基于MEMS技术的三相栅式位移传感器关键技术的研究

论文摘要

栅式位移传感器在位移测量中具有广泛的应用,时栅是课题组发明的一种新型栅式位移传感器。经过多年的研究,在圆时栅方面的研究中已取得很大突破。时栅位移传感器具有结构简单、制造工艺简单、抗干扰能力强、智能化程度高、成本低等显著优势,具有良好的市场前景。本课题是圆时栅的一个分支,同时也是重庆市自然科学基金资助项目。在该课题的研究中,本文解决了一些关键技术问题。主要研究内容如下:1.对比分析光栅、感应同步器和时栅的工作原理,并找出它们的共性与区别,为新型栅式位移传感器的研究提供了理论依据。2.对比感应同步器的定转子结构,提出合理的设计方案,设计出新型栅式位移传感器的“盘式”新结构;采用Tanner Pro设计软件对定转子绕组进行设计,结合MEMS微细加工技术并用光刻工艺对定转子进行加工。3.研究并确定适合新型栅式位移传感器所需的激励电源的频率;分析时栅现有的激励电源电路和信号处理电路,并对其进行改进设计,使之为本课题所用。4.对新型栅式位移传感器的实验系统进行设计,研制适合“盘式”新结构的实验装置,并对实验装置进行校准和安装。5.设计实验方案,与高精度圆光栅进行对比实验,分析误差曲线并对其进行处理,完成新型栅式位移传感器的原理性实验;并对产生误差的原因进行详细分析,为进一步提高精度做准备。综上所述,本文在现有时栅和感应同步器的基础上,研究了新型栅式位移传感器。从工作原理、结构设计、加工工艺和信号处理电路等方面进行了详细的论述,解决了新型栅式位移传感器的几个关键问题,完成了新型栅式位移传感器的原理性实验,为时栅提供了一个新的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 本课题的背景、来源及意义
• 1.2 位移传感器的国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 三种栅式位移传感器原理分析
• 2.1 引言
• 2.2 光栅位移传感器的测量原理
• 2.2.1 光栅位移传感器的莫尔条纹
• 2.2.2 光栅的相位调制工作方式
• 2.2.3 光栅的非调制工作方式
• 2.3 感应同步器的测量原理
• 2.3.1 感应同步器的鉴幅工作方式
• 2.3.2 感应同步器的鉴相工作方式
• 2.4 时栅位移传感器的测量原理
• 2.4.1 时空坐标转换理论和时空坐标转换系统
• 2.4.2 场式时栅位移传感器
• 2.5 时栅位移传感器与非调制式光栅及鉴相式感应同步器的比较
• 本章小结
• 3 新型栅式位移传感器的测量原理和结构设计
• 3.1 新型栅式位移传感器测量原理
• 3.1.1 感应同步器感应信号的谐波分析
• 3.1.2 新型栅式位移传感器的感应电势解调与位置检测
• 3.2 新型栅式位移传感器结构设计
• 3.2.1 转子绕组的结构设计
• 3.2.2 定子绕组的结构设计
• 3.2.3 新型栅式位移传感器结构布局的优点
• 3.3 新型栅式位移传感器绕组设计与加工制作
• 3.3.1 绕组设计
• 3.3.2 绕组加工工艺
• 本章小结
• 4 新型栅式位移传感器测量系统的设计
• 4.1 激励电源
• 4.1.1 激励电源频率的选择
• 4.1.2 滤波电路
• 4.1.3 移相电路
• 4.2 信号处理电路
• 4.2.1 信号调理电路
• 4.2.2 数字信号处理电路
• 4.2.3 显示电路
• 4.3 电磁兼容设计
• 4.4 软件设计
• 本章小结
• 5 新型栅式位移传感器的实验研究
• 5.1 新型栅式位移传感器的实验系统
• 5.1.1 实验装置的设计
• 5.1.2 实验装置的安装
• 5.1.3 定子和激励电源的连接方式
• 5.2 实验研究
• 5.2.1 稳定性测试
• 5.2.2 精度实验
• 5.3 数据采样与处理
• 5.3.1 整周随机采样
• 5.3.2 对极内采样与拟合处理
• 5.3.3 整周对极点采样
• 本章小结
• 6 误差分析
• 6.1 三大误差
• 6.1.1 随机误差来源分析
• 6.1.2 系统误差分析
• 6.2 新型栅式位移传感器和时栅的对比
• 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 1 整周随机误差值
• 1°对极内误差值'>2 0°¹°对极内误差值
• 181°对极内误差'>3 180°¹81°对极内误差
• 1°对极内拟合误差值'>4 0°¹°对极内拟合误差值
• 181°对极内拟合误差值'>5 180°¹81°对极内拟合误差值
• 360°整周对极点误差'>6 0°³60°整周对极点误差
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果