时栅的波动方程分析与行波形成新方法的研究与实验

论文摘要

基于“时空坐标转换理论”的时栅位移传感器是一种新型角位移传感器。其原理中的“以时间测空间”的概念,突破了传统的栅式位移测量的概念,与传统栅式传感器相比,具有许多显著优点。场式时栅位移传感器获得了有目共睹的成绩,在各个领域都取得了重要突破,经过不断的努力逐步走向产业化的道路。在产业化过程中逐渐凸现出了某些问题:所采用的旋转磁场是基于传统交流电机的定子绕组而得到的。电机作为动力装置,对绕组均分性要求不高,而场式时栅位移传感器虽然比光栅的加工精度要求低得多,但作为精密检测元件仍然具有一定的精度指标。传感器的精度取决于旋转磁场的匀速性,而匀速性又严重依靠定子绕线槽的均匀性,也即绕线槽的精度。为了保证感应信号的质量,精密的绕线工艺和加工工艺是非常必要的,这样导致了旋转磁场部分占用了整个传感器的大部分成本,这都成为时栅产业化道路上的一道无形的障碍。为此拟寻求一种更好的方法,进一步降低时栅位移传感器对精密机械加工的依赖和成本。基于此,作者在对时栅位移传感器的波动方程进行深入的分析的基础之上,提出了一种直接由时空驻波形成时间行波的新方法。该方法有别于原有时栅位移传感器中刻意设计匀速运动的空间行波作为时空坐标转换理论中的带时间考查点的匀速运动坐标系,再通过电磁耦合得到时间行波,从而实现从空间行波到时间行波的转换,以达到“以时间测空间”的做法。该方法有利于简化时栅位移传感器的结构和加工工艺,降低生产成本。在此理论基础上,提出了光电式行波形成法和磁阻式行波形成法两套设计方案。并开展了大量的实验研究。本文的主要研究内容和创新工作总结如下:(1)基于波动方程的观点,首次将行波区分为“空间行波”和“时间行波”,并从概念上明确前者是人们熟知的一个空间波形在位移x轴上的前进和后退,而后者是一个时间变化量在时间t轴上的超前和滞后。从而使时栅位移传感器中的“时空观”更加形象。(2)首次提出了磁行波是空间行波和电行波是时间行波的概念。从两种行波的变换原理揭示了原有的时栅位移传感器都是采用从空间行波到时间行波的转换来达到用时间测空间的最终目的,同时也启发并提出了直接形成时间行波的创新思想。(3)提出了由时空驻波直接形成时间行波的思想,并从数学意义上分析了驻波形成行波的条件。在此基础之上,提出了融合多种栅式位移传感器设计思想的光电

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 位移测量技术的现状与发展趋势
• 1.4 本课题的背景、来源和意义
• 1.5 主要研究内容
• 2 栅式位移传感器和时栅位移传感器
• 2.1 引言
• 2.2 栅式位移传感器
• 2.2.1 磁栅传感器
• 2.2.2 感应同步器
• 2.2.3 光栅传感器
• 2.2.4 容栅传感器
• 2.3 时栅位移传感器
• 2.3.1 时空坐标转换思想
• 2.3.2 时栅工作原理
• 2.4 小结
• 3 时栅的波动方程分析与行波形成新方法
• 3.1 引言
• 3.2 波动方程
• 3.2.1 波的概述
• 3.2.2 简谐波
• 3.2.3 驻波
• 3.3 时栅波动方程分析
• 3.3.1 时栅的旋转磁场
• 3.3.2 波动磁场与波动电场
• 3.3.3 空间行波与时间行波
• 3.3.4 时栅中的行波
• 3.4 行波形成新方法
• 3.4.1 驻波到行波的转换
• 3.4.2 行波形成新方法
• 3.5 小结
• 4 光电式行波形成法实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验系统设计
• 4.3 硬件电路设计
• 4.3.1 时间信号模块
• 4.3.2 行波形成模块
• 4.3.3 比相模块
• 4.3.4 数据处理与显示模块
• 4.3.5 电机驱动模块
• 4.3.6 电磁兼容设计
• 4.4 软件设计
• 4.4.1 主体软件
• 4.4.2 MPU 软件
• 4.5 实验结果
• 4.6 误差分析
• 4.6.1 光栅信号误差
• 4.6.2 时间信号误差
• 4.6.3 量化误差
• 4.6.4 随机误差
• 4.7 稳定性算法
• 4.8 误差处理
• 4.8.1 误差补偿技术
• 4.8.2 误差补偿与修正
• 4.8.3 最终实验精度
• 4.9 小结
• 5 磁阻式行波形成法实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统设计
• 5.3 实验结果
• 5.4 误差分析与处理
• 5.4.1 多读数头平均原理
• 5.4.2 误差分析
• 5.4.3 误差修正
• 5.5 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目