｌ＾ＥＥＥｒ?Ｎｉｏ＾－ｉｉｃｐｕ￣￣???ＦＰＧＡ???图１．４基于ＦＰＧＡ的时栅信号处理系统框图??该系统设计方案为现在时栅位移传感器信号处理方案的主要方式，此方式具有功??耗孝性能高、体积孝通用性强、可靠性高、动态性好等特点［２（）］。本课题的时栅自??适应信号处理系统就是在第二种方案基础上进行设计和优化，对于该系统自身特点和??该系统的自适应优化方法将在第三章进行详细介绍与分析。??１．３位移传感器误差分析研究现状??１．３．１误差来源??对于误差来源的研宄，首先要从误差的本质进行分析，按照定义：误差即测量值??与真值之差（真值永远是未知的）；因此误差的存在是无法避免的，只能通过标准仪??器测得与真值接近的约定真值［２１］。通常将传感器的误差可划分为系统误差、随机误差、??粗大误差［２２］。随机误差，即偶然因素引起的误差，表面上（有限数据量）无规律可循，??但是随着测量次数的增加和测量数据的增多，往往在数理统计学的技术下可以解析和??呈现出一定的内在规律；系统误差即按照一定规律变化，而且具有单向性和重复性，??存在于仪器系统内部的某一固定因素；对于测量过程中小概率事件存在的超出预期的??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于遗传算法的时栅误差参数辨识与补偿方法研究[J]. 郑方燕,颜路,汤其富,郑永,简圣杰. 传感技术学报. 2019(10)
[2]光栅精密位移测量技术发展综述[J]. 高旭,李舒航,马庆林,陈伟. 中国光学. 2019(04)
[3]基于单个时栅读数头冗余采样的自标定方法[J]. 苟李,陈锡侯,彭东林,武亮,汤其富. 仪器仪表学报. 2018(03)
[4]线性啁啾光栅的分段变迹优化和基于自适应遗传算法的光栅重构[J]. 孙瑞霞,赵发,李炜. 光电子·激光. 2018(01)
[5]永磁伺服电机嵌入式位置检测理论及误差分析[J]. 王淑娴,吴治峄,彭东林,李维诗,彭凯. 仪器仪表学报. 2017(10)
[6]基于遗传算法的光栅信号辨识与偏差补偿研究[J]. 杨华晖,冯伟利,刘福. 激光与光电子学进展. 2016(12)
[7]基于非线性磁场耦合的寄生式时栅位移测量方法[J]. 武亮,彭东林,陈锡侯,鲁进,汤其富. 仪器仪表学报. 2016(09)
[8]基于SOPC的便携式高精度频率仪设计[J]. 张天恒,叶伟,王阳阳,张兴红,陈鸿雁. 仪表技术与传感器. 2015(05)
[9]基于双测头的时栅位移传感器自标定方法[J]. 鲁进,陈锡侯,彭东林,官云丽. 仪表技术与传感器. 2015(02)
[10]LRC串联谐振电路中Q与R关系的实验研究[J]. 刘竹琴. 电子测量技术. 2014(04)
博士论文
[1]基于时变磁场精确约束方法的时栅位移传感器研究[D]. 汤其富.重庆大学 2015
[2]高精度绝对式光栅尺测量技术研究[D]. 乔栋.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[3]基于时栅传感器的精密蜗轮副动态检测技术研究[D]. 郑永.合肥工业大学 2011
硕士论文
[1]基于MEMS的小型化圆时栅传感器研究[D]. 但敏.重庆理工大学 2017
[2]磁场式时栅位移传感器的误差分离与抑制方法研究[D]. 王斌.重庆理工大学 2017
[3]双致变型时栅位移传感器[D]. 官云丽.重庆理工大学 2015
本文编号：2935310
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