时栅角位移传感器自标定与误差修正方法及关键技术研究

摘要

时栅角位移传感器是根据时空转换思想而研发的一种新型传感器，近年来开始向产业化迈进。目前，时栅传感器虽然在加工过程摒弃了空间超精密刻划技术，但是其检验与标定环节却仍依赖于空间超精密刻划技术的传感器作为参考基准。而且随着时栅角位移传感器精度的进一步提高，寻找更高精度的参考基准来标定它就更加困难，所以参考基准是时栅传感器必须要解决问题。另外，在实际恶劣的使用环境中，包括时栅传感器在内的其它同类传感器面临的共同问题是:当传感器的机械参数和电气参数发生变化时，测量精度如何长期保持？上述的两个问题促使了本课题对时栅角位移传感器的自标定和误差自修正展开研究。
　　目前，国内外对角位移传感器的自标定研究不多，基本方法仍然是以圆周封闭原则为依据，转换为以常角为基准进行相互标定或自标定。多采用两套读数头或两个码盘，自标定传感器使用条件要求苛刻、结构复杂，很少能够进行产业化生产。真正实现通过自标定达到高精度的角位移传感器，基本是在实验室中使用，典型的代表是德国联邦物理技术研究院和日本国家计量研究院各拥有一台超高精度的测角仪器，都是通过自标定实现其高精度的测量。
　　本文在对国内外的角位移传感器自标定方法充分调研和深入分析的基础上，根据时栅角位移传感器和寄生式时栅误差的特点，采用理论分析和数学建模的方法对其自标定和误差自修正方法进行了深入研究。目标是实现传感器自标定与误差自动修正技术大规模用于产品化生产，尤其是用于大型复杂的生产与科研现场。迄今已完成的主要研究内容和创造性工作如下:
　　1)在分析总结国内外角位移传感器自标定方法，以及前期开展的基于误差转换的时栅自标定方法（ECT方法）的基础上，根据时栅传感器及寄生式时栅结构和误差特点，提出了定角平移自标定方法（FAS方法），并对该方法进行了理论推导和数学建模。
　　2)提出了适合于寄生式时栅技术的基于最小微元插值的动态误差自修正方法，并建立了误差修正模型。同时实现了时栅角位移传感器的谐波修正误差自动修正技术和寄生式时栅的最小微元插值误差自动修正技术。
　　3)设计了时栅角位移传感器和寄生式时栅的自标定结构，完成了时栅角位移传感器和寄生式时栅的误差自动修正的电路及电气系统设计。
　　4)设计了实验系统及实验方案，开展了大量的实验研究，给出了详细的实验数据，其结果如下:
　　①对时栅角位移传感器进行静态自标定和基于谐波修正法的误差自修正，经过两次自标定和自修正，通过比对实验得出静态自标定精度为1

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 本文研究的背景、来源及意义

1．2 国内外研究现状概述

1．3 本文研究的主要内容

2 位移测量中的时空转换与时栅位移传感器

2．1 位移测量中的测量模型和时空转换理论

2．1．1 位移测量中的两种模型

2．1．2 时空转换思想实验

2．1．3 时空转换理论

2．2 时间行波与空间行波

2．3 时栅角位移传感器及寄生式时栅技术

2．3．1 时栅角位移传感器

2．3．2 寄生式时栅技术

2．4 本章小结

3 角位移传感器自标定与误差修正原理分析

3．1 传感器自标定与误差修正概述

3．2 相互标定原理分析

3．2．1 单常角法互标定原理

3．2．2 排列常角法互标定原理

3．3 自标定原理分析

3．3．1 EDA自标定原理

3．3．2 PFD自标定原理

3．3．3 TDR自标定原理

3．4 误差修正方法分析

3．4．1 系统误差修正方法

3．4．2 随机误差修正方法

3．4．3 实时综合误差修正方法

3．5 本章小结

4 时栅角位移传感器自标定与误差自修正新方法及技术

4．1 时栅角位移传感器自标定原理

4．1．1 ECT自标定原理

4．1．2 FAS自标定原理

4．2 时栅传感器误差修正方法

4．2．1 谐波修正法误差修正原理

4．2．2 最小微元插值法误差修正原理

4．3 时栅角位移传感器自标定与误差自动修正系统设计

4．3．1 时栅角位移传感器工作原理

4．3．2 时栅角位移传感器自标定结构设计

4．3．3 绝对零点设计

4．3．4 正交激励电源模块设计

4．3．5 自标定模块设计

4．3．6 误差自动修正模块设计

4．4 时栅角位移传感器自标定与误差自动修正实验系统设计

4．4．1 实验系统方案设计

4．4．2 自动控制系统设计

4．4．3 上位机测试软件设计

4．5 时栅角位移传感器自标定与误差自动修正实验及误差来源分析

4．5．1 自标定与自修正实验结果

4．5．2 误差来源分析

4．6 本章小结

5 用于大型机械装备的寄生式时栅技术现场自标定和误差自动修正研究

5．1 大型机械装备现场检测的关键技术分析

5．2 寄生式时栅在大型机械装备检测中的应用

5．3 寄生式时栅的自标定与误差自动修正技术

5．3．1 自标定装置结构设计

5．3．2 绝对零点设计

5．3．3 自标定实验结果与误差来源分析

5．3．4 误差自修正实验结果与误差来源分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况