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仪器仪表学报 2021年第9期42卷 97-105页

作者：刘小康梅现富蒲红吉彭凯于治成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

本文提出了一种反射绝对式纳米时栅位移传感器的传感方法。采用反射单列式传感器作为反射绝对式传感器的精密测量部分,记为传感器A。为了实现绝对位移测量,设计了一个与传感器A相差一个周期的反射单列式传感器,记为传感器B,利用传感器A... 详细信息

本文提出了一种反射绝对式纳米时栅位移传感器的传感方法。采用反射单列式传感器作为反射绝对式传感器的精密测量部分,记为传感器A。为了实现绝对位移测量,设计了一个与传感器A相差一个周期的反射单列式传感器,记为传感器B,利用传感器A与传感器B相位作差实现绝对位移测量。采用标准印刷电路板技术制作了传感器样机,搭建了实验平台,进行了实验测试。测试结果表明,激励电极引线方式对接收电极带来干扰,从而造成一次谐波误差。为了抑制误差,提出了交叉反射结构和分时方法,交叉反射结构将感应电极与另一端的反射电极引线相连,增大激励电极和接收电极的距离,分时方法通过不同时间段对传感器A和传感器B施加激励信号,并把不工作的电极接地。实验表明该结构和方法相互配合有效的抑制了干扰,最终在400 mm范围内,补偿后实现了±300 nm的测量精度。

关键词：绝对位移测量纳米时栅分时方法位移传感器

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绝对式纳米直线时栅传感器一体化技术

绝对式纳米直线时栅传感器一体化技术

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作者：王祥虎重庆理工大学

学位级别：硕士

随着制造业产业升级的发展,对精密加工质量的要求也相应提高。特别在影响制造业发展水平的高端机床行业,对于决定机床加工精度的位置反馈器件,不仅要求在大量程范围内实现高精度的绝对位置测量,还要求适应恶劣的工作环境。目前以封闭绝... 详细信息

随着制造业产业升级的发展,对精密加工质量的要求也相应提高。特别在影响制造业发展水平的高端机床行业,对于决定机床加工精度的位置反馈器件,不仅要求在大量程范围内实现高精度的绝对位置测量,还要求适应恶劣的工作环境。目前以封闭绝对式光栅最符合使用要求。但由于封闭绝对式光栅研发制作需要复杂的编码技术以及高精密的刻划工艺,而国内无论在技术上还是制造工艺上都还有所欠缺,难以短时间内达到国外光栅同等水平。再加上国外对封闭绝对式光栅测量技术的封锁,严重制约了我国制造业制造水平的发展。为了打破受制于人的局面,迫切需要自主研发高精度的位移测量技术。作者所在课题组以“时空转换理论”测量思想为依据,采用以时间测量空间的方法,提出了一种电场式直线时栅传感器。该传感器通过以四路激励信号来构建一个匀速运动的电场作为参考系,将空间位移测量溯源到时间量上进行测量,通过以参考系的匀速性代替空间刻线,降低了传感器加工制作要求。然而前期研制的绝对式传感器需要动尺与定尺之间进行引线。针对这一问题,本文在电场式时栅传感器的研究基础上,开展了绝对式纳米直线时栅传感器一体化技术研究。主要研究内容总结如下:1)一体绝对式时栅传感原理与结构设计。通过对时栅测量原理的研究,阐明了电场式时栅测量原理,提出了一种基于分时方法的复用反射结构绝对式时栅传感器。该传感器以两排相差一个测量周期的时栅传感器A和B组成类似游标卡尺的差极结构实现时栅传感器绝对定位。通过增加反射结构,使动尺上的输出行波信号集中在定尺上输出,实现了传感器单边出线。采用分时段向时栅传感器A和B施加激励信号的方法,使时栅传感器A和B复用反射结构,减少了栅尺面积,有利于传感器小型化。根据复用反射结构绝对式时栅传感器的结构尺寸、安装形式以及信号处理方式进行一体式机械结构以及硬件电路设计。2)误差机理及结构优化。建立了复用反射结构绝对式时栅传感器的测量误差模型,分析了传感器结构、参数以及安装产生的误差规律。通过对复用反射结构绝对式时栅传感器结构分析,其主要是因激励电极引线而造成传感器内部信号串扰而产生一次谐波误差。以及受非线性电场影响,产生四次谐波误差。激励信号参数幅值不等,相位非正交会产生一次、二次谐波误差。以及对一体式机械工装引起的安装误差分析,动尺沿Z轴偏移以及绕X轴偏转,主要引入四次谐波误差。动尺绕Y、Z轴偏转,主要引入二次谐波误差。根据传感器结构误差机理,采用交换传感器A和B的空间排布位置、增加屏蔽层以及移相的方法,对传感器结构进行优化。3)平台搭建与实验测试验证。通过搭建的实验平台对一体绝对式时栅传感器样机因传感器结构、硬件电路输出激励信号参数、一体式机械工装安装误差机理进行实验测试验证。实验数据表明传感器误差机理正确性。最后采用微纳制造工艺制作了传感器栅尺并展开一体绝对式时栅传感器精度测试,实验结果得出一体式时栅传感器样机在600mm测量范围内,原始误差为±2μm。综上所述,本文所设计的一体绝对式时栅传感器在保留大量程的测试精度以及绝对定位的能力情况下,解决了绝对式时栅传感器单边引线的问题,增强了时栅传感器的适用性。

关键词：绝对式时栅复用反射结构分时方法一体化

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绝对式纳米时栅位移传感结构设计和参数优化

绝对式纳米时栅位移传感结构设计和参数优化

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作者：梅现富重庆理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：绝对位置测量纳米时栅分时方法位移传感器

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基于LoRa的农田信息无线采集方案设计

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计算机测量与控制 2018年第8期26卷 208-212页

作者：孙天柱戴亚文武汉理工大学理学院武汉430070

针对传统的农业WSN存在距离近、功耗高的问题,提出一种基于LoRa技术的农田信息无线采集系统。通过分析无线网络构成,给出了网络参数的设计原则,优化网络结构、降低组网难度、提高组网效率;选择以STM32L053处理器、SX1276无线芯片和SHT1... 详细信息

针对传统的农业WSN存在距离近、功耗高的问题,提出一种基于LoRa技术的农田信息无线采集系统。通过分析无线网络构成,给出了网络参数的设计原则,优化网络结构、降低组网难度、提高组网效率;选择以STM32L053处理器、SX1276无线芯片和SHT11温湿度传感器组成精简的低功耗节点硬件电路;设计了低功耗、低碰撞的星型无线网络结构,该系统采用分时方法周期性地对传感器数据进行采集和发送;通过实验分析了节点的功耗,时隙长度的选择,对包接收率和接收信号强度指示(RSSI,received signal strength indication)的关系进行研究;结果表明该系统具有通用性强、功耗低、距离远、组网便捷、稳定可靠等特点,能够满足农田信息采集的应用需求。

关键词： LoRa 农田信息采集低功耗分时方法

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