检索结果-南通市图书馆

仪器仪表学报 1994年第4期15卷 400-404页

作者：戴立铭江潼君东南大学

本文论述了激光三角法测量位移时，其象点位置随被测物面位移的变化规律；推导出激光散射用与成象角之间的关系；讨论了激光三角测量传感器结构参数的设计方法。

关键词：传感器精密位移测量激光三角法

基于单路利特罗型光栅干涉仪的超精密位移测量技术研究

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计量科学与技术 2024年第2期68卷 40-45,75页

作者：朱宏宇吴益泽冯婧桐林子超禹静薛栋柏邓晓程鑫彬同济大学精密光学工程技术研究所上海200092 同济大学先进微结构材料教育部重点实验室上海200092 同济大学上海市数字光学前沿科学研究基地上海200092 同济大学上海市全光谱高性能光学薄膜器件与应用专业技术服务平台上海200092 同济大学物理科学与工程学院上海200092 中国计量大学计量测试工程学院杭州310018

基于光栅干涉仪的超精密位移测量技术是先进制造领域的关键共性技术,采用更高刻线密度的光栅是提升光栅干涉仪测量精度与分辨率的有效途径。随着电子束制备光栅技术的提升,采用电子束加工高刻线密度光栅(大于3000线/mm)作为测量基准是... 详细信息

基于光栅干涉仪的超精密位移测量技术是先进制造领域的关键共性技术,采用更高刻线密度的光栅是提升光栅干涉仪测量精度与分辨率的有效途径。随着电子束制备光栅技术的提升,采用电子束加工高刻线密度光栅(大于3000线/mm)作为测量基准是优化干涉仪性能的有效途径。利用3333线/mm的高刻线密度电子束直写光栅,采用单路利特罗光栅干涉构型,搭建了原始信号周期为300nm的光栅干涉仪,验证了其在位移测量方面的准确性与稳定性。单路利特罗光栅干涉仪与激光干涉仪比对装置为后续光栅间距标定提供了新的可能性,是电子束直写型高刻线密度光栅在精密位移测量领域的有益探索。

关键词：计量学精密位移测量光栅干涉仪电子束直写光栅激光干涉仪利特罗衍射

基于空间关联约束传感的超精密角位移测量方法研究

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基于空间关联约束传感的超精密角位移测量方法研究

作者：于沛玉重庆理工大学

学位级别：硕士

随着近年来科技的飞速发展,高端制造、新能源等国家战略性新兴产业和各类国家重大工程对超高精度角度计量能力提出了新要求。然而目前我国最高精度角度计量元件严重依赖国外核心技术和器件,但国外对我国实施价格垄断与技术封锁,严重制... 详细信息

