平面二维时栅位移传感器信号处理与误差分析研究

摘要

精密位移测量技术是衡量一个国家制造业水平的一个重要标志，随着第三次工业革命的发展，制造业对精密测量仪器的需求越来越广泛，同时对测量精度的要求也越来越高。在位移测量中，一维直线位移是较为典型的应用。近年来国内研制出了一种以时钟脉冲作为位移测量基准的时栅直线位移传感器，其不依赖空间精密刻线，能实现高分辨力与高精度的位移测量。在平面二维位移测量中，如果采用两个方向分别安装一个一维传感器的方法，这种方法节约了成本，方式简单，但是同时也带来了安装一致性难以保证，将会引入较大的测量误差。　　目前，在一维时栅直线位移传感器发展的基础上，开展了二维时栅直线位移传感器的研究工作，作为一种一体化的直线二维传感器，可以简化安装结构，并且获得较高的平面二维位移的测量精度。本项工作，主要是针对平面二维时栅位移传感器的特殊性，设计传感器信号处理电路，并从多个方面进行传感器误差分析，实现传感器的误差修正。　　基于此，本文开展平面二维时栅位移传感器信号处理与误差分析研究，主要研究内容如下：　　（1）通过对一维时栅位移传感器的理论介绍，研究了二维时栅位移传感器的工作机理，深入剖析了信号在测量过程中信号传输路径和处理方法，提出并设计了基于STM32F407VGT芯片的信号处理电路。对测量数据的误差修正提出了等间距的谐波误差修正方法，提高了测量精度。　　（2）采用模块化和高集成度的硬件电路设计来保证电气系统的稳定性，为了减小两路感应信号的相互影响，采用频率分别为10KHz和20KHz的激励信号。本文所设计的硬件电路系统集成了激励信号产生模块、信号感应模块，感应信号调理模块，时间差测量模块等。时间差测量采用TDC-GP2结合时钟脉冲插补的方法，有效解决了TDC-GP2测量量程小和时钟脉冲分辨率低的问题。　　（3）根据时栅信号的传输机理找出误差来源，误差来源主要是两相激励信号相位非正交，幅值不相等，感应信号处理时方波信号发生波动，零电平波动和幅值波动，针对由于这些问题带来的误差提出了基于FFT（傅里叶变换）的等间距谐波误差修正算法，并对算法的实现进行了软件设计。　　（4）利用实验室环境搭建实验验证平台。经过实验研究，验证了激励信号、感应信号和方波信号的稳定性，采用本文所提出的误差修正算法可以达到很高的测量精度，在一个节距内x和y方向的位移测量分辨率可以达到4.4nm。　　综上所述，本文设计的信号处理电路和提出的误差修正算法提高了二维位移的高精度测量，推动了二维时栅位移传感器的研究发展和市场化进程。

目录

1 绪论

1.2 二维位移传感器国内外研究现状

1.2.2 时栅传感器信号处理研究现状

1.2.3 时栅传感器误差分析算法研究

1.3 课题来源及主要研究内容

1.4 本章小结

2 二维时栅位移传感器基本原理

2.3 时栅位移传感器测量原理

2.4 二维时栅位移传感器的工作原理

2.4.1 二维时栅位移传感器的结构模型

2.4.2 二维时栅传感器信号加载与处理

2.5 本章小结

3 信号处理硬件结构方案设计

3.2 信号处理系统总体设计方案

3.3 主控芯片电路

3.3.2 时钟电路

3.4 系统电源电路

3.4.2 模拟电源电路单元

3.5 激励信号产生电路

3.5.1 AD5344激励信号电路

3.5.2 功率放大电路

3.6.1 感应信号调理电路

3.7 信号转换电路

3.8 RS‐232串口电路

3.9 印刷电路板设计

3.10 本章小结

4 误差分析研究与系统软件设计

4.2.1 信号产生误差分析

4.2.2 信号传递误差分析

4.2.3 信号处理误差分析

4.3 误差修正技术研究

4.4 测量数据预处理

4.4.2 数据截取和采样

4.5 误差修正技术研究

4.5.2 误差修正算法

4.6 系统软件设计

4.6.3 Keilμ Vision4软件开发环境

4.7.2 激励信号产生模块

4.7.3 感应信号采集模块

4.7.4 信号处理与误差修正模块

4.8 本章小结

5 实验研究

5.3 硬件电路板的调试

5.3.2 激励信号产生模块测试

5.4 数据处理和误差分析实验

5.5 稳定性实验

5.6 本章小结

6 总结与展望

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