基于时变磁场精确约束方法的时栅位移传感器研究

发布时间：2017-04-21 11:03

  本文关键词：基于时变磁场精确约束方法的时栅位移传感器研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于制造业的自动化与智能化程度逐渐提高,闭环控制系统的应用范围不断拓展。位移传感器作为闭环控制系统的关键组成部分,其工作性能与闭环控制效果息息相关。一些系统因其工作环境恶劣,通常需要选用工作可靠性高、抗干扰能力强的时变磁场式位移传感器作为位置反馈元件。这类位移传感器以时变磁场为耦合场,常采用导磁材料和线圈对磁场传播途径和分布区域进行约束,因而传感器的测量精度受磁场约束方法的影响。目前,时变磁场式位移传感器采用的磁场约束方法不仅未能充分发挥导磁材料的导向约束作用和线圈的灵活配置性,而且没有利用导磁材料和线圈的精确配合作用。因此,如果要实现较高的测量精度,则传感器的加工要求、装配要求等较高,最终导致制造成本较高。鉴于此现状,本文开展了时变磁场精确约束方法的研究,以及基于精确约束方法的新型时栅位移传感器的研究。本文的主要研究工作与成果如下:①通过综合分析目前时变磁场式位移传感器中常用的磁场约束方法,深入开展了平面磁场的约束方法研究,进而提出了时变磁场的精确约束方法。精确约束方法不仅充分发挥了导磁材料的导向约束作用和线圈的灵活配置性,而且使导磁材料和线圈在结构上精确配合。②根据时栅的测量原理和本文提出的时变磁场精确约束方法,首次将时栅位移传感器的线圈和导磁体设计为平面式结构。针对角位移和直线位移测量,提出了多种全新的角位移和直线位移传感器结构。新型时栅位移传感器结构不仅充分利用了导磁体与线圈的约束作用,而且规避了当前“双边齿槽”结构式时栅位移传感器中存在的磁路陡变问题。③通过研究“精机+精机”组合绝对位移测量方法和国家自然科学基金青年科学基金项目“基于误差转换的时栅角位移传感器自标定和自校准方法研究”提出的在线自校正方法,探索了适合时变磁场精确约束方法的多功能位移传感器,并提出同时具有绝对位移测量功能和在线自校正功能的角位移传感器结构和直线位移传感器结构各一种。④开展了新型时栅位移传感器的仿真工作,验证时变磁场精确约束方法的效果和各新型传感器结构的可行性。通过计算机软件手段,建立了所有新型时栅位移传感器的3D模型,并采用有限元方法对模型进行了仿真计算,得到了各新型传感器的输出信号与被测位移量之间较为精确的定性关系。仿真工作不仅表明时变磁场精确约束方法的效果明显优于目前时栅位移传感器采用的约束方法,而且表明新型传感器结构是可行的。⑤开展了新型时栅位移传感器的实验研究工作,检验时变磁场精确约束方法的实际效果和新型传感器样机的工作性能。基于新型时栅角位移和直线位移传感器的3D仿真模型,成功研制出角位移和直线位移传感器样机各一种,并开发了一套适于精密位移测量的电气系统。实验结果表明,时变磁场精确约束方法的效果优于目前时栅位移传感器中采用的约束方法;虽然样机的导磁体和线圈制作工艺简单、加工要求较低,但测量精度比较高。在0??~?360?范围内角位移测量准确度在?2.2?以内,在0mm?~?208mm范围内直线位移测量准确度在?3.4?m以内?。⑥为了提高样机的测量精度,首次将逐点查表式误差修正方法应用于时栅位移传感器。该方法不仅可以解决复杂误差的修正问题,而且在计算时间上占有绝对优势。因此,该方法的应用不仅提高了传感器样机的测量精度,而且对于今后时栅位移传感器的高速动态测量研究具有重要意义。⑦为了满足新型时栅位移传感器对平面线圈的需求,首次将PCB(Printed Circuit Board)线圈应用于时栅传感器的设计。相对于传统的漆包线绕组,PCB线圈具有精密程度高、一致性好、制造成本低、适于快速批量化生产等优点,因而其应用有助于解决时变磁场式位移传感器测量精度与制造成本的矛盾。综上所述,本文通过分析现有时变磁场约束方法的优缺点,提出了时变磁场的精确约束方法;基于精确约束方法和时栅的测量原理,提出了时栅位移传感器的多种全新结构;根据提出的新型传感器结构,成功研制出两种样机,实验研究表明,新型时栅位移传感器结构具有制造成本低而测量精度高的优势。因此,本文的研究不仅开辟了时栅位移传感器全新的研究方向,而且在产业化方面,研究成果有望帮助时栅位移传感器满足更多的市场需求。
【关键词】：时变磁场 精确约束 时栅 平面线圈 位移传感器
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 1 绪论11-19
• 1.1 本文研究的背景和意义11-13
• 1.2 时变磁场式位移传感器的发展与研究现状13-16
• 1.2.1 旋转变压器13-14
