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电极几何尺寸误差对纳米时栅位移传感器测量精度的影响及其抑制方法

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仪器仪表学报 2021年第7期42卷 21-27页

作者：彭凯刘小康于治成王合文蒲红吉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

在纳米时栅传感器的制造过程中,由加工工艺引入的制造误差主要表现为电极几何尺寸误差。通过运用分段面积积分方法进行数学建模,详细地分析了电极几何尺寸误差对测量精度的影响,并揭示了采用多个感应电极进行信号拾取会具有一种平均效应... 详细信息

在纳米时栅传感器的制造过程中,由加工工艺引入的制造误差主要表现为电极几何尺寸误差。通过运用分段面积积分方法进行数学建模,详细地分析了电极几何尺寸误差对测量精度的影响,并揭示了采用多个感应电极进行信号拾取会具有一种平均效应,能够有效地匀化由电极几何尺寸误差随机变化所引入的测量误差。采用制造精度在1μm级的微纳加工工艺和制造精度在10μm级的印制电路板(PCB)工艺分别制作了两套量程为200 mm的传感器样机,并进行了精度对比实验。实验结果表明,由于平均效应的作用,PCB工艺制作的样机经过简单的线性补偿后,在满量程内取得了±250 nm的测量精度,接近微纳加工工艺制作的样机的测量精度。实验结果验证了多个感应电极平均效应的有效性。

关键词：制造误差电极几何尺寸误差平均效应栅式位移传感器纳米时栅

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纳米时栅位移传感器误差模型建立与分析

仪表技术与传感器 2018年第4期 1-5页

作者：张瀚潇郑方燕吴玉梅樊星辰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

纳米时栅是利用交变电场进行精密位移测量的新型传感器。由于传感器的安装偏差、结构实现、基体加工和工作环境变化等均会导致测量误差。为研究误差的产生原因及对测量精度的影响规律,在纳米时栅传感器的测量模型基础上,建立了由于驻波... 详细信息

纳米时栅是利用交变电场进行精密位移测量的新型传感器。由于传感器的安装偏差、结构实现、基体加工和工作环境变化等均会导致测量误差。为研究误差的产生原因及对测量精度的影响规律,在纳米时栅传感器的测量模型基础上,建立了由于驻波参数变化产生的测量误差模型,具体分析了驻波信号参数变化中幅值不相等、相位不正交、含有高频干扰这3种情况的误差变化情况,经实验验证了理论的正确性,明确了测量误差产生的原因,为纳米时栅的结构最优化设计提供了理论依据。

关键词：误差分析位移测量纳米时栅误差建模

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纳米时栅的电气参数与误差特性研究

重庆理工大学学报（自然科学） 2019年第6期33卷 65-71页

作者：孟瑶周启武郑方燕刘小康施海重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心

纳米时栅采用交变电场构建匀速参考系,实现空间到时间基准的溯源,提高了测量精度。提出一种基于交变电场的直线式位移时栅传感器。为进一步提升传感器测量精度并实现高精度测量,研究了电气参数对纳米时栅精度的影响,分析了传感单元之间... 详细信息

纳米时栅采用交变电场构建匀速参考系,实现空间到时间基准的溯源,提高了测量精度。提出一种基于交变电场的直线式位移时栅传感器。为进一步提升传感器测量精度并实现高精度测量,研究了电气参数对纳米时栅精度的影响,分析了传感单元之间的阻抗特性。针对影响电场分布的阻抗进行分析研究,首先建立传感器的电路模型,依据对电路方程的推导以及电气参数的仿真,分析了阻抗特性引入的误差规律。制作了传感器样机,并搭建实验平台进行了精度测试,验证了推导误差规律,同时借助时空转换原理修改激励信号参数,消除了阻抗特性带来的影响,最终传感器对极内精度达到±0.4μm。

关键词：纳米时栅电气参数阻抗特性误差特性

一种分时复用的绝对式纳米时栅位移传感器设计

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重庆理工大学学报（自然科学） 2023年第12期37卷 122-129页

作者：邓志钊蒲红吉于治成王合文樊星辰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 时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室重庆400054 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院合肥230009

