【摘要】：位移測(cè)量是數(shù)控機(jī)床、精密加工設(shè)備、國(guó)防武器裝備的關(guān)鍵技術(shù),是衡量一個(gè)國(guó)家精密加工制造發(fā)展水平的一個(gè)重要標(biāo)志。時(shí)柵技術(shù)代表著一種新的位移傳感器技術(shù),由于其制造成本低、精度高等特點(diǎn),已逐漸被科研界、企業(yè)界看好。為了解決極端條件下(大型,中空,強(qiáng)沖擊振動(dòng))回轉(zhuǎn)軸系角度測(cè)量問(wèn)題,衍生出一套寄生式時(shí)柵技術(shù)。本文通過(guò)方法創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新,揭示寄生式時(shí)柵測(cè)量過(guò)程中蘊(yùn)含的測(cè)量誤差,并對(duì)其誤差進(jìn)行分類(lèi)與來(lái)源推導(dǎo),首次將時(shí)柵位移傳感器的系統(tǒng)誤差分為了空間項(xiàng)誤差和時(shí)間項(xiàng)誤差,尋找出了各個(gè)誤差項(xiàng)在感應(yīng)行波信號(hào)中對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。對(duì)行波優(yōu)化方法開(kāi)展了研究,進(jìn)行了方法創(chuàng)新,成功地提出了對(duì)極內(nèi)一次誤差補(bǔ)償算法、對(duì)極內(nèi)二次誤差補(bǔ)償算法和差分校準(zhǔn)算法,針對(duì)上述算法分別展開(kāi)了有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證所提出方法和理論的正確性、有效性和實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它們分別有效地消除了由于漏磁通、繞線不均帶來(lái)的一次誤差,由安裝不均帶來(lái)的安裝誤差以及由于相位非正交和幅度不均帶來(lái)的二次誤差。這大大地改善了寄生式時(shí)柵的誤差分布特性,為后期的自修正工作帶來(lái)了很大的便利。本文的研究?jī)?nèi)容如下:(1)對(duì)寄生式時(shí)柵位移傳感器的誤差進(jìn)行了基于感應(yīng)信號(hào)的理論分析。其誤差包含了對(duì)極內(nèi)一次誤差項(xiàng),對(duì)極內(nèi)二次誤差項(xiàng),對(duì)極內(nèi)的奇數(shù)次誤差項(xiàng)以及整周齒不均誤差項(xiàng)。揭示了其蘊(yùn)含的數(shù)學(xué)含義并對(duì)電行波信號(hào)進(jìn)行建模,建立了電行波信號(hào)與誤差項(xiàng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該研究為后面的行波波形優(yōu)化方法提供了理論基礎(chǔ)。(2)提出了對(duì)極內(nèi)一次誤差消除算法。該算法由對(duì)徑補(bǔ)償算法和三參數(shù)擬合算法組成,有效地減少了由于漏磁通、繞線不均,寄生電容帶來(lái)的對(duì)極內(nèi)的一次諧波誤差。首先研究了一次諧波誤差產(chǎn)生的原因,建立了一次諧波誤差在感應(yīng)信號(hào)中的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)最小二乘法擬合出對(duì)徑位置的行波信號(hào)表達(dá)式。聯(lián)立對(duì)徑位置處的行波信號(hào),并建立狀態(tài)方程,求解出行波信號(hào)中含有的殘留電壓的幅度、相位、偏置三個(gè)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明了該算法的準(zhǔn)確性,有效性與實(shí)用性。(3)提出了對(duì)極內(nèi)二次誤差消除算法。該算法能有效地減少二次誤差項(xiàng)。因?yàn)椴粚?duì)稱(chēng)性的存在,系統(tǒng)不可避免的會(huì)出現(xiàn)幅度不均、相位非正交等情況,這會(huì)導(dǎo)致輸出角度的二次諧波誤差。該算法對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行空間映射,建立一套空間軸與時(shí)間軸的坐標(biāo)系。利用兩軸特性進(jìn)行誤差補(bǔ)償,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,該算法能有效地抑制勵(lì)磁信號(hào)幅度不均導(dǎo)致的二次誤差。(4)提出了解決安裝誤差的校準(zhǔn)算法。通過(guò)對(duì)信號(hào)特征分析(三角函數(shù)的差分結(jié)果為其自身的初相位相移90°),然后構(gòu)造信號(hào)進(jìn)行差分的條件:讓被測(cè)件以低速緩慢移動(dòng),精準(zhǔn)地采樣每個(gè)周期的信號(hào),然后前后周期信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算。以其輸出作為傳感器的理想輸出信號(hào),尋找相距180°的任意兩點(diǎn)并建立特征方程進(jìn)行安裝誤差的修正。理論與實(shí)驗(yàn)表明,該算法不僅有效地消除了由于安裝誤差引起的一次誤差,而且很大程度的抑制誤差中的高頻次諧波成分,部分消除了由于安裝誤差導(dǎo)致的二次誤差。(5)重新設(shè)計(jì)了一套全新的數(shù)字化解算系統(tǒng),該系統(tǒng)具有小型化、集成度高、成本低等特點(diǎn)。對(duì)寄生式時(shí)柵位移傳感器誤差項(xiàng)進(jìn)行分析并尋找到與感應(yīng)信號(hào)的映射關(guān)系,提出了能壓制誤差的補(bǔ)償算法等基礎(chǔ)后,開(kāi)發(fā)了一套完整的數(shù)字化解算系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了一套通用的傳感器解決方法,包括了激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生,感應(yīng)信號(hào)的獲取與預(yù)處理,傳感器角度的實(shí)時(shí)輸出。該軟件集成了本文從提出的所有理論與方法,并已經(jīng)在寄生式時(shí)柵角位移傳感器上開(kāi)始應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP212
【圖文】：

