寄生式时栅角位移传感器动态误差分析与结构改进

摘要

目前已有的寄生式时栅传感器不确定度评定方案没有建立传感器加工误差、安装误差以及多普勒效应与总不确定度之间的传递关系，寄生式时栅也没有建立高精度的动态测量误差修正模型，其结构只是依据实验经验设计，缺少指导结构优化设计的理论依据。
　　为了建立更全面的寄生式时栅不确定度评定体系，本文对原有的寄生式时栅不确定度评定方案进行改进，建立传感器加工误差、安装误差以及多普勒效应与总不确定度之间的传递关系。
　　为了建立高精度的寄生式时栅动态测量误差模型，本文以84对极寄生式时栅为研究对象，设计实验采集寄生式时栅整圆周动态误差，分析动态误差各个成分与误差来源的对应关系，选用插入标准值的贝叶斯预测算法建立寄生式时栅整圆周动态误差模型，另选用三次样条插值和BP神经网络建模方法对寄生式时栅整圆周动态误差建模，并与之对比。验证结果表明，贝叶斯插入标准值建模方法可在较短的时间以较少的数据量获得较高的建模精度。
　　利用Ansoft Maxwell仿真分析传感器安装误差和多普勒效应对寄生式时栅测量精度的影响，并设计实验进行验证。从仿真和实验结果可知，测头与转子的间隙越小，传感器测量精度越高，实验确定的最佳安装间隙为0.2mm;测头的俯仰角和偏摆角变化对测量精度的影响规律复杂，故文中建立相应的误差补偿模型;随着转子转速增大，多普勒效应对传感器测量精度的影响越大。
　　为了实时修正寄生式时栅安装误差引起的传感器测量误差，将涡流传感器结构耦合进寄生式时栅传感器结构中，利用三点法误差分离技术实时测量被测对象转角，实时补偿寄生式时栅因安装误差导致的测角误差，从而设计一种自补偿式寄生式时栅传感器，对其机械结构和处理电路进行设计，利用AnsoR Maxwell对传感器感应信号进行仿真分析。
　　本文对已有的寄生式时栅不确定度评定方案进行了改进，建立了高精度的寄生式时栅整圆周动态误差模型，分析了安装误差与多普勒效应对传感器测量精度的影响。为了消除安装误差的影响，设计了一种自补偿寄生式时栅传感器。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 前言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 时栅传感器研究现状

1．2．2 时栅误差研究现状

1．2．3 动态测量误差建模研究现状

1．3 课题来源、目的和意义

1．4 课题的主要研究内容

1．5 本章小结

2 寄生式时栅不确定度评定改进方案

2．1 寄生式时栅工作原理

2．2 寄生式时栅不确定度评定

2．2．1 空间当量误差引起的不确定度评定

2．2．2 行波信号周期变化引起的不确定度评定

2．2．3 感应信号与参考信号的相位时间差引起的不确定度评定

2．2．4 环境变化引起的不确定度评定

2．2．5 测量不确定度合成

2．3 本章小结

3 基于贝叶斯原理的寄生式时栅传感器动态测量误差建模

3．1 贝叶斯统计理论与建模理论

3．1．1 贝叶斯统计理论

3．1．2 贝叶斯建模预测原理

3．1．3 贝叶斯模型分类

3．1．4 贝叶斯动态误差一步预测建模算法

3．1．5 贝叶斯动态误差插入标准值建模算法

3．2 寄生式时栅整圆周误差数据采集与特性分析

3．2．1 寄生式时栅整圆周误差数据采集实验

3．2．2 寄生式时栅整圆周误差特性分析

3．3 寄生式时栅动态误差建模结果分析

3．4 本章小结

4 安装误差与多普勒效应对寄生式时栅测量精度的影响

4．1 寄生式时栅安装误差和多普勒效应仿真分析

4．1．1 测头与被测对象间隙大小的影响

4．1．2 测头俯仰角大小的影响

4．1．3 测头偏摆角大小的影响

4．1．4 时栅多普勒效应的影响

4．2 安装误差与多普勒效应实验验证与数据分析

4．2．1 间隙影响实验分析结果

4．2．2 俯仰角和偏摆角影响建模

4．2．3 多普勒效应影响实验分析结果

4．3 本章小结

5 自补偿寄生式时栅角位移传感器研究

5．1 自补偿寄生式时栅设计思路与工作原理

5．1．1 自补偿寄生式时栅设计思路

5．1．2 自补偿寄生式时栅工作原理

5．2 自补偿寄生式时栅结构设计

5．2．1 自补偿寄生式时栅机械结构设计

5．2．2 自补偿寄生式时栅处理电路设计

5．3 自补偿寄生式时栅行波信号仿真分析与处理

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

附录

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果