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互补谐振耦合型电磁式直线位移传感器

仪表技术与传感器 2022年第3期 6-11页

作者：赵静汤其富彭松李咪郭羊庭重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心重庆400054

针对当前电场式和光电式直线位移传感器在环境适应性方面以及电磁式直线位移传感器在精度方面的不足,开展了互补谐振耦合型电磁式直线位移传感器的研究。传感器主要由1个定尺和2个动尺组成,其中2个动尺完全相同,且对称地布置于定尺两侧... 详细信息

针对当前电场式和光电式直线位移传感器在环境适应性方面以及电磁式直线位移传感器在精度方面的不足,开展了互补谐振耦合型电磁式直线位移传感器的研究。传感器主要由1个定尺和2个动尺组成,其中2个动尺完全相同,且对称地布置于定尺两侧,与定尺形成互补耦合。定尺包含激励线圈和感应线圈,分别产生激励磁场和输出感应信号;动尺也包含感应线圈,但该线圈的作用并非输出感应信号,而是与串联电容形成谐振,接收激励磁场后产生二次磁场,反作用于定尺。该传感结构使定尺上的感应线圈以互补方式直接耦合动尺上的磁场,且避免了动尺引线,从而有助于提高位移测量精度和保障传感器的环境适应性。文中介绍了传感器的基本结构、工作原理及仿真验证、样机及实验测试。传感器的样机实验表明:在较粗糙的装配条件下,其原始测量误差在300 mm范围内为-8~+5μm。

关键词：传感器直线位移谐振耦合电磁感应

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基于时变磁场类多普勒效应的位移测量方法

机械工程学报 2017年第18期53卷 18-25页

作者：鲁进陈锡侯汤其富武亮重庆理工大学机械工程学院重庆400054 重庆理工大学时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室重庆400054

提出一种基于时变磁场类多普勒效应的位移测量方法。该方法通过在特定平面内布置带电导体,建立特定方向匀速移动的正弦分布时变磁场,利用被测运动使时变磁场内感应线圈的输出信号产生类多普勒频差,再通过测量频差解算出被测运动的位移... 详细信息

提出一种基于时变磁场类多普勒效应的位移测量方法。该方法通过在特定平面内布置带电导体,建立特定方向匀速移动的正弦分布时变磁场,利用被测运动使时变磁场内感应线圈的输出信号产生类多普勒频差,再通过测量频差解算出被测运动的位移。根据测量原理建立有限元模型对正弦时变磁场分布和感应信号频差进行模拟仿真。仿真结果表明:正弦分布磁场移动速度均匀,频差所对应的时间差累加与位移呈线性关系,线性度误差小于0.2%。根据仿真模型,采用多层印制电路板工艺设计并制作了位移传感器样机,进行类多普勒频差观察试验和位移测量精度比对试验。试验结果表明:时变磁场中感应线圈运动时产生明显的类多普勒频移,频差与运动速度呈线性关系;基于类多普勒效应的位移传感器可以有效地进行位移测量,在对定尺和动尺的加工和安装偏差、激励源及测量电路的电气偏差进行标定和修正后,传感器在200 mm的测量范围内,测量误差优于1?m。研究为低成本实现精密位移测量提供了一种可行的解决方案和可靠的理论依据。

关键词：位移测量类多普勒效应时变磁场传感器

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时栅动态测量误差建模与补偿技术研究

机械工程学报 2014年第22期50卷 10-15页

作者：孙世政彭东林武亮汤其富合肥工业大学仪器科学与光电工程学院合肥230009 重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心重庆400054 重庆理工大学时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室重庆400054

为提高时栅传感器动态测量精度,针对时栅的误差特点,提出对动态测量误差的周期性成分和随机性成分分别建模的思想。采用傅里叶级数逼近的方法对误差中的周期性成分进行建模,利用最小二乘方法对逼近模型参数进行寻优,选取比重较大的谐波... 详细信息

