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基于二次调制原理的多层结构绝对式角位移传感器

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仪器仪表学报 2023年第5期44卷 214-222页

作者：刘小康康成蓥于治成郑方燕王合文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

为了在传感器径向尺寸不变的前提下,保持良好的测量精度和分辨率,以适应小型化需要的工业场合,提出了一种利用多层结构实现信号二次调制的圆时栅角位移传感器。传感器为3层结构,利用轴向空间,使内外环分别通过多层结构完成信号的二次调... 详细信息

为了在传感器径向尺寸不变的前提下,保持良好的测量精度和分辨率,以适应小型化需要的工业场合,提出了一种利用多层结构实现信号二次调制的圆时栅角位移传感器。传感器为3层结构,利用轴向空间,使内外环分别通过多层结构完成信号的二次调制,其中内环作为粗测环经二次调制后用于实现传感器的绝对定位,外环作为精测环经二次调制后,提高了传感器分辨率。采用PCB工艺制造了外径Φ=100 mm,内径Φ=50 mm的传感器样机,初步实验表明内外环同时施加激励时,内外环将分别受到对方产生的串扰影响,因此进一步提出分时施加激励的优化方法避免信号串扰的影响以提升测量精度。最终实验结果表明传感器能够实现绝对定位且分辨率提升了1倍,原始测量精度达到了±4.1″。

关键词：角位移传感器多层结构二次调制绝对式分时结构

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一种对极数互质的高精度绝对式角位移传感器

重庆理工大学学报（自然科学） 2023年第2期37卷 166-172页

作者：吴昶亮于治成蒲红吉展丙男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 北京理工大学机械与车辆学院北京100081 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院合肥230009

提出了一种对极数互质的高精度绝对式时栅角位移传感器。在N对极的单圈增量电场式时栅角位移传感器的基础上增加一个M对极的传感器,实现组合测量,其中,2个增量式传感器对极数N和M为互质数,对极数多的作为精测部分,保证传感器的测量精度... 详细信息

提出了一种对极数互质的高精度绝对式时栅角位移传感器。在N对极的单圈增量电场式时栅角位移传感器的基础上增加一个M对极的传感器,实现组合测量,其中,2个增量式传感器对极数N和M为互质数,对极数多的作为精测部分,保证传感器的测量精度;对极数少的作为粗测部分,利用2个增量式传感器输出行波相位差和空间角度对应关系实现传感器的绝对角位移测量。采用差动感应电极结构消除共模干扰以保证测量精度,这种对极数互质组合测量传感器既能够较容易实现绝对定位,又能够保证传感器的高精度。采用印制电路板技术制造了外径154 mm、内径100 mm、厚度2 mm的传感器样机,搭建了实验平台进行测试,测试结果表明:该传感器的整周测量范围原始精度可达±1.8″。

关键词：互质绝对式角位移传感器时栅

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大量程绝对式直线时栅拼接方法与实验研究

大量程绝对式直线时栅拼接方法与实验研究

作者：王中行重庆理工大学

学位级别：硕士

现如今随着制造业的不断发展,位移测量器件及其技术作为反馈位置信息的关键组件之一越来越受到重视,量程在数米以上、系统精度在微米级的高精度绝对式位移传感器在精密加工领域得到了广泛的应用,如大型龙门加工中心和大行程直线电机等... 详细信息

现如今随着制造业的不断发展,位移测量器件及其技术作为反馈位置信息的关键组件之一越来越受到重视,量程在数米以上、系统精度在微米级的高精度绝对式位移传感器在精密加工领域得到了广泛的应用,如大型龙门加工中心和大行程直线电机等。目前,在这一领域主要使用的是绝对式光栅传感器,它具有测量精度高、环境适应性好等优点,已有非常成熟的产品,但光栅传感器存在对应用环境要求较为苛刻,高精度光栅价格昂贵等问题,并且我国光栅长期依赖国外进口,国内的光栅制造技术相对落后。因此,为了跳出这一受制于人的“卡脖子”局面,我国急需一款自主研发的高精度测量传感器。为此,作者所在团队长期潜心致力于时栅传感器的设计和研发工作,由国人自主创新,基于提出的时空转换理论,将空间位移测量转变为时间量的测量,历经二十余年的发展,电场式时栅传感器已实现大量程、高精度的绝对位置测量。本文在前期研究的基础上,提出一种信号二次调制的反射式时栅位移传感器,实现动尺的无源设计,并通过拼接结构及方法,成倍的拓展测量范围,摆脱制造对时栅传感器量程的限制。本文围绕该传感器做出的工作如下:1)提出了基于时栅的信号二次调制理论。将第一级传感单元输出的行波信号作为第二级传感单元的激励信号再次使用,通过这种信号调制后再次使用的方式增加了组合后传感器的周期数,实现了动尺的无源设计,增加了传感器测量分辨率;2)设计了基于二次调制原理的绝对式传感器结构。再次利用二次调制原理将第一级传感单元的输出信号作为第三级传感单元的激励信号使用,第二级与第三级传感单元相差一个周期数,两者构成差极结构以类似游标卡尺的测量方式实现绝对定位,并对信号调制前后的周期内误差机理进行分析,说明了电场非线性分布情况下所带来的测量误差规律;3)提出了基于二次调制原理的时栅位移传感器的拼接结构与方法。利用机械式拼接方法,将两段或多段时栅传感器首尾相接以拓展量程,通过拼接结构在拼接接缝处将感应行波既作为位移测量信号,又作为位置判断信号进行编码与解码切换位移数据,避免拼接误差带来的影响,结合单段上的绝对定位实现满量程上的绝对位置测量。4)实验验证平台搭建。为了验证前文所提出的结构与方法,利用PCB工艺制造了长度L=400mm的传感器样机,设计了信号处理硬件电路与软件处理程序,搭建了精密可靠的实验测试平台。5)实验验证与结构优化。通过实验测试了第一级传感单元的周期误差与信号调制后第二级传感单元周期误差之间的关系,对结果进行分析得出结论,信号经过调制后的周期内误差是各级传感器在同一测量范围内误差的叠加。验证了拼接方法的可行性,对传感器结构进行了优化,能够实现在3*400mm范围内测量精度达到±5μm,重复性较好。

