绝对式纳米时栅位移传感结构设计和参数优化

作     者：梅现富 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘小康;刘作林

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：绝对位置测量 纳米时栅 分时方法 位移传感器 

摘      要：高精密测量技术是影响高端制造业发展的关键性技术之一,其发展直接决定高精密位移测量领域的发展进程与高度,而高精密测量器件作为高精密测量技术的载体,作为把控精密制造质量及反馈位置的关键功能部件,这严重制约了如天体观察、航空航天、激光武器发射系统等领域关键性研究的发展。随着国家制造业的不断进步,对高精密位移测量器件的要求越来越严格,不仅需要达到纳米级的测量精度,而且要求该器件具有绝对定位功能。目前,应用最为广泛的测量器件当属绝对式光栅位移编码器,它经过了多年的发展,是一个非常成熟的产品。然而,由于国外的技术封锁和价格垄断,制约了我国制造行业的发展。为打破受制于人的僵局,迫切需要自主研发高精密测量技术。因此,作者所在团队提出了构建匀速运动参考系来搭建空间位移与时间变化之间关系的一种方法,利用时间测量空间来实现高精度和大量程测量。基于该原理,早期推出了对射绝对式纳米时栅位移传感器,该传感器具有高精度测量功能以及绝对定位功能的优点。然而,该传感器存在动尺与定尺间引线问题,在实际应用中增加了安装的难度,降低了其应用价值。为了解决这个问题,本文提出了一种新型的高精度反射绝对式纳米时栅位移传感器。本文将围绕该传感器进行研究和设计,总结如下:1)首先阐述了纳米时栅位移传感器的测量原理,设计了反射绝对式纳米时栅位移传感结构,通过增加反射电极和接收电极来实现信号反射功能,无需动定尺间引线,利用差极结构实现绝对位置测量,采用差动传感结构实现共模干扰的抑制。2)然后分析了反射式结构、非线性电场耦合和激励参数这三种影响参数的误差机理,建立了反射单列式和单列式纳米时栅位移传感器的电场仿真模型,验证了这三种影响参数的电场仿真误差规律。根据误差规律,提出了交叉反射结构和分时方法来抑制交叉串扰,提出了移相抑制法来抑制空间三次和五次谐波。3)最后完成实验平台搭建和测试,设计了硬件电路系统、软件系统以及传感器和测量平台系统,实现了激励信号分时间段产生,行波信号的自动拾取并处理,Nutt插值法计算位移,上位机数据采集并处理等功能。采用PCB工艺制作了长度L=600mm,周期数N=150的反射绝对式纳米时栅位移传感器样机,并进行了实验测试。针对实验结果提出了交叉反射结构、分时方法以及移相抑制法来进行结构参数的优化,实验验证得到优化后减小了一次和四次谐波误差,提高了传感器测量精度。综上所述,本文设计的反射绝对式纳米时栅位移传感器样机大量程误差补偿后实现了在400mm范围内达到±300nm的测量精度,并且能够实现绝对定位。这一研究成果为今后产业化发展打下坚实基础。