随着近年来科技的飞速发展,高端制造、新能源等国家战略性新兴产业和各类国家重大工程对超高精度角度计量能力提出了新要求。然而目前我国最高精度角度计量元件严重依赖国外核心技术和器件,但国外对我国实施价格垄断与技术封锁,严重制约了我国在超高精密传感器方面的发展,这无疑是一个潜在的安全隐患,严重影响国家经济安全和国防安全。同时,在超高精度角度测量领域,世界上各个国家的发展普遍受到核心测量器件工作原理的严重制约,研究水平已经达到极限,已有多年未有重大突破。而我国由于缺乏原创和核心技术,研究水平与国外相差约5倍,因此针对国产化超高精度角位移传感的研究迫在眉睫。针对上述国家重大需求和技术现状,本文在前期二十多年精密纳米时栅传感器的研究基础上,提出采用自主原创发明的圆时栅传感器作为核心测量器件,利用“时空转换”的思想,将对空间量的测量转换到对时间量的测量上,从测量原理和关键技术上进行再创新。而后在此基础上探索基于空间关联约束传感原理的纳米圆时栅全组合测量方法,利用两个纳米圆时栅传感器互为参考进行全组合测量,立足于解决“在没有更高精度测量仪器条件下如何提高测量精度”这一重大科学问题,从而实现超高精度角位移的测量。本文主要内容总结如下:1)介绍“时空转换”理论,并详细介绍了基于此理论的双列结构电场式圆时栅传感器原理,进一步推导单列结构传感器的原理与优势。在此基础上提出了空间关联约束传感方法,将两个传感器通过空间关联耦合在一起,形成一种新的传感结构。以整周360°圆周封闭特性作为基础,通过多次转位,利用整周角度测量误差和等于零这一原则实现轴系误差分离,提高整周角度测量精度。2)对单列结构纳米时栅圆传感器的安装误差进行系统性分析,阐明了由安装带来的误差主要体现在由偏摆造成的一次谐波误差与由倾斜造成的二次谐波误差,揭示了采用多个电极进行信号拾取会具有谐波抑制与匀化效应,能够抑制除测头数整数倍以外的所有频次谐波误差的同时对误差信号的大小进行匀化。并通过理论推导与电场仿真相结合,验证分析的准确性。3)搭建实验测试平台,设计硬件电路与上位机测量系统,并制作传感器样机,对传感器样机进行精度测试验证理论分析的正确性。进行不同安装间隙、不同读数头数目与不同安装位置测试,测试了不同安装情况对测量结果的影响,验证了多读数头结构对误差产生的抑制与匀化作用。然后利用空间关联约束传感方法对传感器进行误差分离,计算出轴系误差对测量结果的影响,大幅提高了传感器在整周的测量精度。综上所述,本文通过空间关联约束测量方法,在不依赖于外部更高基准的条件下实现了超高精度角位移测量,在整周360°的范围内达到±0.1″的测试精度,为生产我国自主研发的角度基准器件打下基础。

关键词：精密位移测量空间关联约束多测头圆时栅

基于矢量衍射理论的光栅干涉仪位移测量误差研究

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红外与激光工程 2024年第2期53卷 90-97页

作者：雷李华张玉杰傅云霞上海市计量测试技术研究院上海201203 上海市在线检测与控制技术重点实验室上海201203

光栅干涉仪位移测量系统作为测量领域中最精密的测量仪器之一,由于在测量过程中光栅的姿态位置无法保证完美装配,使得光栅的光栅矢量方向与运动矢量方向之间出现偏差,导致位移测量结果出现周期性非线性误差。文中针对在光栅干涉仪位移... 详细信息

光栅干涉仪位移测量系统作为测量领域中最精密的测量仪器之一,由于在测量过程中光栅的姿态位置无法保证完美装配,使得光栅的光栅矢量方向与运动矢量方向之间出现偏差,导致位移测量结果出现周期性非线性误差。文中针对在光栅干涉仪位移测量过程中出现的光栅与位移台以及读数头之间的姿态位置误差进行分析,通过分别建立位移坐标系及光栅坐标系,参考惯性导航领域中飞行器姿态表示方法,利用一维光栅的横滚、俯仰和偏航角共同描述一维光栅相对于位移台的装配状态。通过基于矢量衍射理论分析光栅干涉仪位移测量时三个维度的角度偏差量,对可能产生的位移测量误差进行了分析说明。基于广义一维光栅方程,探究出了一个更为普遍的结论,为后续装置的改进提供理论依据,以提高系统的测量精度。

关键词：精密位移测量光栅干涉仪光栅矢量衍射周期性误差

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二维光栅位移测量技术综述

中国光学 2020年第6期13卷 1224-1238页

作者：尹云飞刘兆武吉日嘎兰图于宏柱王玮李晓天鲍赫李文昊郝群中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049 北京理工大学光电学院北京100081

超精密位移测量技术不仅是精密机械加工的基础,在以摩尔定律飞速发展的芯片制造行业中也起到决定性的作用。以光栅栅距为测量基准的光栅位移测量系统被广泛应用于多维测量系统,光栅位移测量系统与激光位移测量系统相比,大大降低了对使... 详细信息

