精密机械系统中的嵌入式时栅传感新技术研究

发布时间：2017-03-27 06:11

  本文关键词：精密机械系统中的嵌入式时栅传感新技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：21世纪机械制造业发展的总趋势是“四化”—柔性化、灵捷化、信息化和智能化,智能化是机械行业发展的趋势和最终目标。智能机械的精髓是集成,基于精密机械系统集成融合所逐步构成的集成科学理论体系,是国家未来中长期发展规划纲要的重大科学问题之一。检测技术与被测系统的集成,是智能机械发展的根本保证,越是柔性化、智能化程度高的系统,越需要集成化的传感器和机电产品。这种集成化的实现主要依靠两方面的技术进步：一是传感器越做越小,例如温度、振动、噪音等传感器,已经能够做得非常小而不受影响地嵌入到被测体之中实现其功能。二是发展了例如光纤传感材料、压电陶瓷等许多自身具有感知和转换功能的新型材料,直接嵌入或粘结在被测体内部使用。在精密机械系统中,由于受到工作环境恶劣和自身结构紧凑的限制,一般的位移传感器无法直接嵌入到系统内部进行测量,尤其是精密和超精密的测量,这就严重制约了机械系统真正和全面实现智能化。作者所在课题组研制出了一种以时间脉冲作为测量基准的位移传感器一时栅,经过十几年的发展,磁场式时栅技术已经逐渐成熟。在此背景下,本文延续前期的研究基础,开展了嵌入式时栅传感技术的研究。根据时栅传感器结构特点尤其是只需机械等分即可实现计量等分的特点,将机械系统的运动部件作为传感器的一部分,实现机械系统的“嵌入式位置检测”,彻底打破了同轴安装独立角位移传感器的传统模式,其具有体积小、重量轻、不受空间限制等一系列优点,真正实现了人们对将位移测量嵌入到机械系统的长期追求。主要研究内容和创新点如下：1)从测量基准时空转换理论出发,阐述了嵌入式时栅位移测量的关键是构建一种匀速运动的坐标系。在此基础上,系统地总结了实现匀速运动的三种方式：机械运动、构造行波和自然行波。对比分析了自然行波与构造行波的产生机理、特点以及在位移测量中的应用,对嵌入式时栅传感机理进行了深入研究,提出了嵌入式时栅电行波形成的新方法。2)提出了测头与转子齿槽的一般对应关系,设计了两种结构形式的嵌入式时栅角位移传感器样机：双层绕组式和三层绕组式。进行了电磁场仿真验证,分析了这两种传感器的工作原理,设计了实现测量用的电气系统包括硬件电路设计和软件设计。3)设计和搭建了嵌入式时栅角位移传感器的实验系统,针对两种结构形式的传感器开展了大量的实验研究。实验结果表明,双层绕组式嵌入式时栅稳定性达到了0.5",重复性0.6",测量精度±2.4"；三层绕组式嵌入式时栅稳定性为0.8",重复性0.6",测量精度±3.4"。根据实验结果对传感器的系统误差和随机误差进行了详细分析,讨论了长周期误差和短周期误差来源以及对测量结果的影响,提出了与传统方法不同的特殊多测头法,大幅度地降低了传感器的系统误差。4)根据嵌入式时栅角位移传感器的结构和误差特点,提出了双测头定角平移法(FAS)和单测头测量位差商法(DQM)两种自标定方法。对这两种方法进行了理论推导和数学建模,并进行了相应的实验研究。最终结果表明,采用FAS自标定方法最终精度达到了±3.5",接近于比较标定的精度,采用DQM自标定方法最终精度为±4.4"。为传感器的实现现场标定和精度保持提供了理论和实践依据。5)将嵌入式时栅传感器应用到大型转台轴承的角位移检测上,研制开发了的带角位移检测系统的大型转台轴承YRTM460。详细分析了测量原理、加工方式和测头设计方法。搭建了测试平台,对YRTM460的基本性能指标进行了测试,测试结果表明,这种带检轴承稳定性达到了0.4",重复性0.5",最终精度±3.5"。通过与哈尔滨量刃具集团的合作,该产品已于2015年4月在“第14届中国国际机床博览会”上向全社会正式推出。同时与洛阳鸿元轴承科技有限公司正在洽谈合作事宜。综上所述,本文在延续课题组前期时栅传感器的研究基础上,开展了嵌入式时栅传感技术的研究,以时栅位移传感器的测量模型为基础,分析了实现匀速运动的三种方式,提出了嵌入式时栅传感器电行波的形成方法,研制出了两种结构形式的嵌入式时栅角位移传感器,并开展了大量的实验研究。结合传感器结构和误差特点,提出了能够使传感器实现现场标定和精度保持的两种自标定方法。为今后更深入地开展其他形式的嵌入式时栅传感技术的研究提供理论和实践研究基础。
【关键词】：精密机械系统 嵌入式时栅 角位移传感器 自标定 带角位移检测功能转台轴承
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212
【目录】：

