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時柵E+E位移傳感器的理論模型與誤差分析
位移測量技術(shù)及器件是實現(xiàn)精度定位與控制的"眼睛",針對現(xiàn)有的位移測量方法在大量程和高精度之間難以兼顧的現(xiàn)狀,提出一種基于交變電場的駐波合成電行波的新方法,研究一種新型的時柵E+E位移傳感器。對時柵的工作原理進行了詳細分析,構(gòu)建了一個受4路位移信息調(diào)制的行波表達式,通過對表達式的理論推導,分析了2路駐波幅值不相等、單路駐波正負幅值不相等以及駐波中包含高次諧波分量等因素導致的誤差規(guī)律。

時柵E+E位移傳感器的理論模型與誤差分析
為更有效地識別時柵角E+E位移傳感器誤差的主要來源,根據(jù)時柵誤差特性,提出一種基于時柵E+E位移傳感器誤差分析方法。應(yīng)用該方法結(jié)合時柵物理結(jié)構(gòu)和實驗數(shù)據(jù)分析誤差特性,將誤差分為6類:量化噪聲、角度隨機游走、速率隨機游走、速率斜坡、零偏不穩(wěn)定性以及正弦噪聲,并構(gòu)建時柵誤差辨識模型。運用所構(gòu)建的誤差辨識模型對時柵的數(shù)據(jù)進行分析,得到6類誤差的特征系數(shù),從而確定時柵誤差的主要來源。實驗研究結(jié)果表明該方法能較直接地反映時柵誤差特點及主要誤差來源,為提高時柵誤差補償和動態(tài)濾波精度奠定了基礎(chǔ)。設(shè)計了一種基于單片的時柵E+E位移傳感器信號處理系統(tǒng),將驅(qū)動電源、信號采樣以及數(shù)據(jù)處理與誤差補償集成在一片芯片中完成,采用數(shù)字頻率直接合成(DDS)技術(shù)進行激勵源的設(shè)計,利用輸入捕獲方式進行高頻時鐘脈沖插補來采集測量信號,由芯片集成的單周期DSP指令部件完成數(shù)據(jù)計算,并采用傅氏級數(shù)諧波修正技術(shù)來進行誤差修正。實驗表明:采用該系統(tǒng)后,72對極時柵誤差峰峰值為3.29″,在保證精度的同時實現(xiàn)了時柵信號處理系統(tǒng)的集成化、小型化,降低了生產(chǎn)成本。為解決時柵角E+E位移傳感器在實際應(yīng)用中的在線標定問題,提出了一種定角平移自標定方法并設(shè)計了相應(yīng)的自標定系統(tǒng)。該方法首先把圓周封閉的自然基準轉(zhuǎn)換成定角基準,在時柵內(nèi)部建立了自標定基準。然后,根據(jù)傅里葉級數(shù)的性質(zhì),將定角基準平移到傅里葉變換的幅值和相位中,建立了測量值之差與誤差之差的函數(shù)關(guān)系。通過對測量值之差進行傅里葉分析,重構(gòu)了時柵角E+E位移傳感器的誤差函數(shù)。zui后,討論了影響自標定精度的誤差來源,并設(shè)計了傳感器的零點糾錯算法。為了檢驗自標定效果,利用激光干涉儀實驗裝置與自標定系統(tǒng)進行了對比試驗。

時柵E+E位移傳感器的理論模型與誤差分析
結(jié)果表明:定角平移自標定精度為1.9″,與理論計算的自標定誤差(1.5±0.5)″的結(jié)論相符。提出的自標定方法在解決時柵自身標定基準的同時,滿足了精密測量領(lǐng)域?qū)r柵精度和可靠性的要求。在此基礎(chǔ)上開展了大量驗證性實驗,結(jié)果證明了理論分析的正確性。根據(jù)理論分析和實驗結(jié)果,明確了時柵一次、二次和四次誤差的產(chǎn)生原因,據(jù)此對傳感結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計,zui終在200 mm測量范圍內(nèi)精度達到±300 nm。