超精密位移测量技术不仅是精密机械加工的基础,在以摩尔定律飞速发展的芯片制造行业中也起到决定性的作用。以光栅栅距为测量基准的光栅位移测量系统被广泛应用于多维测量系统,光栅位移测量系统与激光位移测量系统相比,大大降低了对使用环境的湿度、温度和气压的要求。本文主要介绍了近年来国内外基于二维光栅的位移传感系统光学结构的发展现状,从零差式和外差式光栅干涉测量原理入手,综述了基于单块二维光栅的光学结构到多块二维光栅耦合设计的光学结构发展历程,对比分析了几种二维光栅位移测量系统的优缺点,并展望了二维光栅位移测量系统发展趋势,总结了二维光栅位移测量系统的工程化进程。

关键词：二维光栅光栅干涉技术精密位移测量

基于二次调制原理的绝对式角位移测量方法研究

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基于二次调制原理的绝对式角位移测量方法研究

作者：康成蓥重庆理工大学

学位级别：硕士

精密位移检测技术服务于先进制造、科研分析、航空航天等领域,实现了设备运行全过程中准确、稳定的空间感知和最佳控制,具有基础性、战略性作用。随着现代化、信息化、智能化进程,现代装备制造业对精密位移检测技术提出了小型化、高精... 详细信息

精密位移检测技术服务于先进制造、科研分析、航空航天等领域,实现了设备运行全过程中准确、稳定的空间感知和最佳控制,具有基础性、战略性作用。随着现代化、信息化、智能化进程,现代装备制造业对精密位移检测技术提出了小型化、高精度、高分辨率的需求。常用位移检测装置包括光栅、磁栅、容栅等,分别适用于不同的应用场景,光栅具有高精度、高分辨率的优点,牢牢占据了高端制造领域。但国内相关技术研究和发展存在滞后,且国外对相关设备和技术采取单方面限制和封锁,严重阻碍了我国向制造强国转变的进程。因此,发展我国精密位移检测前沿技术,建立国家现代化先进测量体系已刻不容缓。作者所在课题组长期致力于精密位移测量领域,创新性的提出了时空转换思想,并基于该思想提出了以交变电场构建匀速运动系,将空间角位移与时间量关联实现精密角位移测量的电场式时栅传感器。电场式圆时栅在无需精密栅线刻划条件下依然具有高精度、高分辨率的优点。本文基于时空转换原理与电场式圆时栅测量理论,提出基于二次调制原理的多层绝对式角位移测量方法,在传感器径向尺寸不变的前提下,通过轴向空间实现信号的二次调制,提升传感器的测量分辨率,满足制造行业对位移检测装置小型化、高精度、高分辨率需求。本文具体工作如下:1)提出了基于二次调制原理的多层绝对式角位移测量方法。在增量电场式圆时栅结构基础上沿轴向增加一级传感结构,将第一级电场耦合得到的感应信号输入至第二级作为激励信号完成第二级电场耦合,实现信号的二次调制。传感器分为内外两环,内环经二次调制得到等效于整周为单对极的粗测信号用于绝对定位,外环经二次调制后得到对极数加倍的精测信号,可将测量分辨率提升1倍。2)对传感器对极内误差以及整周误差进行了理论推导与分析:(1)建立了第一级对极内测量误差理论模型以及第一级对极内误差传递至第二级时误差传递规律的数学模型;(2)建立了传感器内外环同时工作时的相互串扰引发的对极内测量误差模型;(3)建立了传感器安装偏心与倾斜时整周测量误差的数学模型。根据相应的误差模型,通过仿真得到了各误差模型下传感器的误差变化规律。3)设计了相应的硬件电路,完成了FPGA中激励信号产生与信号采集处理的模块设计,并搭建了上位机模块实现数据显示与误差处理。采用印制电路板工艺(PCB)制作了传感器样机,其外径为100mm,内径为50mm,样机第一级内外环对极数均为60,第二级内环对极数为59,外环对极数为60,依靠高精度RPI转台和超精密实验室搭建了实验平台。4)实验验证与优化。针对所建立的传感器误差模型,设计了相应的验证实验,实验数据与理论分析一致,并根据实验数据和相应的误差模型提出了对传感器分时施加激励的优化方法,并在优化方法下对传感器整体性能进行了测试。综上,本文根据所提出的绝对式角位移测量方法,完成了测量机理与误差机理的理论分析建模,并搭建实验平台以实验数据对理论模型进行验证,并进一步提出分时施加激励的优化方法。基于该方法的传感器样机可实现绝对定位,在整周范围内原始测量精度达到±4.3″,实际测量分辨达到0.5″,有望应用于小型化、高精度、高分辨率需求的工业场合。

