基于平面时变磁场的绝对式时栅角位移传感器研究

摘要

随着工业技术的高速发展，人类对位移精密测量技术的要求越来越高。作为现代信息技术三大基础之一的传感器技术，其工作性能与测量结果密切相关。时栅位移传感器是自主研发生产的位移传感器，实现了时间量对空间量的测量。电磁感应式时栅角位移传感器属于时栅位移传感器，具有较强的抗干扰能力、较高的可靠性等优点。然而传统的人工绕线加工的电磁感应式时栅角位移传感器的一致性较差、容易受人为因素干扰，影响传感器的测量精度。　　在一些特定的场合中，需要具有可直接读取信息、可断电保护、生产率高等特性的绝对式传感器完成位移测量。目前时栅角位移传感器的测量方法主要有增量式测量和绝对式测量，仍需加强对绝对式测量的研究。基于以上原因，本文提出一种平面时变磁场的构造方法，并将其与时栅角位移传感器的测量理论结合，研制了基于平面时变磁场的绝对式时栅角位移传感器。　　本文简要介绍了时栅角位移传感器的基本理论，提出了一种构造平面时变磁场的方法；在基于该方法构造的磁场中放置感应线圈，推导出感应线圈中的感应电动势与位移量之间的关系；再结合时栅角位移传感器的工作原理推导出基于平面时变磁场的时栅角位移传感器的基本测量原理，并结合双精机组合测量方式实现位移的绝对式测量。使用有限元仿真软件Ansoft Maxwell16.0建立传感器的原理模型并进行电磁场仿真，分析仿真结果后确定传感器的结构参数。设计了传感器相应的信号处理电路，为传感器提供所需的激励信号，并将传感器的输出信号转换为角位移信息。　　采用PCB（Printed Circuit Board）技术研制对极数分别为53和72的双精机组合式时栅角位移传感器样机。搭建实验平台，对设计的传感器样机进行原理性实验和性能测试实验。角位移传感器样机在0°～360°范围内，72对极传感单元的原始测量误差相对较小，变化范围为±20″；53对极传感单元的原始测量误差变化范围为±25″。实验结果验证了双精机的绝对测量方法的可行性。　　综上所述，本文通过理论模型的推导和分析、结构设计和实验研究部分，验证了传感器系统原理的正确性以及系统的综合性能，分析了误差的主要来源，为后续的传感器研究提供了依据。

目录

声明

1 绪论

1.1本文研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 绝对式位移测量方法研究现状

1.2.2时栅位移传感器的研究现状

1.3 本文主要研究内容

1.4 本章小结

2 基于平面时变磁场的绝对式时栅传感器原理

2.1 位移测量原理

2.2 时栅位移传感器工作原理

2.2.1 时栅位移传感器测量原理

2.2.2 场式时栅位移传感器的测量原理

2.2.3 场式时栅位移传感器的行波方程

2.3 平面时变磁场的构造原理

2.4 基于平面时变磁场时栅测量原理

2.5 绝对式时栅角位移传感器的测量原理

2.5.1 基于粗机与精机组合的绝对式时栅角位移传感器

2.5.2 基于双精机组合的绝对式时栅角位移传感器

2.6 本章小结

3 传感器设计与仿真分析

3.1 基于平面时变磁场的绝对式时栅结构设计

3.2 仿真分析

3.2.1 电磁场有限元分析理论

3.2.2 模型仿真与分析

3.3 传感器线圈的加工技术

3.4 传感器装配结构的设计

3.5 本章小结

4 传感器信号处理系统设计

4.1 硬件电路系统

4.1.1 电源模块

4.1.2 感应信号调理模块

4.1.3 激励信号电路模块

4.1.4 数据传输模块

4.1.5 主控电路模块

4.2 软件系统

4.3 实验采集系统

4.4 本章小结

5 传感器实验研究

5.1 实验平台搭建

5.2 原理性实验

5.3 性能测试实验

5.3.1 精度实验

5.3.2 稳定性实验

5.4 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