磁栅绝对直线位移传感器的研究

论文摘要

目前的直线位移传感器中,低成本、结构简单的磁栅位移传感器越来越被广泛应用。而我国磁栅位移传感研究技术较之国外有很大差距,而且主要以相对位移测量为主。随着我国控制工业的发展,市场对绝对直线位移测量的需求加大,急需要展开对磁栅位移传感器测量精度和绝对式测量方面的研究。相对位移传感器一般是通过脉冲记数对多个周期进行测量,它有两个缺点:一是每次测量都得从起始位置开始,需要上电调零;二是不具备掉电保持功能。针对这些问题本文提出一种二进制连续位移编码,采用这种编码对多个正弦周期进行标识,让处理软件识别每一个周期,从而进行绝对位移测量。通过开关霍尔可以把这种二进制编码转换成磁极的排列,实现起来很方便。传统磁栅位移传感器采用线圈和录磁结构,信号发生和处理非常复杂。为了简化硬件结构,本文采用磁钢列和磁敏霍尔元件组合,通过霍尔在磁钢上移动产生正弦信号。同时用单片机作为信号处理的核心,大大减少外接信号处理元件。在信号处理上采用基于校准查表的信号处理方式。在离线状态下,用高分辨力的光栅对磁栅进行校准:对光栅的输出和磁栅的三相信号同时采样并上传到计算机,得到标准位移和正弦电压信号对应关系并存于主控芯片中以供查表。实际工作状态中,分区间根据正弦信号查表得到位移。同时采用差分放大、移动平均滤波等对原始信号进行处理。为了确保原始信号的质量,本文还用ANSYS软件进行了大量的磁场分析来确定磁钢之间及磁钢和霍尔的位置关系。实验测量结果表明:本设计实现了全量程2048mm内的绝对位移测量;通过与高精度RENISHAW光栅(分辨力0.5μm)相比,磁栅分辨力达到了0.75μm;磁栅位移传感器的体积小、总体结构简单、成本低。为了实现传感器的微型化,本文在两列磁钢设计的基础上提出单列磁钢设计方案。在航空航天、机器人等特殊领域具有重要的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 光栅位移传感器
• 1.3 磁栅位移传感器
• 1.3.1 传统的磁栅直线位移传感器
• 1.3.2 新型磁栅位移传感器
• 1.4 国内外位移传感器发展状况
• 1.5 本课题的研究内容和意义
• 第2章 单磁场周期内绝对位移测量
• 2.1 查表算法原理
• 2.2 霍尔输出信号处理
• 2.3 本章小结
• 第3章 多磁场周期连续位移编码
• 3.1 绝对直线位移测量原理
• 3.2 连续位移编码
• 3.2.1 连续位移编码
• 3.2.2 连续位移编码定理
• 3.2.3 编码序列求解
• 3.3 连续位移编码的实现
• 3.3.1 编码霍尔排列
• 3.3.2 编码磁钢排列
• 3.4 本章小结
• 第4章 磁栅绝对直线位移传感器设计
• 4.1 μPD70F3454 单片机介绍
• 4.1.1 A/D转换口
• 4.1.2 串行通信口
• 4.2 信号发生电路
• 4.2.1 查表列磁场分析
• 4.2.2 编码列磁场分析
• 4.2.3 两列磁钢的位置关系
• 4.3 信号处理部分
• 4.3.1 查表信号处理
• 4.3.2 编码信号处理
• 4.4 软件设计
• 4.5 外接存储芯片
• 4.6 显示部分
• 4.7 精度分析
• 4.8 磁栅绝对直线位移传感器
• 4.9 本章小结
• 第5章 磁栅位移传感器的微型化研究
• 5.1 单排磁钢设计原理
• 5.2 单列磁栅设计方案一
• 5.3 单列磁栅设计方案二
• 5.3.1 查表曲线
• 5.3.2 霍尔及磁钢排列
• 5.3.3 查表过程
• 5.3.4 位移计算
• 5.4 四位编码位移测量
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