为提高时栅传感器动态测量精度,针对时栅的误差特点,提出对动态测量误差的周期性成分和随机性成分分别建模的思想。采用傅里叶级数逼近的方法对误差中的周期性成分进行建模,利用最小二乘方法对逼近模型参数进行寻优,选取比重较大的谐波参数对误差的周期性成分进行分离,对于分离后残留的随机性成分采用支持向量回归(Support vector regression,SVR)模型进行预测,利用交叉验证的方法对回归预测模型进行参数寻优和细化,选取最优的核函数参数g和惩罚因子C,使得残差均方达到最小。研发误差补偿系统,对时栅动态测量误差进行补偿。试验结果表明,运用该建模方法和模型,时栅传感器动态测量误差的峰峰值由38.2″降至3″,有效地降低了测量误差,大幅度提高了传感器的测量精度。

关键词：时栅传感器动态测量误差傅里叶逼近支持向量机回归误差补偿

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变耦型时栅位移传感器理论模型与误差研究

仪器仪表学报 2016年第3期37卷 561-569页

作者：鲁进陈锡侯武亮汤其富重庆理工大学电子信息与自动化学院重庆400054 时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室重庆400054

针对现有高精度位移传感器栅距小导致对制造和使用环境要求苛刻的问题,提出一种采用高频时钟脉冲作为测量基准,可在大极距条件下实现高精度、大量程直线位移测量的变耦型时栅位移传感器。传感器通过在交变电磁场中改变励磁线圈和磁场拾... 详细信息

针对现有高精度位移传感器栅距小导致对制造和使用环境要求苛刻的问题,提出一种采用高频时钟脉冲作为测量基准,可在大极距条件下实现高精度、大量程直线位移测量的变耦型时栅位移传感器。传感器通过在交变电磁场中改变励磁线圈和磁场拾取线圈的耦合状态建立以时间差反映位移变化的行波信号,实现精密位移测量。通过有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真,根据仿真结果得到传感器仿真模型的测量误差,并对其进行了谐波分析;根据误差特点和变化规律对主要误差进行了溯源,并对模型进行了优化。根据优化模型制作了传感器实物,开展了验证实验。实验结果表明:根据仿真结果对传感器进行优化设计,在200 mm的测量范围内,传感器精度达到±500 nm,且系统成本低廉,极易制造。为时栅位移传感器在恶劣环境中的应用提供了解决方案和理论依据。

关键词：高精度测量位移传感器大量程时栅误差特性

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提高嵌入式时栅传感器精度的测头设计方法

仪器仪表学报 2015年第1期36卷 26-31页

作者：孙世政彭东林付敏汤其富合肥工业大学仪器科学与光电工程学院合肥230009 重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心重庆400054

为了提高嵌入式时栅传感器的测量精度,结合传感器自身的特点,从布置方式和数据处理方式两方面设计了特殊的测头结构。首先利用谐波分析确定传感器误差的主要频次,然后分别针对长短周期的误差采用多组测头对径和间隔特定空间角度的测头... 详细信息

为了提高嵌入式时栅传感器的测量精度,结合传感器自身的特点,从布置方式和数据处理方式两方面设计了特殊的测头结构。首先利用谐波分析确定传感器误差的主要频次,然后分别针对长短周期的误差采用多组测头对径和间隔特定空间角度的测头布置方式,测头之间采用数字量相加的数据处理方式,最后通过实验验证了这种测头结构和数据处理方式的有效性。结果表明,与单测头结构相比,这种方式将长周期误差降低了75%,短周期误差降低了83.6%,更有效地提高了嵌入式时栅传感器的测量精度。

关键词：嵌入式时栅多测头数字量相加技术测量精度

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时栅位移传感器的电磁场分析及其结构优化

时栅位移传感器的电磁场分析及其结构优化

作者：汤其富重庆理工大学

学位级别：硕士

时栅位移传感器是一种通过对时间测量而完成空间测量的栅式传感器，这里是狭隘地指磁场式时栅位移传感器，场式时栅和变耦合系数型时栅是其中的两大类型，它们都是以电磁场作为媒介将空间位移量转化成电信号。随着时栅位移传感器朝... 详细信息