• 致谢8-9
• 摘要9-11
• ABSTRACT11-21
• 1 绪论21-31
• 1.1 精密机械系统中的位置检测方式21-24
• 1.2 传感器嵌入式检测的国内外研究现状24-25
• 1.3 时栅位移传感器简介及发展过程25-27
• 1.4 本文的背景、来源及意义27-29
• 1.5 本文研究的主要内容29-31
• 2 嵌入式时栅传感理论研究31-49
• 2.1 测量基准时空转换理论31-35
• 2.1.1 时空转换思想实验31-32
• 2.1.2 时空转换理论32-35
• 2.2 自然行波与构造行波35-40
• 2.2.1 自然行波35-37
• 2.2.2 构造行波37-39
• 2.2.3 自然行波与构造行波的异同点分析39-40
• 2.3 嵌入式时栅行波形成方法40-47
• 2.3.1 时栅中的旋转磁场41-42
• 2.3.2 时栅电行波形成方法42-44
• 2.3.3 嵌入式时栅行波形成方法44-47
• 2.4 本章小结47-49
• 3 嵌入式时栅角位移传感器设计49-65
• 3.1 引言49
• 3.2 传感器结构设计49-53
• 3.2.1 测头与转子齿槽对应关系49-50
• 3.2.2 两种结构的嵌入式时栅50-52
• 3.2.3 原理性仿真52-53
• 3.3 工作原理53
• 3.4 硬件设计53-62
• 3.4.1 正交激励模块53-56
• 3.4.2 信号处理模块56-57
• 3.4.3 时间测量模块57-60
• 3.4.4 数据处理模块60-62
• 3.5 软件设计62
• 3.6 本章小结62-65
• 4 嵌入式时栅角位移传感器实验研究65-91
• 4.1 实验系统设计65-66
• 4.2 行波形成实验66-68
• 4.3 性能测试实验68-75
• 4.3.1 稳定性实验68-70
• 4.3.2 精度实验70-74
• 4.3.3 重复性实验74-75
• 4.4 误差来源分析与处理75-89
• 4.4.1 系统误差76-88
• 4.4.2 随机误差88-89
• 4.5 本章小结89-91
• 5 嵌入式时栅角位移传感器自标定新方法及技术91-115
• 5.1 引言91
• 5.2 传感器标定概述91-92
• 5.3 传感器自标定发展现状92-93
• 5.4 自标定原理分析93-105
• 5.4.1 EDA自标定原理93-95
• 5.4.2 PFD自标定原理95-99
• 5.4.3 TDR门标定原理99-105
• 5.5 嵌入式时栅角位移传感器自标定原理105-110
• 5.5.1 FAS自标定原理105-107
• 5.5.2 DQM自标定原理107-110
• 5.6 嵌入式时栅角位移传感器自标定实验研究110-114
• 5.6.1 FAS自标定实验研究110-112
• 5.6.2 DQM自标定实验研究112-114
• 5.7 本章小结114-115
• 6 带角位移检测功能大型转台轴承的研制115-123
• 6.1 引言115-116
• 6.2 带角位移检测功能转台轴承测量原理116
• 6.3 带检测功能轴承结构设计116-119
• 6.3.1 齿栅加工方式117-118
• 6.3.2 时栅测头设计118-119
• 6.3.3 电子系统119
• 6.4 性能测试119-121
• 6.4.1 测试系统简介119-120
• 6.4.2 性能指标测试120-121
• 6.5 本章小结121-123
• 7 总结与展望123-125
• 7.1 总结123-124
• 7.2 展望124-125
• 参考文献125-131
• 攻读博士学位期间的学术活动及成果情况131