关键词：精密位移测量圆时栅二次调制多层结构绝对式

差分激光单频干涉纳米位移测量及误差补偿方法研究

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差分激光单频干涉纳米位移测量及误差补偿方法研究

作者：颜语岑浙江理工大学

学位级别：硕士

随着超精密位移测试计量、超精密加工制造装备和基础科学研究在纳米测量领域的迅速发展,跨尺度高精度纳米位移测量这一共性技术问题的研究具有重要的科学意义,其中激光干涉纳米位移测量技术由于高相干性、直接溯源至米定义和大测量范围... 详细信息

随着超精密位移测试计量、超精密加工制造装备和基础科学研究在纳米测量领域的迅速发展,跨尺度高精度纳米位移测量这一共性技术问题的研究具有重要的科学意义,其中激光干涉纳米位移测量技术由于高相干性、直接溯源至米定义和大测量范围高测量精度的优点被广泛研究。为了进一步提高纳米位移测量精度,本文提出了一种差分激光单频干涉纳米位移测量及误差补偿方法。该方法中首先构建共用同一参考臂的一对干涉仪组成差分干涉仪(DPMI),利用这对干涉仪差分相减来消除位移测量过程中的非平衡环境干扰。然后采用差分波前传感(DWS)技术结合集成2×2阵列光电探测器(APD)来同时位移测量和位移测量过程中由测量镜倾斜引起的偏转角度,并对转角误差进行实时补偿。最后在差分激光单频干涉纳米位移测量光路的基础上,构建另一路共用参考臂的干涉仪形成差分结构,在该干涉仪上放置真空管,一路穿过真空管内部一路在真空管外部,利用低精度环境参数传感器结合真空管内外高精度相位差来补偿纳米位移测量过程中空气折射率引起的测量误差。为了验证提出的差分激光干涉纳米位移测量及误差补偿方法的可行性,搭建了差分激光干涉纳米位移测量及误差补偿光路。分别进行了差分稳定性实验、空气折射率测量实验和纳米位移测量空气折射率补偿实验。差分稳定性实验结果表明,在100分钟的差分稳定性实验中,最大位移漂移量从单路的902.9 nm减小到16.3 nm,验证了差分结构的稳定性。空气折射率绝对测量的实验结果表明,在10分钟、1小时、1.5小时之内DPMI和Renishaw XC-80空气折射率补偿单元的空气折射率测量标准偏差分别为2.17×10、2.11×10和2.40×10,验证了空气折射率测量准确性。纳米位移测量空气折射率补偿实验结果表明,在0.01°测量范围内,DPMI和Renishaw干涉仪测量的俯仰角和偏摆角之间的标准偏差分别为1.67×10°和1.86×10°。使用了三种不同型号的导轨进行角度补偿实验,角度补偿前后DPMI测量结果与工作台定位值的标准偏差均从微米量级降级到百纳米量级,这与导轨本身定位精度相符合,验证了角度测量的精密性和角度补偿的有效性。同时补偿空气折射率和角度后,150mm测量范围内补偿前DPMI与工作台定位值最大偏差从1.507μm减小到0.761μm。通过以上实验验证了所提出方法的可行性。

