自分度非接触角位移传感原理及其信号处理方法研究

摘要

旋转机械是一种普遍存在的机械结构形式，如各类加工机床的传动链、轮船的螺旋桨、武器执行机构的瞄准及跟踪装置等。旋转参量如角位移、转速和角加速度等是确定这些转动装置或旋转系统的工作状态和运动特性的重要参数。通过精确测量角位移等参量，可以了解旋转系统的工作状态和性能，判断它们的运动特性，提高其运动过程控制的准确性，还可用于提取故障信息以用于系统的故障诊断等。因此角位移的准确测量具有极重要的意义，在机械检测技术中具有极广泛的应用。针对目前角位移传感器普遍存在的需同轴安装精密分度盘的不足，本文采用空间滤波方法，提出了一种新的角位移传感方法，初步研究了该传感方法的传感原理及信号处理方法，建立了相应的角位移传感实验装置。本论文的主要工作如下：　　在说明了国内外角位移测量的研究现状后，详细阐述了基于空间滤波技术的角位移传感原理。采用两个平行排列且相距一定距离的差分型光电池阵列构成了双差分空间滤波传感器，分析了用高频脉冲插补法获取双差分空间滤波传感器输出信号中心频率的方法；阐述了基于瞬时转速与微时间片角位移测量法，即用传感器输出信号的两个中心频率计算出准瞬时角速度后，将瞬时角速度与微时间片相乘得到微角位移，再将各微角位移量相加得到角位移值。　　分析了基于空间滤波技术的角位移传感方法中的信号和信息处理方法：通过波形变换将双差分空间滤波传感器的准正弦信号转换为两个互补的矩形信号，用高频脉冲插补法无丢失地获取矩形信号的宽度，并根据该宽度计算出准正弦信号的中心频率。　　设计并制作了信号预处理、数据采集及处理子系统，包括四阶巴特沃斯低通滤波电路、矩形波变换电路、高频脉冲计数电路、基于ARM9处理器的数据采集与处理电路等。编程实现了输出信号中心频率的提取、被测体角速度及角位移的计算与显示等软件，并建立了相应的角位移传感实验系统。　　该传感方法无需同轴安装的精密分度盘，对轴向和径向晃动、平移及安装误差不敏感，可实现自分度非接触式角位移测量，可广泛应用于各类旋转系统的监测，具有良好的应用前景。

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1 绪 论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究状况

1.3 本文研究的主要内容

2 自分度非接触角位移传感原理

2.1 旋转体表面反射光分析

2.2 光学成像系统分析

2.3 用于位移测量的空间滤波理论分析

2.4 基于双差分空间滤波传感器的角位移传感原理

2.5 本章小结

3 光电池阵列输出信号的获取与处理方法

3.1 信号获取与处理方法

3.2 本章小结

4 自分度角位移测量的信号处理系统设计

4.1 总体结构方案

4.2 信号获取与处理系统的设计

4.3 本章小结

5 仿真分析及设计结果

5.1 空间滤波原理的仿真分析

5.2 信号处理与数据采集系统设计结果

6 总结与展望

6.1 论文工作与结论

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果

附录：系统软件关键程序