基于交变电场的精密角位移测量方法与实验研究

摘要

精密计量测试是现代制造的三大支撑技术之一，是高端制造技术的核心。在角位移测量领域，小尺度光学测量方面的主要问题是如何克服衍射极限，大尺度研究方面的主要问题是在测量范围不断扩大的同时如何提高测量精度并完成误差溯源。基于此，在前期时栅研究基础上，本文研究利用激励电压产生正交变化的电场来构成运动参考系，从而实现精密角位移测量的新方法。本文提出利用“栅面”传感单元来获取信号，降低制造难度；利用“栅面”阵列的均化效应，降低制造精度对测量的影响；采用高频时钟脉冲作为位移测量基准，解决“栅面”的空间分辨力的问题。　　电场式圆时栅是一种全新原理的位移传感器，作者在理论研究的基础上开展了大量的系统仿真分析研究，并进行实验验证，逐步研制出一套精密角位移测量系统。本文的主要研究内容如下：1.深入研究测量基准时空转换理论与时栅测量的基本原理，提出一种电场式圆时栅的新结构，并重点对其测量模型进行了理论推导。2.根据传感器自身特点，以ANSYS Maxwell电磁场仿真软件为基础，建立了传感器的电场仿真模型，重点对传感器动尺极片、定尺和定尺极片引线、极片之间缝隙的电场分布规律进行了研究，并对增加屏蔽层、改变极片间缝隙宽度、改变动尺与定尺之间间隙以及调整激励电压大小等引起的电场分布变化进行了仿真分析。3.搭建了实验平台，结合仿真分析结果开展了大量实验研究，不断对传感结构进行优化设计，找出了制约测量精度提高的原因，并提出了解决方案。　　电场式圆时栅位移传感器主要围绕理论研究、电场仿真分析和实验研究三部分展开，理论联系实践，不断完善传感器测量理论，优化系统设计，最终在任意0°～360°测量范围内，传感器的原始测量精度达到±2″，分辨率为0.1″。

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1 绪论

1.1 本文的研究背景、来源和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

2 电场式圆时栅工作原理

2.1 时空转换测量理论

2.2 机械式时栅原理

2.3 磁场式时栅原理

2.4 电场式圆时栅测量原理

2.5 本章小结

3 电场仿真与分析

3.1 概述

3.2ANSYS Maxwell介绍

3.3 电场的有限元法分析原理

3.4 传感器电场仿真与分析

3.5 本章小结

4实验系统平台搭建

4.1 实验环境

4.2 RPI精密气浮转台

4.3 PI精密六自由度定位平台

4.4 激励信号系统

4.5 信号采集系统

4.6 信号处理系统

4.7 上位机软件设计

4.8实验系统平台

4.9 本章小结

5 实验验证与分析

5.1 传感器结构与参数实验与分析

5.2 传感器驻波变化规律研究

5.3 传感器对极点误差实验

5.4 稳定性实验

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 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