时栅位移传感器是一种通过对时间测量而完成空间测量的栅式传感器，这里是狭隘地指磁场式时栅位移传感器，场式时栅和变耦合系数型时栅是其中的两大类型，它们都是以电磁场作为媒介将空间位移量转化成电信号。随着时栅位移传感器朝着高速测量和高精度测量方向的发展，当前传感器本身的工艺结构设计和细节参数已经不能满足发展的需要，但传统的时栅传感器设计方法已经对传感器进一步的改进显得颇为吃力。一方面传统的设计流程不仅需要投入大量的人力、物力，而且往往一种新方案的设计要花费相当长的时间，再加上日前消费水平的飞速提高，随之而来的研究的成本越来越大;另一方面传统的时栅传感器设计方法不能比较精确地分析传感器中的电磁场，以致设计的传感器虽然能满足当前大多数情况下的要求，但传感器的输出信号与理想中的信号相差比较大，所以在有些情况下，比如说在进行高速测量时，即动态测量时，传感器的输出信号质量就要变差，导致测量精度的下降。对于时栅位移传感器发展过程中逐渐呈现的这些问题，传统的设计方法又不能很好地满足解决问题的需要，所以迫切需要寻求更好的方法改进传感器的设计方法。为了迎合时栅传感器发展的需要，我们加强了对时栅传感器电磁场的分析。在对时栅传感器进行磁路分析的基础上，电磁场有限元分析法被引入到时栅传感器的设计流程中，一方面使我们对时栅传感器的电磁场有更准确的把握，不再只是简单的“定性”分析，还要做到“定量”分析，另一方面我们可以根据时栅传感器的电磁场分析结果来优化其结构，改善其输出信号质量，使其能适应高速测量的需要，又能具有更高的测量精度。另外，由于对时栅传感器的有限元计算所运用计算机软件Ansoft Maxwell不仅完成了对时栅传感器电磁场的求解，而且它给时栅传感器的方案改进带来了便利，可以大大节约新方案的设计时间。我们可以根据新方案在Ansoft Maxwell中构建出模型，然后对其进行仿真，如果方案中有不合理的地方可以在Ansoft Maxwell中对模型进行修改，再仿真，直至得到令人满意的新方案。对时栅传感器的电磁场加强分析后，我不仅发现了目前传感器中存在的一些问题，而且还找到了对传感器结构优化的方案。仿真实验表明，优化后的时栅传感器输出信号质量较以前有很大改善，因而传感器的性能得以提高。

关键词：时栅电磁场有限元结构优化

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时栅传感器定距变换与误差频率扫描自标定法

仪器仪表学报 2016年第1期37卷 32-39页

作者：鲁进陈锡侯汤其富索龙博重庆理工大学电子信息与自动化学院重庆400054 时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室重庆400054

时栅传感器在特殊恶劣环境中应用,面临安装偏差、电气参数偏移、外部导磁介质介入引起电磁场畸变等因素的影响,导致测量精度下降。现场又缺乏提供高精度参考基准的条件,无法实施在线标定。针对这一问题,本文提出利用两个相隔恒定间距测... 详细信息

时栅传感器在特殊恶劣环境中应用,面临安装偏差、电气参数偏移、外部导磁介质介入引起电磁场畸变等因素的影响,导致测量精度下降。现场又缺乏提供高精度参考基准的条件,无法实施在线标定。针对这一问题,本文提出利用两个相隔恒定间距测量值函数求解误差函数频谱的算式(定义为定距变换),并据此设计了一种基于定距变换的误差频率扫描自标定方法。该方法通过合理的间距组合,可对包含有限频率成分误差的时栅传感器实施误差频谱扫描,重构误差函数,在无参考标准器的前提下实现传感器的在线自标定。在此基础上,研制样机进行自标定和比对实验。实验结果表明:由于安装偏差和电气参数偏移引起±40″测量误差的时栅传感器,在实施误差频率扫描自标定后与参考标准器进行比对,二者差异小于0.7″。本研究为时栅传感器进一步提高测量精度以及在特殊环境的应用中保持精度提供了有效的解决方案和可靠的理论依据。

