时栅E+E位移传感器的理论模型与误差分析
位移测量技术及器件是实现精度定位与控制的"眼睛",针对现有的位移测量方法在大量程和高精度之间难以兼顾的现状,提出一种基于交变电场的驻波合成电行波的新方法,研究一种新型的时栅E+E位移传感器。对时栅的工作原理进行了详细分析,构建了一个受4路位移信息调制的行波表达式,通过对表达式的理论推导,分析了2路驻波幅值不相等、单路驻波正负幅值不相等以及驻波中包含高次谐波分量等因素导致的误差规律。

时栅E+E位移传感器的理论模型与误差分析
为更有效地识别时栅角E+E位移传感器误差的主要来源,根据时栅误差特性,提出一种基于时栅E+E位移传感器误差分析方法。应用该方法结合时栅物理结构和实验数据分析误差特性,将误差分为6类:量化噪声、角度随机游走、速率随机游走、速率斜坡、零偏不稳定性以及正弦噪声,并构建时栅误差辨识模型。运用所构建的误差辨识模型对时栅的数据进行分析,得到6类误差的特征系数,从而确定时栅误差的主要来源。实验研究结果表明该方法能较直接地反映时栅误差特点及主要误差来源,为提高时栅误差补偿和动态滤波精度奠定了基础。设计了一种基于单片的时栅E+E位移传感器信号处理系统,将驱动电源、信号采样以及数据处理与误差补偿集成在一片芯片中完成,采用数字频率直接合成(DDS)技术进行激励源的设计,利用输入捕获方式进行高频时钟脉冲插补来采集测量信号,由芯片集成的单周期DSP指令部件完成数据计算,并采用傅氏级数谐波修正技术来进行误差修正。实验表明:采用该系统后,72对极时栅误差峰峰值为3.29″,在保证精度的同时实现了时栅信号处理系统的集成化、小型化,降低了生产成本。为解决时栅角E+E位移传感器在实际应用中的在线标定问题,提出了一种定角平移自标定方法并设计了相应的自标定系统。该方法首先把圆周封闭的自然基准转换成定角基准,在时栅内部建立了自标定基准。然后,根据傅里叶级数的性质,将定角基准平移到傅里叶变换的幅值和相位中,建立了测量值之差与误差之差的函数关系。通过对测量值之差进行傅里叶分析,重构了时栅角E+E位移传感器的误差函数。zui后,讨论了影响自标定精度的误差来源,并设计了传感器的零点纠错算法。为了检验自标定效果,利用激光干涉仪实验装置与自标定系统进行了对比试验。

时栅E+E位移传感器的理论模型与误差分析
结果表明:定角平移自标定精度为1.9″,与理论计算的自标定误差(1.5±0.5)″的结论相符。提出的自标定方法在解决时栅自身标定基准的同时,满足了精密测量领域对时栅精度和可靠性的要求。在此基础上开展了大量验证性实验,结果证明了理论分析的正确性。根据理论分析和实验结果,明确了时栅一次、二次和四次误差的产生原因,据此对传感结构和参数进行了优化设计,zui终在200 mm测量范围内精度达到±300 nm。