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 赵永林,蔺增金,马凤英,高见;偏光式角位移传感器[J];仪器仪表学报;2001年S1期

2 ;求购信息[J];传感器世界;2001年06期

3 张涛,钟秀贤,李敏雪,徐英;智能化差动电容角位移传感器的研究[J];仪表技术与传感器;2003年09期

4 张可鑫,吴永红,王利革,毛毳;角位移传感器校准方法及不确定度分析[J];航空计测技术;2004年05期

5 邸亚洲;秦永元;尚希良;周玉平;李万泉;;飞参数据在角位移传感器维护中的应用研究[J];测控技术;2008年11期

6 刘荣先;;一种非接触式角位移传感器的设计[J];内蒙古民族大学学报(自然科学版);2012年06期

7 张裕悝;鲍亚子;张贵珠;尹成竹;;高精度大量程角位移传感器设计[J];机械与电子;1993年06期

8 张之圣，白花珍，王聪修，王文生;精密角位移传感器及其可靠性研究[J];压电与声光;1996年04期

9 葛林,周文华,徐航;一种新型车用角位移传感器的研究与应用[J];机电工程;2000年05期

10 马军山,杨永才,张世宙,清野慧;纳弧度分辨力角位移传感器及平均灵敏度标定[J];光学技术;2003年02期

中国重要会议论文全文数据库 前5条

1 赵永林;蔺增金;马凤英;高见;;偏光式角位移传感器[A];中国仪器仪表学会第三届青年学术会议论文集（上）[C];2001年

2 杜玲玲;王海英;张晓勇;丁颖;常飞;;一种角位移传感器静态校准新装置[A];2010航空试验测试技术学术交流会论文集[C];2010年

3 徐英;张涛;李敏雪;杨波;;电容式角位移传感器电场有限元仿真研究[A];中国仪器仪表学会学术论文集[C];2004年

4 赵辉;张海波;陶卫;;激光三角位移传感器分辨率不均匀性分析与参数优化[A];高精度几何量光电测量与校准技术研讨会论文集[C];2008年

5 朱小波;;光栅角位移传感器在钟罩标准装置中的应用[A];江苏省计量测试学术论文集[C];2007年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 吕军;勇于创新进取的科研带头人[N];中国航空报;2004年

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 高忠华;时栅角位移传感器自标定与误差修正方法及关键技术研究[D];合肥工业大学;2014年

2 孙世政;精密机械系统中的嵌入式时栅传感新技术研究[D];合肥工业大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 刘金川;比例测量原理的电容角位移传感器的研究及其应用[D];天津大学;2004年

2 周玮;时栅角位移传感器自标定研究[D];重庆理工大学;2012年

3 白勇;小角度角位移传感器的设计与研究[D];东华大学;2009年

4 吕涛;敏感型Fabry-Perot腔高精度光纤角位移传感器研究[D];西南师范大学;2005年

5 张梦;基于可编程霍尔IC的角位移传感器[D];长安大学;2014年

  本文关键词：精密机械系统中的嵌入式时栅传感新技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：269977