关键词：时栅二次调制大量程绝对式拼接结构

基于差极反射原理的绝对式角位移传感方法研究

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基于差极反射原理的绝对式角位移传感方法研究

作者：吴昶亮重庆理工大学

学位级别：硕士

精密位移测量技术担负着制造业质量技术保证的重任,在高档数控机床、国防军工、工业机器人等领域广泛应用,其发展水平直接决定了先进制造业发展进程和高度。高精度绝对式角位移编码器作为检测元件用于准确定位,是高端装备的核心技术和... 详细信息

精密位移测量技术担负着制造业质量技术保证的重任,在高档数控机床、国防军工、工业机器人等领域广泛应用,其发展水平直接决定了先进制造业发展进程和高度。高精度绝对式角位移编码器作为检测元件用于准确定位,是高端装备的核心技术和关键功能部件。目前高档数控机床中的位置检测装置大多采用的是高精度绝对式光栅编码器,然而由于高精度绝对式光栅编码器编码复杂并且栅线刻画的精度要求高,我国暂无能力生产能够实现高精度刻画技术的超精密机械加工设备,导致国内光栅的研发制造水平达不到要求。市面上的高精度绝对式光栅编码器基本都是从国外进口,而国外的高精度绝对式光栅编码器价格垄断,并且用于处理光栅绝对码道的芯片采取技术封锁,这严重制约了我国高端制造业的发展并且威胁我国的国防安全。因此,研制出拥有我国自主产权的高精度绝对式角位移传感器迫在眉睫。作者所在课题组转换位移测量思路,提出了电场式时栅测量理论,通过在空间上矢量叠加四路激励信号产生的交变电场来构成一个匀速运动的电场信号作为运动参考系,通过“以时间测量空间”来提高位移测量精度,该方法实现高精度（角）位移的测量不需要超高精密刻画栅线,降低了对机械加工设备的要求。本文在课题组前期研究的电场式圆时栅传感器的基础上,开展了基于差极反射原理的绝对式角位移传感方法研究,主要研究内容如下:1)提出了差极反射绝对式的角位移测量方法。介绍了“时空转换”测量方法,阐述了差动感应结构的单圈电场式增量角位移时栅测量原理。在单圈增量式的基础上,提出了差极绝对式定位方法,利用相差一个对极的两个单圈增量式传感器组合测量实现传感器的绝对定位功能。并且增加了反射环结构,实现传感器单边引线,解决了传感器动尺和定尺相对转动时导线制约造成的安装问题。2)建立了电场式角位移时栅传感器的测量误差模型。通过分析验证了直接反射式结构的接收电极会受到激励信号干扰,并提出了分时交叉反射结构进行改进,实现了在不增大传感器面积的情况下增宽了激励电极与接收电极的间距,从而降低激励信号对接收电极的干扰。对激励参数和安装偏差对测量误差结果的影响进行了详细理论分析,明确了常见的干扰因素给传感器带来的误差变化规律,给传感器的实验数据分析提供了理论指导。3)设计了传感器的实验系统,并搭建实验平台对传感器性能进行验证。完成了硬件系统和上位机采集系统的设计,制造了外径135mm、内径90mm的传感器样机。搭建好实验平台对传感器样机进行实验测试,验证了影响传感器精度的误差源和优化方案的有效性,并且通过改变传感器的激励参数及安装状态验证了误差理论分析的正确性。综上,本文通过理论分析和实验验证相结合,建立了基于差极反射原理的绝对式角位移传感方法,基于该方法研制的传感器样机在360°测量范围原始精度达到±2”,实现了高精度角位移测量。传感器样机单边出线,便于实际安装,能够在需要高精度角位置反馈的伺服系统和安装环境受限的直驱电机转台等领域进行应用。