得到國(guó)家自然科學(xué)儀器專(zhuān)項(xiàng)(小儀器)“極端和寄生式時(shí)柵新技術(shù)與方法”和國(guó)家重大科學(xué)儀器密蝸輪副隱含誤差規(guī)律的機(jī)械傳動(dòng)誤差檢測(cè)智能511127001和 51827805)支持。位移傳感器的信號(hào)補(bǔ)償方法研究現(xiàn)狀關(guān)方法法國(guó)人發(fā)現(xiàn)了莫爾條紋圖案。1874 年，物理學(xué)家，揭示了莫爾條紋的科學(xué)與工程價(jià)值，進(jìn)而創(chuàng)立的光柵刻畫(huà)技術(shù)不完善與電子技術(shù)尚處于初期研工作者的認(rèn)可。直到 1950 年，計(jì)量光柵才被應(yīng)用中。20 世紀(jì) 60 年代，Merton-NPL 法與照制作成為了可能，為光柵技術(shù)的應(yīng)用與推廣做

第 1 章 緒論長(zhǎng)度和角度進(jìn)行測(cè)量。這里主要討論計(jì)量光柵。其測(cè)量原理如圖1-1所示，掃光柵和光柵尺形成光柵副。一般，掃描光柵是透明的，用于檢測(cè)信號(hào)；光柵是透明或是反射的，作為測(cè)量的基準(zhǔn)部件固定在運(yùn)動(dòng)件上，隨著掃描光柵一運(yùn)動(dòng)。光源通過(guò)聚焦鏡照射在光柵上，平行光通過(guò)兩個(gè)光柵時(shí)，如果狹縫對(duì)，形成明條紋，如圖 1-2 中的(a)所示[4]；如果兩者錯(cuò)開(kāi) 1/4 的距離，則形成半半暗的圖案，如圖 1-2 中的(c)所示；如果狹縫錯(cuò)位，形成暗條紋如圖(1-2)中(b)所示；經(jīng)過(guò)上述變化過(guò)程，便形成明暗相間的條紋；再經(jīng)光電芯片轉(zhuǎn)化后，輸?shù)碾娦盘?hào)為三角波，如圖 1-3 所示，但實(shí)際上兩個(gè)光柵間總存在一定的間，使得光柵存在間隙、衍射效應(yīng)，再加上刻線邊緣總有一定的毛刺的因素存，造成亮度不均，致使三角波形被削頂或削底，近似輸出為類(lèi)正弦波。通過(guò)正弦波計(jì)數(shù)，或是細(xì)分后再計(jì)數(shù)，達(dá)到位移測(cè)量的目的，光柵測(cè)量的精度主取決于玻璃刻線的密度和正弦波形的質(zhì)量。

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本文編號(hào)：2721926