角位移时栅传感器栅尺损伤误差特性及抑制方法研究

作     者：骆艺 

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：2024年

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

主      题：栅尺损伤 圆时栅 误差机理 抑制方法 

摘      要：随着高端制造发展需求不断提升,不但对角位移传感器的测量精度要求越来越高,并且对传感器性能可靠性也提出了更高要求。当前,我国在超高精密传感器领域的研究与发展受到对外依赖、技术封锁和价格垄断的严重制约,这不仅影响了国家经济和国防安全,还限制了国内高精密位移测量技术的进步。 因此,在面对国内外高精度位移测量技术的挑战和需求背景下,作者所在课题组通过长期的研究与探索,提出了电场式时栅测量原理,实现了“以时间测量空间的高精度位移测量方法。此方法的优势在于不依赖于超高精密的栅线刻划技术,显著降低了对机械加工精度的依赖,突破了传统测量技术的限制。目前时栅传感器已经生产应用于多个场合,然而在长期工作过程中由于机械磨损、电化学腐蚀等因素可能会对栅尺造成损害,进而影响传感器测量精度。因此为了提高角位移时栅传感器的长期运行可靠性,本文在前期电场式时栅角位移传感器的基础上,开展了角位移时栅传感器栅尺损伤误差特性及抑制方法研究,主要内容研究如下: 1)阐述了角位移时栅传感器测量原理。介绍了“时空转换理论,详细的阐述了基于“时空转换理论的双列式传感器的测量原理以及单列式结构传感器的测量原理,在单列式的基础上提出了一种差极结构的绝对式角位移传感器的绝对定位原理。 2)开展了角位移时栅传感器栅尺损伤机理以及其抑制方法研究。建立了栅尺损伤数学模型,分析了时栅传感器在栅尺轻微损伤、栅尺径向方向断裂以及栅尺周向方向断裂时的误差特性,研究结果表明:通过增加间隙可以减小栅尺出现轻微损伤时对测量精度的影响;极片径向方向断裂时会导致该路输出信号幅值的变化,从而在一个周期内主要引入一次谐波误差,并且当施加激励部分变少时,一次谐波误差增大;极片周向方向断裂时,在一个周期内主要引入一次谐波误差。通过有限元分析软件建立了传感器电场仿真模型,仿真计算结果与理论误差机理分析保持一致,进一步验证了理论分析的准确性。提出差动结构抑制的方法对栅尺损伤时所产生的谐波误差进行抑制,通过理论分析该方法可以极大的抑制一次谐波误差。 3)设计了传感器实验系统并搭建了实验平台。设计硬件电路系统以及使用编程软件搭建了测试数据所需的上位机测量系统,在千级超洁净实验室中,依靠高精度转台搭建了实验平台。 4)进行了实验验证。针对前期提出的栅尺损伤误差特性以及抑制方法进行了相关的实验验证,最终实验结果表明,栅尺轻微损伤可以升高间隙减小对于传感器测量精度的影响,栅尺径向断裂和周向断裂在周期内主要引入一次谐波误差,与之前的理论分析和仿真分析保持一致;使用差动结构抑制方法后,径向方向断裂时的传感器误差从18″减小到10″以内,并且一次谐波误差由7″降至3″左右,周向方向断裂时的传感器误差也得到了显著降低,峰峰值从25″减小到10″以内,一次谐波误差由10″降至2″左右。 综上所述,本文通过理论分析、仿真验证以及实验验证相结合的方法,完成了栅尺损伤误差特性的理论分析建模,并提出了抑制方法研究。通过实验验证了损伤误差特性的正确性以及抑制方法的有效性。