关键词：差分干涉仪相位调制干涉仪精密位移测量抗环境干扰角度误差补偿空气折射率

基于多电场耦合的绝对式纳米位移测量技术研究

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基于多电场耦合的绝对式纳米位移测量技术研究

作者：黄蓉重庆理工大学

学位级别：硕士

当前,制造业的迅猛发展得益于精密加工制造技术的支持,而精密位移测量技术及器件作为把控加工质量及反馈位置信息的关键部件得到了广泛应用且越来越受重视。特别是作为制造业装备基础的高端数控机床,在以直线电机作为伺服控制驱动的情况... 详细信息

当前,制造业的迅猛发展得益于精密加工制造技术的支持,而精密位移测量技术及器件作为把控加工质量及反馈位置信息的关键部件得到了广泛应用且越来越受重视。特别是作为制造业装备基础的高端数控机床,在以直线电机作为伺服控制驱动的情况下,绝对位置传感器作为全闭环控制系统的关键部件,对机床的加工精度起着决定性作用。应对机床不仅需要精度高,且还能实现大量程的绝对位置传感器的要求,光栅是目前的最佳选择。然而,由于国外生产光栅的制造商对我国实行技术封锁,而国内制造技术又相对落后,所以被迫长期依赖于进口。面对这一国情,为推动我国制造业的进步,自主创新研发其他绝对位置传感器将变成必然趋势。作者所在实验室长期致力于时栅测量技术及器件的研究。借以时空转换的理论,时栅位移传感器应运而生。前期的研究已经证实时栅对制造精度要求不高且能实现大量程测量。考虑到对射式结构的绝对式位移时栅由于线缆的束缚并不能在对测量行程要求长的机床中充分发挥作用,本文将提出一种在能实现大量程测量的同时保持高精度定位的反射式时栅位移传感器,以增强在机床中的适用性。本文围绕该传感器的设计,做了以下工作:1)首先提出了基于时栅的多电场耦合原理。将具有M个测量周期的第一级传感器的输出的四路正交信号作为具有N个测量周期的第二级传感器的激励信号以组合为具有M+N个测量周期的传感器A,两个传感器的组合增加了周期数,实现了单边出线的反射式结构设计以及分辨率的扩增;2)设计了基于多电场耦合的绝对式位移传感器结构。再一次应用多电场耦合原理将第一级传感器的输出的四路正交信号作为具有N-1个测量周期的第三级传感器的激励信号以组合为具有M+N-1个测量周期的传感器B,传感器A和B形成了差极结构,以类似于游标卡尺测量方式实现了绝对定位;3)建立了经多电场耦合前的第一级传感器和经多电场耦合后的传感器B的测量误差数学模型。同时分析了耦合前后的传感器由于信号幅值不等、相位非正交以及非线性电场的影响所带来的测量误差。在信号幅值不等和相位非正交时,第一级传感器的误差在多电场耦合作用下由原来的一次误差和二次误差变成了与组合传感器周期相关的多次谐波误差,在非线性电场的影响下,第一级传感器的误差是四次误差,经多电场耦合后仍然是四次误差;4)为了验证传感器的周期误差特性,利用PCB工艺制作了M=136,N=5的传感器样机,设计了信号采集与处理的电路,完成了激励信号发生器等设备的选型,并搭建了方便而可靠的位移测量实验平台;5)实验测试与结构优化。通过实验证实了第一级传感器的测量误差以及与经多电场耦合之后传感器B的误差之间的关联。通过实验分析表明经多电场耦合的传感器B的测量误差是各组合级传感器在相同测量范围内的误差的叠加,且主要表现为四次误差。在掌握了经多电场耦合的误差机理后,通过增加第二级传感器和第三级传感器的周期数对传感器的结构进行了优化,对优化为N=M的传感器样机的实验测试结果表明:在200mm范围内达到±200nm定位精度,且分辨率提升了一倍。综上所述,本文基于多电场耦合原理提出了一种相较于同等尺寸时栅其精度和分辨率被扩展的高精度绝对式时栅位移传感器。同时,多电场耦合的时栅结构是反射式的,实现了单边出线,相比于传统的对射式结构传感器,极大的扩大了其在复杂工况下的实用性和可靠性。这一重大研究成果不仅展示了时栅的发展潜力,为后续将时栅位移传感器向产业化发展打下了坚实的基础,还为国内的精密位移测量技术甚至是整个制造业的发展做出了重大贡献。

