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仪器仪表学报 2022年第11期43卷 1-14页

作者：秦毅王阳阳彭东林陈锡侯武亮重庆大学机械与运载工程学院重庆400044 重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程中心重庆400054

电感式角位移传感器具有良好的环境适应力、较高的测量精度和稳定性的优点,该类型的角位移传感器广泛应用于高端装备、电动汽车、机器人、飞行器、武器等领域。本文介绍了3种电感式角位移传感器,包括旋转变压器、感应同步器这两种典型... 详细信息

电感式角位移传感器具有良好的环境适应力、较高的测量精度和稳定性的优点,该类型的角位移传感器广泛应用于高端装备、电动汽车、机器人、飞行器、武器等领域。本文介绍了3种电感式角位移传感器,包括旋转变压器、感应同步器这两种典型的电感式角位移传感器以及我国学者自主研发的磁场式时栅位移传感器。对它们的测量原理及关键技术做了详尽的综述,并分析了这些技术的优点与局限性。根据近年来电感式角位移传感器的发展现状,详细论述了电感式角位移传感器在机械、汽车、工业机器人、航空、航天和国防等领域的应用情况。最后,分析得出电感式角位移传感器技术应往高精度、高可靠性、嵌入式测量、复合功能测量、智能化等方向发展。

关键词：角位移传感器电感式旋转变压器感应同步器磁场式时栅

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双层互补型绝对式时栅角位移传感器设计与参数优化

双层互补型绝对式时栅角位移传感器设计与参数优化

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作者：桂强重庆理工大学

学位级别：硕士

随着人类科技的不断进步,工业制造水平的不断提高,高精密测量仪器也被广泛应用到制造业中。同时,精密的位移测量也是关系者国民经济发展和社会进步的重要基础技术。重庆理工大学的机械检测技术与装备教育部工程研究中心中以彭东林教授... 详细信息

随着人类科技的不断进步,工业制造水平的不断提高,高精密测量仪器也被广泛应用到制造业中。同时,精密的位移测量也是关系者国民经济发展和社会进步的重要基础技术。重庆理工大学的机械检测技术与装备教育部工程研究中心中以彭东林教授为首的团队利用“时空转换”理论为中心思想,研制出一种以时间测量空间的精密测量传感器-时栅位移传感器。经过20多年的技术积累,在传感器市场中有了举足轻重的地位。本课题立足于时栅传感器技术和绝对式传感器测量原理,深入绝对式传感器研究,设计出一种具有高实用性的双层互补型绝对式时栅角位移传感器。本传感器不同于以往,其加入了电容耦合结构,拥有将动尺之上带有位置信息的信号耦合回定尺,实现定尺单边引线,并且使用了整周激励型的布线方式提高了感应信号的强度。具体的主要研究内容如下:(1)构建了双层互补型激励磁场单元,设计出传感器初步结构实现方案。基于电磁感应理论建立单层平面线圈磁场模型,在该模型的基础上向双层走线模型线圈推进,设计构建双层互补型激励磁场单元,并由此设计出两种双层互补型增量式传感器的实现方案。结合绝对式测量原理,在单列增量式传感器的基础上设基于互质对极数双增量式码道的绝对式时栅角位移传感器实现原理设计出绝对式传感器测量流程。考虑到之前传感器需要在动尺之上引线造成的测量不便性,本文加入了电容耦合结构,并设计了相应的结构实现方案。(2)在提出的设计方案基础上,对双层互补型绝对式时栅位移传感的两个实现结构进行设计建模(即分区激励型结构和整周激励型结构),利用有限元仿真软件对所设计的传感器线圈直出信号层面进行有限元仿真,对两种实现方案的可行性进行验证和参数优化。仿真结果表明整周激励型结构相比于分区激励型结构,其误差峰峰值从142.81″减少到了78.03″,其中的1次、2次、4次、7次、10次误差成分得到了大幅减少,因此,最终使用整周激励方案。对传感器的间隙参数和频率参数进行进一步的优化,使得测量误差的峰峰值从78.03″降低到了48.14″,降低幅度达38.3%,感应信号的强度(幅值)提升了118.85倍。(3)基于双层互补型绝对式时栅角位移传感器测量原理,对影响传感器对极内误差和整周误差的因素,进行了误差特性分析。影响对极内误差的因素囊括幅值不等、相位不正交和互感干扰信号,影响整周误差的因素包括安装偏心和安装不平行,针对于能否实现绝对式测量的误差满足条件进行了分析,为实验结果分析提供支持,也是对仿真结果的误差成分进行解释。(4)基于误差特性对传感器的样机进行了设计优化,搭建了绝对式时栅角位移实验平台,测试了电容环的耦合性能,设计了稳定性、对极内精度、整周精度和精度一致性比对实验。验证了电容环耦合的成功性和结构设计的正确性。实验结果表明样机可以实现绝对式测量,最终绝对式测量误差在(-31.03″,47.86″)之间。

