基于标准件构建的新型变磁阻式时栅测量系统研究

摘要

精密测量技术是确保加工质量的重要手段之一，其结果直接决定产品的品质。位移作为一种最基本的物理量，大量生产实践中需要对其进行精密测量。位移测量中以光栅为代表的传统栅式位移传感器，其测量精度主要依赖精密刻划技术的刻划精度。磁场式时栅传感器通过建立相对运动“双坐标系”，将空间位移量转换为时间量完成测量，实现大栅距下的精密测量，回避了传统栅式位移传感器依赖精密刻划实现高精度测量的弊端。但是，磁场式时栅传感器又对整周开槽的等分性提出了一定的要求，受目前机械开槽精度的限制，磁场式时栅整周开槽的等分精度难以保证，从而制约其测量精度的进一步提高。同时由于磁场式时栅传感器存在槽间距较小且需要人工绕线的缺点，从而很难保证整周绕线的一致性，给传感器引入了新的误差源，再次制约传感器精度的提高。　　本文针对上述问题，提出采用标准件构建时栅的新思路，使用制造精度可以达到计量等分精度的标准件—滚针作为时栅磁场耦合单元，从而提高标准件构建的新型变磁阻式时栅整周磁场耦合单元的等分性，同时采用标准件构建时栅可以实现传感器绕线的机械化，提高绕线效率，消除人工绕线所引入的误差，从而达到提高测量精度的目的。本文主要研究内容如下：①深入研究时间测量空间原理、磁场式时栅传感机理及行波合成方法，建立标准件构建的新型变磁阻式时栅磁路数学模型。②利用电磁场仿真软件，建立标准件构建的新型变磁阻式时栅仿真模型，重点对传感器的有效半径和磁路气隙长度进行优化，总结两者的设计规律，建立90对极仿真模型，将其仿真结果与场式时栅结果进行对比，得出两者之间的差异，最后根据仿真优化结果设计90对极标准件构建的新型变磁阻式时栅原理样机。③设计基于SOPC技术的信号处理系统，使整个测量系统结构更加紧凑，信号处理性能更高，同时设计电阻链移相电路解决低频激励源下，因传感器频率响应速度慢，而带来测量速率较慢的问题。④实验研究，原理实验验证样机驻波信号和行波信号的产生；性能测试实验对标准件构建的新型变磁阻式时栅测量系统的稳定性，精度及频率响应进行测试。实验结果表明，采用标准件构建时栅的方式可以有效提高时栅整周磁场耦合单元的等分性，使得传感器原始误差比场式时栅减小约50％，经修正后测量精度在±2″以内，同时采用所设计的信号处理系统可以将传感器的测量速率提高32倍，解决了低频激励源下，传感器测量速率较慢的问题。

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1 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3 论文的主要内容和结构

2 标准件构建的新型变磁阻式时栅原理

2.1 位移测量的两种数学模型

2.2 时空转换原理

2.3 标准件构建的新型变磁阻式时栅理论模型

2.4 本章小结

3 标准件构建的新型变磁阻式时栅仿真优化及设计

3.1 电磁场有限元法

3.2 有限元仿真模型建立

3.3 模型结构优化分析

3.4 优化结果验证及对比分析

3.5 样机设计

3.6 本章小结

4 信号处理系统设计

4.1 系统组成及原理介绍

4.2 激励电源模块

4.3 信号调理模块

4.4 电阻链移相处理模块

4.5 波形转换模块

4.6 数字信号处理模块

4.7 本章小结

5 实验验证与误差分析

5.1 原理验证实验

5.2 性能测试实验

5.3 误差分析

5.4 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