时变磁场精确约束方法及其在时栅传感器中应用研究

摘要

随着全球制造行业自动化和智能化市场不断扩张，工业领域中全闭环控制将逐步替代当前的开环和半闭环控制。作为提供位置信息反馈的核心元件—位移传感器，其工作性能与整个控制系统性能密不可分。其中，电磁感应式位移传感器因其具有稳定性高、可靠性高、抗干扰能力强以及环境适应能力强等优势被广泛使用。电磁感应式位移传感器测量精度与传感器中磁场分布及传播途径有着不可分割的关系，目前多数传感器对磁场分布及传播途径并没有达到较好的约束效果，所以传感器的原始测量精度存在着本质上的问题。电磁感应式时栅传感器同样具有该问题，因此对时栅传感器中时变磁场的约束方法进行研究是其发展过程中不可缺少的一步。而且，工业领域对于小型化及微型化传感器的需求不断增加，时栅位移传感器的体积也需要改进而满足市场的这种需求。鉴于此现状，本文提出一种时变磁场精确约束方法，将该方法与时栅测量理论相结合，开展了两种新型时变磁场式时栅位移传感器的研究。本文主要研究内容和成果如下：　　① 根据电磁学理论研究时变磁场产生原理和平面磁场约束方法，提出了一种时变磁场精确约束方法。通过该方法的应用，使感应线圈的输出信号与被测位移之间达到时栅位移传感器期望的正弦性关系，从而为新型时变磁场式时栅位移传感器的研究奠定基础。　　② 通过将时变磁场精确约束方法与时栅位移传感器的工作原理相结合，提出了新型时变磁场式角位移和直线位移传感器结构。根据磁路定理对两种传感器的工作原理进行了理论分析，从理论证明了两种新型传感器结构具有一定的可行性。　　③ 开展了新型传感器的模型建立和仿真工作。利用仿真软件Ansoft Maxwell 16分别建立了两种传感器的仿真模型，并进行了仿真验证。仿真结果表明传感器输出感应信号与被测位移之间的关系符合传感器的工作原理，从而在仿真层面验证两种位移传感器结构具有一定的可行性。　　④ 开展了传感器实验中电气系统、采集系统和实验平台的搭建工作。电气系统包括硬件电路系统和软件系统，不仅为传感器样机提供激励信号，并将传感器的输出信号解析为角位移或直线位移信息。实验平台包括角位移和直线位移传感器实验平台，为新型传感器的安装与测试提供了实验条件。　　⑤ 根据传感器平面线圈的加工要求，基于PCB（Printed Circuit Board）技术开展了传感器样机的研制工作。进行了传感器样机的组合实验，对传感器的性能进行了测试实验。测试结果表明，两种新型位移传感器的结构不仅具有一定的可行性，而且所研究的时变磁场约束方法帮助电磁感应式时栅位移传感器提高了原始测量精度。角位移传感器样机在0°-360°范围内的原始测量精度在±16.3?以内，直线位移传感器样机在0mm-200mm范围内的原始测量精度在±7.5μm以内。同时，传感器的体积也大幅减小，传感器样机最小厚度可以达到0.8mm。

目录

声明

1 绪论

1.1 本文研究的背景和意义

1.2 时变磁场式位移传感器的发展现状

1.3 本文主要内容

2 时变磁场精确约束方法

2.1 时变磁场产生原理及磁路分析方法

2.2 线圈精确约束磁场方法

2.3 本章小结

3 基于时变磁场精确约束方法的新型时栅传感器

3.1 时栅位移传感器工作原理

3.2 新型时变磁场式角位移时栅工作原理

3.3 新型时变磁场式直线位移时栅工作原理

3.4 本章小结

4 新型时栅传感器的模型及仿真分析

4.1 角位移传感器模型及仿真分析

4.2 直线位移传感器模型及仿真分析

4.3 本章小结

5 传感器电气系统和实验平台

5.1 电气系统

5.2 实验平台搭建

5.3 本章小结

6 传感器样机制作与实验研究

6.1 传感器样机制作

6.2 实验设计、数据分析和误差分析

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果