具备自校正功能的绝对式时栅角位移传感器研究

摘要

机械制造业是三大产业的核心，是国民经济的基础，它的发展直接影响着国计民生。传感器技术作为信息技术的重要一环，在机械制造业向智能化、自动化和信息化发展的趋势下起着必不可少的作用。在一些工业现场，通常要求作为位置反馈单元的传感器具备位置信息可直接读取、抗干扰能力强、数据可靠性高、带断电保护等性能。这类传感器通常通过绝对式方法实现测量。目前，时栅位移传感器的测量值主要采用增量输出的形式，绝对式测量方法的研究有待开展。另外，传感器使用一段时间后受环境因素、机械和电气参数变化的影响，造成不定程度的精度丧失，需要重新标定；而且随着市场对传感器精度的要求越来越高，在未来的时栅技术发展中，高精度的参考基准必将成为一个横亘在时栅研发道路上的难题。有鉴于此，本文开展了具备自校正功能的绝对式角位移时栅传感器的研究工作。本文的主要研究内容和成果如下：　　①通过研究光栅编码器和旋转变压器的绝对式测量原理，对码盘结构和双通道两种实现形式进行了综合分析。提出了一种组合式测量方法，在符合时栅特性的基础上实现绝对式测量。　　②围绕本文提出的绝对测量实现方法，相继开展了“粗机+精机”和“精机+精机”两种传感器部组对极数互质的时栅绝对测量方法研究。其中，“精机+精机”的绝对测量方法，在实现绝对测量功能的同时，减小了“粗机+精机”方案中两传感器部组输出信号之间的干扰。　　③通过基于误差坐标变换的时栅自校正方法研究，变换后重构误差函数，实现了测量中的误差修正。以组合式测量方法，实现时栅的绝对式测量方法和自校正方法有机结合，开展结构设计，达成了一机多能的时栅传感器设计。　　④开展了传感器的仿真分析工作，验证了提出的绝对测量方法和传感器结构的可行性。通过CAD软件进行了传感器模型设计，利用CAE软件对传感器模型开展仿真工作获取传感器的输出信号，并采用数学软件开展输出信号成分分析，为优化传感器结构提供参考。其中，通过仿真进行绝对位置信息输出实验和传感器部组输出信号干扰实验，论证了结构方案的可行性。　　⑤开展了工艺优化实验。采用插齿或滚齿的工艺方法取代线切割对时栅进行齿槽加工，实验结果表明改进后传感器精度可提高20％左右。　　⑥开展了样机试制和实验研究工作，验证传感器性能与效果。根据传感器自身特点，搭建实验平台开展实验工作。实验结果表明，在0°～360°的测量范围内，实现绝对测量的同时通过自校正方法，获取的传感器误差范围为﹣1.46″～0.41″。　　综上所述，本文通过分析光栅编码器和旋转变压器的绝对测量方法，结合时栅自身特点，提出了传感器部组对极数互质的组合式测量方法；开展了基于误差坐标变换的时栅自校正方法研究；设计了基于组合式测量方法的传感器结构，开展了仿真验证与样机实验研究，研究结果验证传感器设计方案的可行性。因此，本文的研究工作丰富时栅技术体系和拓展产业化进程中时栅的“一机多能”具有重要的意义。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源及主要研究内容

1.4 本章小结

2 传感器的位移测量原理研究

2.1 引言

2.2 增量测量与绝对测量的特点

2.3 两种典型栅式传感器绝对测量机理

2.4 时栅位移传感器的测量原理

2.5 本章小结

3 绝对式测量与自校正实现机理研究

3.1 引言

3.2 时栅传感器绝对式测量机理

3.3 基于误差坐标变换的时栅自校正方法

3.4 本章小结

4 传感器设计与仿真分析

4.1 引言

4.2 传感器结构设计

4.3仿真分析与优化设计

4.4 本章小结

5 传感器的实验研究

5.1引言

5.2样机结构方案

5.3 电气系统与实验平台

5.4实验论证与误差分析

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