关键词：精密位移测量差极反射绝对式时栅

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

基于分时复用反射电极结构的高精度绝对式时栅角位移传感器

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仪器仪表学报 2019年第11期40卷 23-31页

作者：刘小康李昌伟彭凯于治成冯济琴重庆理工大学机械检测技术与教育部工程研究中心重庆400054

提出了一种基于分时复用反射电极结构的高精度绝对式时栅角位移传感器。以增量式时栅传感器为基础,将单对极与多对极相结合,整周多对极作为精确测量部分实现高精度,整周单对极作为粗略测量部分实现绝对定位。提出了一种分时复用反射电... 详细信息

提出了一种基于分时复用反射电极结构的高精度绝对式时栅角位移传感器。以增量式时栅传感器为基础,将单对极与多对极相结合,整周多对极作为精确测量部分实现高精度,整周单对极作为粗略测量部分实现绝对定位。提出了一种分时复用反射电极结构,粗测部分和精测部分共用一组反射电极和接收电极,因此结构更加紧凑,便于小型化,同时动子无需引线,应用环境更广。通过分时间段对粗测部分和精测部分施加激励信号,并把不工作的电极接地,可以有效消除粗测部分和精测部分之间的串扰,保证测量精度。采用PCB技术制造了外径Φ=60 mm,内径Φ=26 mm的传感器样机。通过理论分析和结构优化,最终实验结果表明传感器的测量精度达到了±12″。

关键词：分时复用结构反射式绝对式时栅角位移传感器

基于平面磁场的双列结构绝对式时栅传感器研究

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传感技术学报 2021年第4期34卷 463-469页

作者：陈自然卜敬赵有祥黎锡冯曦颉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重庆400054

针对绝对式位置传感器编码复杂和加工工艺要求较高的问题,本文提出了一种基于平面磁场的双列结构绝对式时栅位移测量新方法。研究采用两列不同极距的"几"字型结构定尺绕组产生运动磁场,通过动尺电磁感应方式构造两列空间位移信号,建立... 详细信息

针对绝对式位置传感器编码复杂和加工工艺要求较高的问题,本文提出了一种基于平面磁场的双列结构绝对式时栅位移测量新方法。研究采用两列不同极距的"几"字型结构定尺绕组产生运动磁场,通过动尺电磁感应方式构造两列空间位移信号,建立两列空间位移信号相位差与运动位移的线性映射关系,通过粗通道定位和精通道测量实现绝对式位移测量。通过理论推导和模型仿真分析证明了绝对式位移测量方法的正确性。制作了PCB传感器样机进行了实验研究,结果表明传感器通过修正后定位精度可达到±9.6μm。此绝对式时栅位移传感器不仅具有结构简单,成本低廉等优势,还有效克服了传统绝对式位置传感器编码复杂和加工工艺要求较高的问题,可应用于复杂机电系统实现精密绝对定位,具有重要应用价值。

关键词：绝对式直线位移测量时栅传感器双列结构

AMO绝对式圆钢栅尺在SINUMERIK 840D sl上的配置与调试

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金属加工（冷加工） 2022年第4期 79-82页

作者：李宁宁沈阳机床(集团)有限责任公司辽宁沈阳110042

主要介绍AMO绝对式圆钢栅尺在SINUMERIK 840D sl上的配置与调试方法,包括驱动配置、与数控系统兼容、参数表、附件头C轴测量系统与主轴测量系统切换以及相关PLC编程等多个方面。

关键词： AMO 圆钢栅尺 SSI 绝对式测量系统 SINUMERIK 840D sl

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绝对式数字光纤传感器

光电子．激光 2003年第6期14卷 559-561页

作者：李川张以谟李欣吴晟熊秉衡昆明理工大学信息工程与自动化学院云南昆明650051 天津大学现代光学仪器研究所光电信息技术科学教育部重点实验室天津300072

给出了一种不受漂移和强度误差影响的线性或角度数字编码器,其中,该8进制绝对式数码光纤传感器采用8字节编码,使用了8对光纤,每对光纤根据它们所代表0或1进行开关调制。该传感器引入了输入端的8根单模光纤和接收端对应的8根多模光纤取... 详细信息

给出了一种不受漂移和强度误差影响的线性或角度数字编码器,其中,该8进制绝对式数码光纤传感器采用8字节编码,使用了8对光纤,每对光纤根据它们所代表0或1进行开关调制。该传感器引入了输入端的8根单模光纤和接收端对应的8根多模光纤取代透镜。因此,在传感元件中,来自输入端的单模光纤中的光束经编码器后耦合到接收端的多模光纤。结果表明,在编码器中采用循环码编码消除了码道改变所造成输出的粗误差。

关键词：数字编码器绝对式数字光纤传感器单模光纤多模光纤码道循环码编码