关键词：自标定定距变换误差频率扫描时栅传感器

变耦型时栅传感器及测头姿态对测量误差的影响

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光学精密工程 2016年第9期24卷 2271-2282页

作者：鲁进陈锡侯汤其富武亮重庆理工大学电子信息与自动化学院重庆400054 重庆理工大学时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室重庆400054

根据时栅传感器的测量原理,提出一种采用高频时钟脉冲作为测量基准的变耦型时栅位移传感器以提高位移测量的精度。该传感器通过改变激励线圈和感应线圈的耦合状态输出感应位移变化的行波信号来实现精密位移测量。进行了建模和仿真,研究... 详细信息

根据时栅传感器的测量原理,提出一种采用高频时钟脉冲作为测量基准的变耦型时栅位移传感器以提高位移测量的精度。该传感器通过改变激励线圈和感应线圈的耦合状态输出感应位移变化的行波信号来实现精密位移测量。进行了建模和仿真,研究了不同测头姿态下传感器的位移误差特性,并对其进行了谐波分析,得到了不同测头姿态对位移测量误差各次谐波的影响规律。根据传感器模型制作了传感器并开展了验证实验。仿真和实验结果均表明:不同测头姿态对位移测量误差的影响主要体现在对测量误差的1次、2次和4次谐波上,且俯仰姿态引入的附加误差最大,其余测头姿态下引入的位移测量附加误差均较小。若保证较佳的测头姿态,传感器在定尺和动测头间气隙厚度为0.3mm时的原始误差约为±18μm。实验分析结果与仿真结果基本一致。

关键词：时栅传感器位移测量测头姿态安装误差测量精度

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基于平面线圈的高分辨力时栅角位移传感器

光学精密工程 2017年第1期25卷 172-181页

作者：鲁进陈锡侯武亮汤其富重庆理工大学机械工程学院重庆400054 时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室重庆400054

针对现有时栅角位移传感器采用漆包线绕制工艺加工线圈,导致线圈布线不均且容易随时间发生变化进而影响测量精度的问题,提出一种基于PCB技术的新型时栅角位移传感器。该传感器通过在PCB基板的不同层上布置特定形状的激励线圈和感应线圈... 详细信息

针对现有时栅角位移传感器采用漆包线绕制工艺加工线圈,导致线圈布线不均且容易随时间发生变化进而影响测量精度的问题,提出一种基于PCB技术的新型时栅角位移传感器。该传感器通过在PCB基板的不同层上布置特定形状的激励线圈和感应线圈,形成两个完全相同并沿圆周空间正交的传感单元;当在两传感单元的激励线圈中分别通入时间正交的两相激励电流后,通过导磁定子基体和具有特定齿、槽结构的导磁转子对传感单元内的磁场实施精确约束,使两传感单元的感应线圈串联输出初相角随转子转角变化的正弦感应信号;最后通过高频时钟脉冲插补初相角实现精密角位移测量。利用有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真。根据仿真模型制作了传感器实物,开展了验证实验,并对实验中角位移测量误差的频次和来源进行了详细分析。经过标定和补偿,最终获得了整周范围内误差在-2.82″~2.02″的时栅角位移传感器。理论推导、仿真分析和实验验证均表明,该传感器不仅能实现精密角位移测量,还能在激励线圈和感应线圈空间极距和信号质量不变的情况下,将位移测量的分辨力从信号源头提高1倍,且结构简单稳定、极易实现,特别适用于环境恶劣的工业现场。

关键词：角位移测量平面线圈高分辨力时栅传感器