时栅阵列传感位移测量方法研究

The contradiction between measurement range and resolution in precision displacement measurement is difficult to meet the needs of the development of cross-scale nanometrology. This application proposed a method for measuring the displacement by using Time-grating array. This method can improve the sensing performance and achieve nanometer measurement by increasing the density measurement information. A time varied magnetic field is constructed under the precise constraints of the exciting array. Space is marked by multi-dimensional time information. And this information is picked by sensing array to form a matrix encoding. The advantage of this method is to improve the resolution and realize absolute measurement and self-calibration. It increases resolution not by reducing the pitch but by increasing the information density. So nanometer resolution can be achieved in the macro-scale structure in this method. It guarantees the accuracy not by the ultra-precision machining equipment, but by self-calibration in the field. It is expected to achieve sub-micron accuracy under ordinary conditions of precision machining.

精密位移测量中存在测量范围与测量精度和分辨力相互矛盾的问题，难以满足跨尺度纳米测量发展的需求。本申请在前期研究的时栅传感技术基础上，提出一种时栅阵列传感的位移测量方法，通过增加测量信息密度，提升传感性能，实现纳米测量。通过激励阵列的精确约束在三维空间构造时变波动磁场，形成对空间位置的多维度时间标记，再通过合理布置感应阵列拾取时间信息，形成矩阵编码。该方法的特点是：测量信息密度的增加在提高分辨力的同时使数字算法的优势得以体现，可实现时栅传感的绝对测量和现场自标定。该方法的创新之处在于：不是通过减小栅距和电子细分来实现分辨力的提高，而是通过提高信息密度来实现分辨力的提高，可在宏观尺度结构下实现纳米分辨；不是通过超精密加工设备来保障精度，而是通过自标定在现场来“复制”精度，有望在普通精密机械加工条件下实现亚微米精度。

时栅阵列传感位移测量方法的研究，在原有时栅传感技术的基础上引入了阵列概念，项目通过对时栅阵列构造机理和时栅阵列传感特性两个方面内容的研究，初步建立了时栅阵列传感的基础理论。.项目的研究揭示了长直形、矩形、圆形三种典型阵元激励下多种典型时栅传感单元阵列组合形成的波动磁场的时变行为，阐明了时栅阵列形成的时变波动磁场中存在的类多普勒频差、构造速度等效和定距关联等传感特性。在此基础上，根据不同场合、不同功能和不同性能要求，通过对传感单元各种形式的阵列及其组合建立了一系列时栅阵列位移测量模型。包括：基于双柱面组合时变磁场约束的角度测量自标定模型，基于单柱面时变磁场磁导复合调制的绝对角度测量模型，基于双平面组合时变磁场约束的绝对直线位移测量模型，以及基于平面复合时变磁场约束的平面二维位移测量模型等。传感单元的阵列有效的提高了传感过程中的信息密度，实现了大极距结构条件下的纳米分辨；阵列的组合增强了传感单元间信息的关联度，实现了普通机械加工条件下的亚微米级精密测量。.项目的研究为时栅传感器在特殊极端尺寸下的嵌入式测量、低成本高精度测量以及多维测量等方面的提供了理论基础，丰富了时栅传感的学术思想，拓展了时栅技术的应用范围。有望为解决我国能源、制造、国防军工等领域精密位移测量问题的提供一项拥有完全自主知识产权的关键技术。