基于电涡流传感器的狭小空间三维测量研究

摘要

随着工业制造技术的发展，现今对于零件局部精度的要求逐渐提高，由此针对具有复杂结构的狭小空间的三维测量占据重要地位。例如工业中需保证工装的精度从而保证零件的制造精度，因此需对工装上处于狭小空间下的关键特征进行三维位移场测量。为克服工装的结构复杂、测量范围大、安装空间有限、涂层不可破坏、关键特征遮挡等问题，采用电涡流位移传感器对工装上各个关键特征进行局部测量。电涡流位移传感器的体积小便于安装、非接触测量无需破坏涂层、测量精度高的特点满足复杂狭小空间下的高精度测量要求。因此本文将研究基于电涡流位移传感器的空间三维测量方法。 阐述了电涡流位移传感器的基本工作原理，对其等效电路和特征函数进行了理论分析。通过基于最小二乘法的多项式拟合方法来获取特征函数。对标定系统进行搭建，通过实验对比分析了直线拟合和多项式拟合的结果，为后面的电涡流位移传感器必要参数获取奠定理论基础。 通过电磁场仿真软件ANSYS Maxwell实现了对电涡流位移传感器的电磁场仿真建模，并对被测件倾角、线圈内部激励频率大小、被测件通孔位置，以及双线圈间距大小对于相对位移测量过程中涡流场分布以及涡流密度大小的影响进行了分析。 提出了基于电涡流位移传感器的三维信息测量方法。对传感器的两个必要参数进行了理论与物理意义分析。设计了基于空间矢量关系和优化的传感器参数求取方法，据此实现对被测件上对应测点三维坐标的测量。设计了平面基准转换方法对基准偏差进行补偿。设计了测量方法的间接评价方法，对三维测量实验系统平台进行搭建。 实验研究了6个电涡流位移传感器探头的特征函数，发现基于最小二乘法的多项式拟合方法相比于直线拟合方法，更贴近于实际的标定数据。根据获取的特征函数证实了电涡流位移传感器必要参数的存在及求取必要性。通过实验获取了电涡流位移传感器必要参数并进行了三维测量实验，三维测量验证结果表明平均精度可达到0.0212mm,均方误差为0.0127mm，满足工业测量需求。数据分析结果表明由位移基准转换方法到平面基准转换方法，6个传感器绝对误差的平均值由5.6140mm降为0.0688mm。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 空间位移场测量方法研究现状

1.3 电涡流位移测量研究现状

1.3.1 涡流检测研究现状

1.3.2 电涡流位移传感器研究现状

1.4 论文本文研究意义及主要工作

1.4.1 本文研究意义

1.4.2 本文主要工作

2 电涡流位移传感器基本工作原理及特征函数标定

2.1 电涡流位移传感器基本工作原理

2.2 电涡流位移传感器的等效电路分析

2.3 电涡流位移传感器特征函数标定

2.3.1 电涡流位移传感器特征函数

2.3.2 基于最小二乘法的特征函数多项式拟合

2.3.3 特征函数标定系统平台搭建

2.4 本章小结

3 电涡流位移传感器涡流场有限元仿真分析

3.1 有限元仿真分析法简介

3.2 电涡流位移传感器仿真分析模型建立

3.3 被测件倾角对仿真模型涡流场的影响

3.4 线圈激励频率对仿真模型涡流场的影响

3.5 被测件通孔位置对仿真模型涡流场的影响

3.6 双线圈间距大小对仿真模型涡流场的影响

3.7 本章小结

4 基于电涡流位移传感器的狭小空间三维测量方法

4.1 电涡流位移传感器自身空间位置信息

4.1.1 相对位移测量起点

4.1.2 相对位移测量的方向向量

4.2 电涡流位移传感器自身空间位置信息获取方法

4.2.1 基于空间矢量原理的电涡流位移传感器空间位置信息测量方法

4.2.2 基于最小二乘法的空间平面拟合方法

4.2.3 基于优化的电涡流位移传感器自身空间位置信息求取方法

4.3 基于电涡流位移传感器的狭小空间三维信息测量方法

4.4 测量系统的基准转换方法

4.4.1 基准偏差分析

4.4.2 基准转换原理分析

4.4.3 基准转换方法的评价

4.5 基于电涡流位移传感器的狭小空间三维测量方法的评价准则

4.6 实验平台搭建

4.7 本章小结

5 实验研究及结果分析

5.1 电涡流位移传感器特征函数获取实验及结果分析

5.1.1 电涡流位移传感器特征函数获取实验平台

5.1.2 电涡流位移传感器特征函数获取实验结果分析

5.2 基于电涡流位移传感器的狭小空间三维测量实验及结果分析

5.2.1 实验平台介绍

5.2.2 电涡流位移传感器自身空间位置获取的实验结果

5.2.3 电涡流位移传感器狭小空间三维测量验证实验结果分析

5.3 基准转换验证实验及结果分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