• 1.2.2 感应同步器14-15
• 1.2.3 时栅传感器15
• 1.2.4 ?Zettlex传感器15-16
• 1.2.5 其它时变磁场式位移传感器16
• 1.3 本文研究的主要内容16-19
• 2 时变磁场及其精确约束方法19-35
• 2.1 引言19
• 2.2 时变磁场的电与磁19-20
• 2.3 磁路理论20-22
• 2.3.1 磁路中的基本概念20-21
• 2.3.2 磁路分析中运用的定律21-22
• 2.4 时变磁场的传播特性与线圈耦合变化方式22-23
• 2.5 时变磁场的常见约束方法23-27
• 2.5.1 导磁材料的约束作用23-26
• 2.5.2 线圈的约束作用26-27
• 2.6 时变磁场的精确约束方法研究27-33
• 2.6.1 磁场的三种改进型导向约束方法27-30
• 2.6.2 线圈对磁场分布的精确主动约束30-32
• 2.6.3 线圈对磁场分布的精确被动约束32-33
• 2.7 基于精确约束方法的时栅位移传感器设计思想33-34
• 2.8 本章小结34-35
• 3 基于时变磁场精确约束方法的新型时栅位移传感器35-59
• 3.1 引言35
• 3.2 时间正交与空间正交35-36
• 3.3 新型时栅位移传感器的基本结构36-41
• 3.3.1 主动约束磁场型角位移传感器36-37
• 3.3.2 被动约束磁场型角位移传感器37-39
• 3.3.3 主动约束磁场型直线位移传感器39-40
• 3.3.4 被动约束磁场型直线位移传感器40-41
• 3.4 传感器的工作原理41-51
• 3.4.1 电信号量与位移量41-43
• 3.4.2 新型角位移传感器的工作原理43-47
• 3.4.3 新型直线位移传感器的工作原理47-51
• 3.5 多功能新型时栅位移传感器结构探索51-57
• 3.5.1 绝对位移测量功能51-53
• 3.5.2 在线自校正功能53-54
• 3.5.3 一种多功能角位移传感器54-56
• 3.5.4 一种多功能直线位移传感器56-57
• 3.6 本章小结57-59
• 4 新型时栅位移传感器的模型与仿真59-79
• 4.1 引言59
• 4.2 角位移传感器59-65
• 4.2.1 主动约束磁场型角位移传感器的模型与仿真59-63
• 4.2.2 被动约束磁场型角位移传感器的模型与仿真63-65
• 4.3 直线位移传感器65-71
• 4.3.1 主动约束磁场型直线位移传感器的模型与仿真65-68
• 4.3.2 被动约束磁场型直线位移传感器的模型与仿真68-71
• 4.4 多功能位移传感器71-76
• 4.4.1 多功能角位移传感器的模型与仿真71-73
• 4.4.2 多功能直线位移传感器的模型与仿真73-76
• 4.5 本章小结76-79
• 5 两种新型时栅位移传感器的实验研究79-121
• 5.1 引言79
• 5.2 传感器样机结构方案选择79-87
• 5.2.1 角位移传感器样机结构方案79-83
• 5.2.2 直线位移传感器样机结构方案83-87
• 5.3 电气系统87-103
• 5.3.1 硬件电路系统87-93
• 5.3.2 软件系统93-101
• 5.3.3 系统的可靠性设计101-103
• 5.4 实验平台103-105
• 5.4.1 平台结构103-104
• 5.4.2 控制系统104-105
• 5.5 实验数据采集105-108
• 5.5.1 数据采集方法和流程105-106
• 5.5.2 角位移传感器样机的数据采集106-107
• 5.5.3 直线位移传感器样机的数据采集107-108
• 5.6 误差分析与修正108-117
• 5.6.1 误差成分分析108-111
• 5.6.2 误差来源分析111-113
• 5.6.3 误差修正方法113-117
• 5.7 精度实验117-119
• 5.7.1 角位移测量精度118
• 5.7.2 直线位移测量精度118-119
• 5.8 本章小结119-121
• 6 总结与展望121-125
• 6.1 总结121-122
• 6.2 展望122-125
• 致谢125-127
• 参考文献127-133
• 附录133
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录133
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目133

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本文编号：320170