关键词：双层互补型平面线圈磁场式时栅电容耦合绝对式

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平面二维时栅位移传感器机理研究及仿真

平面二维时栅位移传感器机理研究及仿真

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作者：李路建重庆理工大学

学位级别：硕士

随着工业4.0战略和工业互联网概念的提出,全球掀起了工业制造业升级转型的巨大浪潮,二维位移直接测量需求随之攀升,如数控定位台、显微镜载物台等都需在二维方向进行精密定位和定向。二维位移测量技术不仅是物体平面运动的重要反馈环节... 详细信息

随着工业4.0战略和工业互联网概念的提出,全球掀起了工业制造业升级转型的巨大浪潮,二维位移直接测量需求随之攀升,如数控定位台、显微镜载物台等都需在二维方向进行精密定位和定向。二维位移测量技术不仅是物体平面运动的重要反馈环节,同时也是实现精确平面定位的关键技术。目前,可以采用多套高精度一维传感系统对二维位移进行组合测量,但测量系统复杂、装配精度要求高且成本高,需对位移信号进行复杂解耦运算,信号处理难度高。为了满足日益增长的二维位移直接测量需求,研究小型集成化、成本低、且能实现二维位移同步检测和直接解耦测量的一体化二维位移传感器具有十分重要的理论和现实意义。基于此,本课题立足时栅传感技术,设计了一种能实现二维位移同步检测和直接解耦测量的平面二维时栅位移传感器。本课题的主要研究工作如下:(1)基于时变电磁场线圈约束法,采用理论和仿真相结合的方式深入研究了平面线圈的空间磁场分布,并结合时栅驻波和行波的正弦性要求,确定了二维时栅线圈的结构设计。(2)基于传统时栅理论和二维位移测量需求,提出了二维位移直接解耦测量的总体方案。在此基础上,设计了可以实现二维位移同步检测和直接解耦测量的平面二维时栅总体结构,详细阐述推导了二维时栅的传感机理,并提出采用高频时钟脉冲插补相位差的二维位移解算方案。(3)基于二维时栅结构设计和激励加载方式,建立了二维时栅电磁仿真模型并进行有限元仿真。针对感应线圈差动结构进行电磁仿真,验证了二维时栅在结构和感应信号上解耦的可行性。针对二维时栅总体结构和位移测量机理开展位移测量仿真,验证了二维时栅能同时输出两个方向的单频行波;确定了位移测量误差的主要谐波成分并对模型仿真存在误差的原因进行分析和总结。(4)基于模型误差原因分析和线圈磁场分布理论,采用控制变量法对影响传感器感应信号质量的主要参数:线圈宽度和气隙厚度,进行数值和有限元仿真,并对仿真结果进行处理和分析,以此为传感器样机研制和实验研究的参数控制提供一定参考。(5)基于仿真结果和实验需求,搭建了二维时栅实验平台,进行了激励信号和行波信号测试;开展了稳定性实验和精度实验;分析了实验中存在误差的原因并提出相应解决方法。实验结果表明,样机实现了二维位移同步检测和直接解耦测量。综上所述,本文依据理论推导、仿真验证、实验研究,验证了平面二维时栅位移传感理论和结构设计的正确性与可行性,为后续研究更高性能的二维时栅奠定了坚实的基础。

关键词：平面线圈磁场式时栅二维位移测量直接解耦差动结构

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