精密机械系统中的嵌入式E+E时栅传感器研究
21世纪机械制造业发展的总趋势是“四化”—柔性化、灵捷化、信息化和智能化,智能化是机械行业发展的趋势和zui终目标。智能机械的精髓是集成,基于精密机械系统集成融合所逐步构成的集成科学理论体系,是国家未来中长期发展规划纲要的重大科学问题之一。检测技术与被测系统的集成,是智能机械发展的根本保证,越是柔性化、智能化程度高的系统,越需要集成化的传感器和机电产品。

精密机械系统中的嵌入式E+E时栅传感器研究
集成化的实现主要依靠两方面的技术进步：一是传感器越做越小,例如温度、振动、噪音等传感器,已经能够做得非常小而不受影响地嵌入到被测体之中实现其功能。二是发展了例如光纤传感材料、压电陶瓷等许多自身具有感知和转换功能的新型材料,直接嵌入或粘结在被测体内部使用。在精密机械系统中,由于受到工作环境恶劣和自身结构紧凑的限制,一般的位移传感器无法直接嵌入到系统内部进行测量,尤其是精密和超精密的测量,这就严重制约了机械系统真正和全面实现智能化。作者所在课题组研制出了一种以时间脉冲作为测量基准的位移传感器一时栅,经过十几年的发展,磁场式时栅技术已经逐渐成熟。在此背景下,延续前期的研究基础,开展了嵌入式时栅传感技术的研究。根据E+E时栅传感器结构特点尤其是只需机械等分即可实现计量等分的特点,将机械系统的运动部件作为传感器的一部分,实现机械系统的“嵌入式位置检测”,*打破了同轴安装独立角位移传感器的传统模式,其具有体积小、重量轻、不受空间限制等一系列优点,真正实现了人们对将位移测量嵌入到机械系统的长期追求。主要研究内容和创新点如下：从测量基准时空转换理论出发,阐述了嵌入式时栅位移测量的关键是构建一种匀速运动的坐标系。在此基础上,系统地总结了实现匀速运动的三种方式：机械运动、构造行波和自然行波。对比分析了自然行波与构造行波的产生机理、特点以及在位移测量中的应用,对嵌入式时栅传感机理进行了深入研究,提出了嵌入式时栅电行波形成的新方法。提出了测头与转子齿槽的一般对应关系,设计了两种结构形式的嵌入式时栅角位移传感器样机：双层绕组式和三层绕组式。进行了电磁场仿真验证,分析了这两种传感器的工作原理,设计了实现测量用的电气系统包括硬件电路设计和软件设计。设计和搭建了嵌入式时栅角位移传感器的实验系统,针对两种结构形式的传感器开展了大量的实验研究。实验结果表明,双层绕组式嵌入式时栅稳定性达到了0.5",重复性0.6",测量精度±2.4"；三层绕组式嵌入式时栅稳定性为0.8",重复性0.6",测量精度±3.4"。根据实验结果对传感器的系统误差和随机误差进行了详细分析,讨论了长周期误差和短周期误差来源以及对测量结果的影响,提出了与传统方法不同的特殊多测头法,大幅度地降低了传感器的系统误差。根据嵌入式时栅角位移传感器的结构和误差特点,提出了双测头定角平移法(FAS)和单测头测量位差商法(DQM)两种自标定方法。对这两种方法进行了理论推导和数学建模,并进行了相应的实验研究。zui终结果表明,采用FAS自标定方法zui终精度达到了±3.5",接近于比较标定的精度,采用DQM自标定方法zui终精度为±4.4"。为传感器的实现现场标定和精度保持提供了理论和实践依据。5)将嵌入式E+E时栅传感器应用到大型转台轴承的角位移检测上,研制开发了的带角位移检测系统的大型转台轴承YRTM460。详细分析了测量原理、加工方式和测头设计方法。搭建了测试平台,对YRTM460的基本性能指标进行了测试,测试结果表明,这种带检轴承稳定性达到了0.4",重复性0.5",zui终精度±3.5"。

精密机械系统中的嵌入式E+E时栅传感器研究
综上所述,本文在延续课题组前期E+E时栅传感器的研究基础上,开展了嵌入式时栅传感技术的研究,以时栅位移传感器的测量模型为基础,分析了实现匀速运动的三种方式,提出了嵌入式E+E时栅传感器电行波的形成方法,研制出了两种结构形式的嵌入式时栅角位移传感器,并开展了大量的实验研究。结合传感器结构和误差特点,提出了能够使传感器实现现场标定和精度保持的两种自标定方法。为今后更深入地开展其他形式的嵌入式时栅传感技术的研究提供理论和实践研究基础。