差线栅位移传感器原理与参数设计准则及其实验研究

摘要

本文是国家自然科学基金资助项目“差线栅位移传感器研究”的基本组成部分。常用位移传感器往往利用其运动过程中某种物理量有规律的周期性变化而形成沿空间均匀分布的“栅线”，从而可以通过对栅线的计数而得到位移量。如光栅利用莫尔条纹的明暗变化，磁栅利用录制的NS极磁场变化，齿栅利用齿顶齿槽引起测头磁通量变化，容栅利用极板面积变化引起电容量的周期性变化等。栅式传感器的一个共同问题在于空间栅线数难以进一步提高，因此必须对原始信号再加以电子细分才能满足工程应用的分辨力要求，这会引起一些新的问题。如何提高原始栅线数仍值得人们探索，在机械“刻线”已难以进一步提高的情况下，还有没有别的方法? 我们可以借鉴一种已有的思想：利用“级数差”来实现某种“放大”。例如“差频测量系统”利用栅线差实现了信号比相周期的放大；谐波齿轮利用内外齿轮齿数差实现了传动比的放大；游标卡尺利用游标和主尺的刻线差实现了分辨力的提高等等。本文则首次提出一种利用极数差实现栅线数的放大，即利用较少的刻线基体实现更多的“等效栅线数”的新方法，以此构成一种全新的位移传感器，我们暂时将其命名为“差线栅传感器”，简称“差栅”或“差线栅”，并从最初的理论推导到实验验证详细地论述了该传感器。文中主要包括以下内容： 1.差线栅位移传感器原理； 2.差线栅位移传感器参数设计准则及信号发生机理； 3.差线栅位移传感器结构设计及材料选取； 4.差线栅位移传感器实验及结果分析； 上述研究验证了差线栅位移传感器思想的正确性，形成了差线栅位移传感器的雏形，为该传感器的进一步研究奠定了坚实的基础。

目录

文摘

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1绪论

1.1前言

1.2精密位移测量的意义

1.3机械位移测量技术及位移传感器

1.4位移传感器研究的国内外现状

1.5本研究之来源、意义和任务

2差线栅位移传感器原理

2.1栅式位移传感器

2.2差线栅位移传感器

2.2.1测微中的放大、插值与细分

2.2.2差线栅工作原理

2.2.3特点分析

2.3小结

3差线栅位移传感器参数设计

3.1引言

3.2差线栅机械参数设计准则

3.2.1定义

3.2.2推论与例证

3.3差线栅的数学模型与信号发生机理

3.3.1差线栅形成原理的数学模型

3.3.2差线栅电信号形成机理

3.4小结

4差线栅位移传感器信号分析处理基础

4.1引言

4.2信号处理方法概述

4.2.1滤波

4.2.2调制与解调

4.2.3电子细分

4.2.4辨向

4.3三种典型信号分析方法比较

4.4小结

5差线栅位移传感器结构设计

5.1电感式传感元件

5.2发电型传感元件

5.3四类差线栅位移传感器设计

5.3.1差线栅结构及工作原理

5.3.2差线栅材料的选取

5.3.3改善传感器性能考虑的因素

5.4小结

6差线栅位移传感器实验

6.1差线栅机械参数计算

6.2差线栅实验及结果分析

6.2.1第1类差线栅原理验证实验

6.2.2第2类差线栅原理验证实验

6.2.3第4类差线栅原理验证实验

6.3栅式位移传感器误差分析和消减措施

6.4齿距累积误差测量中的异常现象分析

6.5差线栅精度分析

6.6 小结

7总结

致谢

参考文献

附录