现代高端装备制造对精密位移检测技术提出了绝对位置测量、高精度和大量程的需求,针对绝对式位移量程与编码的矛盾,提出了一种基于分时复用方法的绝对式纳米时栅位移传感器。采用单列式时栅位移传感器作为绝对式传感器的精测部分,记为... 详细信息

现代高端装备制造对精密位移检测技术提出了绝对位置测量、高精度和大量程的需求,针对绝对式位移量程与编码的矛盾,提出了一种基于分时复用方法的绝对式纳米时栅位移传感器。采用单列式时栅位移传感器作为绝对式传感器的精测部分,记为传感器A。为了实现绝对位移测量,增加一个周期数比传感器A少且互为质数的对射增量式时栅位移传感器,记为传感器B。利用传感器A与传感器B输出行波的相位值,通过查找表和定位计算实现绝对位移测量。提出了一种分时复用的方法,通过分时间段为传感器A与传感器B提供激励信号,可以有效降低传感器功耗。此外,传感器A与传感器B的感应电极在内部用引线连接,共用1组感应信号处理接口,减少了1组感应信号处理器件,节约了电路空间。采用多层PCB工艺制造了传感样机,搭建了实验平台并对样机性能进行测试。最终实验结果表明:在450 mm范围内,非线性测量误差达到±3μm。

关键词：分时复用方法绝对位移测量纳米时栅位移传感器

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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

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C#的纳米时栅传感器数据分析系统设计

现代制造技术与装备 2019年第12期55卷 50-54页

作者：张静张瀚潇索龙博吴玉梅重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室

针对纳米时栅位移传感器研制中数据处理与分析愈加复杂、繁琐和重要的现状,提出一种实用高效的、基于C#的上位机设计,主要功能包括数据采集、图像识别激光干涉仪数值并进行标定、快速傅立叶变换(FFT)分析以及建立自适应坐标算法使数据... 详细信息

针对纳米时栅位移传感器研制中数据处理与分析愈加复杂、繁琐和重要的现状,提出一种实用高效的、基于C#的上位机设计,主要功能包括数据采集、图像识别激光干涉仪数值并进行标定、快速傅立叶变换(FFT)分析以及建立自适应坐标算法使数据可视化。实验结果表明,时栅误差峰峰值为700nm,主要为二次误差和四次误差。该系统算法准确、人机交互方便,可将相关数据存入数据库,并且能稳定正常工作,为纳米时栅的进一步研究提供了保证。

关键词：纳米时栅 C# 图像识别快速傅立叶变换自适应坐标系

安装误差对于电场式圆时栅传感器测量精度的影响规律及抑制方法

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重庆理工大学学报（自然科学） 2024年第2期38卷 132-140页

作者：于沛玉王合文王祥虎吴昶亮展丙男重庆理工大学机械检测与装备技术教育部工程研究中心重庆400054 时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室重庆400054 通用技术集团国测时栅科技有限公司重庆400039 北京理工大学机械与车辆学院北京100081

在纳米时栅传感器安装过程中,转子相对于定子的偏心或偏摆,是角位移传感器整周测量误差的主要来源。运用面积积分法进行数学建模,分析在安装不满足正对平行条件时的整周误差及其谐波频次,揭示采用多个电极进行信号拾取会具有一种匀化效... 详细信息

在纳米时栅传感器安装过程中,转子相对于定子的偏心或偏摆,是角位移传感器整周测量误差的主要来源。运用面积积分法进行数学建模,分析在安装不满足正对平行条件时的整周误差及其谐波频次,揭示采用多个电极进行信号拾取会具有一种匀化效应,能够减小由安装带来的谐波误差。采用印制电路板(PCB)工艺制造直径为305 mm的传感器样机,在不同测头数量的条件下进行精度对比实验。实验结果表明:多测头结构能够对整周误差产生抑制与匀化作用,使传感器整周测量精度达到1.5″,接近平行正对安装时的测量精度,验证了多测头结构对安装误差的抑制作用。

关键词：安装误差多测头纳米时栅测量精度