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精密機(jī)械系統(tǒng)中的嵌入式E+E時(shí)柵傳感器研究
21世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的總趨勢(shì)是“四化”—柔性化、靈捷化、信息化和智能化,智能化是機(jī)械行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和zui終目標(biāo)。智能機(jī)械的精髓是集成,基于精密機(jī)械系統(tǒng)集成融合所逐步構(gòu)成的集成科學(xué)理論體系,是國(guó)家未來中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃綱要的重大科學(xué)問題之一。檢測(cè)技術(shù)與被測(cè)系統(tǒng)的集成,是智能機(jī)械發(fā)展的根本保證,越是柔性化、智能化程度高的系統(tǒng),越需要集成化的傳感器和機(jī)電產(chǎn)品。

精密機(jī)械系統(tǒng)中的嵌入式E+E時(shí)柵傳感器研究
集成化的實(shí)現(xiàn)主要依靠?jī)煞矫娴募夹g(shù)進(jìn)步：一是傳感器越做越小,例如溫度、振動(dòng)、噪音等傳感器,已經(jīng)能夠做得非常小而不受影響地嵌入到被測(cè)體之中實(shí)現(xiàn)其功能。二是發(fā)展了例如光纖傳感材料、壓電陶瓷等許多自身具有感知和轉(zhuǎn)換功能的新型材料,直接嵌入或粘結(jié)在被測(cè)體內(nèi)部使用。在精密機(jī)械系統(tǒng)中,由于受到工作環(huán)境惡劣和自身結(jié)構(gòu)緊湊的限制,一般的位移傳感器無法直接嵌入到系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量,尤其是精密和超精密的測(cè)量,這就嚴(yán)重制約了機(jī)械系統(tǒng)真正和全面實(shí)現(xiàn)智能化。作者所在課題組研制出了一種以時(shí)間脈沖作為測(cè)量基準(zhǔn)的位移傳感器一時(shí)柵,經(jīng)過十幾年的發(fā)展,磁場(chǎng)式時(shí)柵技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。在此背景下,延續(xù)前期的研究基礎(chǔ),開展了嵌入式時(shí)柵傳感技術(shù)的研究。根據(jù)E+E時(shí)柵傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)尤其是只需機(jī)械等分即可實(shí)現(xiàn)計(jì)量等分的特點(diǎn),將機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件作為傳感器的一部分,實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的“嵌入式位置檢測(cè)”,*打破了同軸安裝獨(dú)立角位移傳感器的傳統(tǒng)模式,其具有體積小、重量輕、不受空間限制等一系列優(yōu)點(diǎn),真正實(shí)現(xiàn)了人們對(duì)將位移測(cè)量嵌入到機(jī)械系統(tǒng)的長(zhǎng)期追求。主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：從測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)空轉(zhuǎn)換理論出發(fā),闡述了嵌入式時(shí)柵位移測(cè)量的關(guān)鍵是構(gòu)建一種勻速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地總結(jié)了實(shí)現(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)的三種方式：機(jī)械運(yùn)動(dòng)、構(gòu)造行波和自然行波。對(duì)比分析了自然行波與構(gòu)造行波的產(chǎn)生機(jī)理、特點(diǎn)以及在位移測(cè)量中的應(yīng)用,對(duì)嵌入式時(shí)柵傳感機(jī)理進(jìn)行了深入研究,提出了嵌入式時(shí)柵電行波形成的新方法。提出了測(cè)頭與轉(zhuǎn)子齒槽的一般對(duì)應(yīng)關(guān)系,設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)形式的嵌入式時(shí)柵角位移傳感器樣機(jī)：雙層繞組式和三層繞組式。進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真驗(yàn)證,分析了這兩種傳感器的工作原理,設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)測(cè)量用的電氣系統(tǒng)包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)和搭建了嵌入式時(shí)柵角位移傳感器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),針對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式的傳感器開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雙層繞組式嵌入式時(shí)柵穩(wěn)定性達(dá)到了0.5",重復(fù)性0.6",測(cè)量精度±2.4"；三層繞組式嵌入式時(shí)柵穩(wěn)定性為0.8",重復(fù)性0.6",測(cè)量精度±3.4"。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)傳感器的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差進(jìn)行了詳細(xì)分析,討論了長(zhǎng)周期誤差和短周期誤差來源以及對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,提出了與傳統(tǒng)方法不同的特殊多測(cè)頭法,大幅度地降低了傳感器的系統(tǒng)誤差。根據(jù)嵌入式時(shí)柵角位移傳感器的結(jié)構(gòu)和誤差特點(diǎn),提出了雙測(cè)頭定角平移法(FAS)和單測(cè)頭測(cè)量位差商法(DQM)兩種自標(biāo)定方法。對(duì)這兩種方法進(jìn)行了理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)建模,并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。zui終結(jié)果表明,采用FAS自標(biāo)定方法zui終精度達(dá)到了±3.5",接近于比較標(biāo)定的精度,采用DQM自標(biāo)定方法zui終精度為±4.4"。為傳感器的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定和精度保持提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。5)將嵌入式E+E時(shí)柵傳感器應(yīng)用到大型轉(zhuǎn)臺(tái)軸承的角位移檢測(cè)上,研制開發(fā)了的帶角位移檢測(cè)系統(tǒng)的大型轉(zhuǎn)臺(tái)軸承YRTM460。詳細(xì)分析了測(cè)量原理、加工方式和測(cè)頭設(shè)計(jì)方法。搭建了測(cè)試平臺(tái),對(duì)YRTM460的基本性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,這種帶檢軸承穩(wěn)定性達(dá)到了0.4",重復(fù)性0.5",zui終精度±3.5"。

精密機(jī)械系統(tǒng)中的嵌入式E+E時(shí)柵傳感器研究
綜上所述,本文在延續(xù)課題組前期E+E時(shí)柵傳感器的研究基礎(chǔ)上,開展了嵌入式時(shí)柵傳感技術(shù)的研究,以時(shí)柵位移傳感器的測(cè)量模型為基礎(chǔ),分析了實(shí)現(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)的三種方式,提出了嵌入式E+E時(shí)柵傳感器電行波的形成方法,研制出了兩種結(jié)構(gòu)形式的嵌入式時(shí)柵角位移傳感器,并開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)合傳感器結(jié)構(gòu)和誤差特點(diǎn),提出了能夠使傳感器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定和精度保持的兩種自標(biāo)定方法。為今后更深入地開展其他形式的嵌入式時(shí)柵傳感技術(shù)的研究提供理論和實(shí)踐研究基礎(chǔ)。