关键词：精密位移测量时栅绝对式位移传感器多电场耦合

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外差式光栅粗/细位移测量系统的研究

外差式光栅粗/细位移测量系统的研究

作者：陈航哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

精密位移测量技术是体现一个国家工业化水平的标杆,更是一个国家先进制造业、先进加工业得以快速发展的基础。进入21世纪以来,随着工业现代化步伐的逐渐迈进,对精密位移测量技术提出了越来越高的要求。光栅位移测量装置作为一种典型的... 详细信息

精密位移测量技术是体现一个国家工业化水平的标杆,更是一个国家先进制造业、先进加工业得以快速发展的基础。进入21世纪以来,随着工业现代化步伐的逐渐迈进,对精密位移测量技术提出了越来越高的要求。光栅位移测量装置作为一种典型的精密位移测量装置,因其高精度、高分辨力、抗干扰能力强、结构紧凑以及价格低廉等优点,已被广泛应用在多种精密位移测量的场合。然而,目前关于光栅位移测量装置的研究成果,在测量过程中的测量分辨力大多为定值,无法兼顾大量程低位移分辨力粗测与小量程高位移分辨力细测的转换,因此,研究一种同时具备高位移分辨力细测和低位移分辨力粗测的光栅位移测量装置,不仅为多位移分辨力光栅位移测量系统的研究提供一种技术解决方案,还对推动光栅位移测量系统的发展研究具有重要的现实意义。本课题致力于研究一种外差式光栅粗/细位移测量系统,该系统能同时/分别实现位移测量的高分辨力细测和低分辨力粗测,主要研究内容为:为分析外差式光栅位移测量系统的基本理论,首先分析外差干涉测量理论,其中包括外差法的基本原理、外差法的移频原理以及相位差的测量;随后分析光栅位移测量的基本理论,从多缝衍射角度和多普勒效应的角度分析光栅的衍射特性以及光栅位移测量的基本原理。在此基础上,提出了所设计的外差式光栅粗/细位移测量系统的原理测量光路,设计了实现位移测量高分辨力细测和低分辨力粗测的三光栅光路结构,分析了系统实现粗测和细测的测量原理,推导了粗测和细测部分光路的等效光栅栅距公式以及位移信息的解算方法。随后根据原理测量光路分析三光栅结构光栅栅距的选取规则。然后,推导出系统粗测和细测部分的误差表达式,据此对系统的主要误差来源进行分析,主要包括:光栅栅线加工不均匀产生的栅距累积误差、光栅结构加工中产生的圆角误差、由偏振分光棱镜和偏振片等偏振光学元件的缺陷产成的周期非线性误差等;同时分析了其他误差来源如光栅安装不当引入的倾角误差等对系统的影响。最后,搭建系统实验平台进行实验,首先进行等效光栅栅距的测量,其中所研究的外差式光栅粗/细位移测量系统,粗测部分等效光栅栅距为17.02?m,细测部分等效光栅栅距为0.41?m,该测量值与理论值相符,验证了系统可以实现粗/细位移测量;随后对粗测和细测测量能力进行实验,实验结果显示:粗测部分在1000?m、500?m以及100?m的长行程实验中,分别产生1.2488?m、0.9828?m、0.485?m的测量偏差,其测量结果和对比测量装置HP5529A相比具有良好的一致性。对于细测部分,首先驱动位移台进行14?m、10?m以及5?m的直线往复运动,系统测量结果和对比测量装置HP5529A相比无明显差别,具备良好的一致性;随后进行的规则信号,如锯齿波、方波驱动位移台的运动实验中,本系统在100 nm和20 nm的行程中位移偏差分别为5 nm和0.4 nm;最后,进行系统稳定度的测试。在约7分钟的稳定度测试实验中,细测部分和粗测部分的相位变化分别为0.3°和1°,转换成位移量后,细测部分的位移变化约为0.3 nm,粗测部分的位移变化约为10 nm,结果表明所设计的外差式光栅粗/细位移测量系统具备良好的稳定度。

关键词：光栅位移测量系统粗/细位移分辨力外差光源精密位移测量

基于多电容传感器级联的绝对式角位移测量方法研究

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基于多电容传感器级联的绝对式角位移测量方法研究

作者：余定峰重庆理工大学

学位级别：硕士

角位移测量装置在装备制导、高端数控、精密电机等运动控制领域,扮演着重要角色。在工业自动化相关领域对传感器在机械振动、粉尘污染、电磁干扰等运行环境下,提出了高定位精度、高分辨率、高可靠性需求。绝对式角位移传感器在高精密测... 详细信息

角位移测量装置在装备制导、高端数控、精密电机等运动控制领域,扮演着重要角色。在工业自动化相关领域对传感器在机械振动、粉尘污染、电磁干扰等运行环境下,提出了高定位精度、高分辨率、高可靠性需求。绝对式角位移传感器在高精密测控领域具有明显优势,其较增量式角位移传感器可有效解决掉电丢失位置数据,测量累计误差产生等问题。在绝对式角位移测量领域中,光栅角位移传感器历经多来年的研究迭代,已形成完整且现代化的测量体系,在高端制造工业领域占据绝对份额。精密光栅测量技术被国外限制和封锁,国内相应测量技术起步较晚,相关产品仅应用于对测量精度要求不高的低端市场,高精度、高分辨率的光栅传感器依赖于国外进口,受制于人。作者所在的科研团队提出了构建匀速运动参考系的方法,将空间位移与时间变化的进行联系,通过时间来测量空间实现精密角位移测量。此方法早期运用在对射绝对式角位移传感器中,具有绝对定位能力以及高精度测量的优势。然而传感器通过对射结构实现精密测量,存在动子转动导致引线缠绕的问题,增加了传感器的使用难度,降低了传感器的可靠性。为解决上述问题,在拥有自主知识产权的高精度电场式时栅角位移传感器基础上,本文开展了基于多电容传感器级联的绝对式角位移测量方法研究。主要研究工作如下:1)利用两路单列增量式时栅传感器,构成N和N-1个测量周期的电容阵列,分别作为精测和粗测部分,利用精细的时间刻度对信号相位测量得到对应角位移值,并通过差极绝对定位方法实现绝对位置测量。2)传感器为三层结构,传感器在双层结构基础上,通过增设一层电场耦合回路,实现多层级联结构。将第一层定子与第二层转子耦合得到的感应行波信号传递至第三层定子输出,并避免了转子引线缠绕问题。3)对基于该方法的传感器原型进行误差理论分析,从单周期误差和整周测量误差两方面进行分析。对幅值不等和相位非正交引起的周期误差建立了误差理论模型,对传感器安装偏心和倾斜状态下的整周误差进行了理论分析。4)测试平台搭建和实验系统设计。采用PCB工艺制作了外径Φ=100mm,内径Φ=50mm传感器样机,设计了时栅传感器测量系统并依靠超精密实验室搭建测试平台。5)初步实验数据表明传感器存在信号串扰影响,基于实验数据并通过理论分析后,采用信号分时、电极复用的方法对传感器进行结构优化,避免了信号串扰的影响且进一步增大有效传感面积。对优化后的原型传感器进行了误差理论验证与性能测试,实验结果与误差理论分析一致,并能实现高精度的绝对位置输出。综上所述,通过理论分析和实验研究相结合的方式,本文最终建立了一套完整的基于多电容传感器级联的绝对式角位移测量方法,提高了时栅的抗干扰能力以及拓展了时栅的应用场景。该级联结构的角位移传感器样机,其对极内测量精度在±2.12″以内,重复性精度在0.20″范围内,整周原始测量精度在±3.0″以内。

关键词：精密位移测量圆时栅级联结构绝对定位分时复用