多参数关联传感的高分辨力位移测量新方法研究

A new sensing method for high resolution displacement measurement based on coaction of associated multiple parameters is proposed, in order to resolve the limitation in grating fabrication of current displacement sensors. The method is developed with the basis of time grating sensing technologies. A mathematical model of high resolution displacement measurement is firstly built by making higher-order wave equations of time grating with the introduction of trigonometric transforms. The displacement will have relations at the same time with multiple associated electromagnetic parameters (e.g., coil turns, current intensity, flux area and magnetic path length) which are in the 3rd space vertical to the plane of the displacement to be measured, so the physical model of this method is constructed by the coaction of all parameters abovementioned. At last, a prototype of time grating sensor using this method will be developed to perform higher resolution measurement and output better quality of sensor signals than before with the same grating pitch size. The highlight of this method is that it’s a new and easy way to improve resolution from the signal source by full use of the parameters which are designed to be constant in the sensor rather than reducing grating pitch size, and it’s also suitable for other grating sensors.

针对现有栅式位移传感器分辨力受限于空间分布的问题，提出一种多参数关联传感的高分辨力位移测量新方法。该方法以时栅传感技术为基础，在时栅位移测量的机理研究中，通过引入三角变换建立高阶时栅波动方程，得到实现高分辨力位移测量的数学模型；将被测位移变化同时反映到平行分布在与测量面垂直的第三维空间内的多个关联电磁参数（如线圈匝数、电流强度、有效磁通面积、磁路长度等）上，再通过上述具有特定空间分布的关联参数协同约束传感过程，得到实现高分辨力位移测量的物理模型；拟研制高分辨力时栅传感器样机，实现在原有测量面二维空间栅距密度不变的条件下位移测量分辨力的大幅提升，同时提高输出信号的质量。创新之处在于：方法不通过减小空间栅距，而是通过引导现有位移测量中已经存在却尽力控制使其保持不变的多个参数同时参与传感过程，达到提升分辨力的目的，易于实现，是一种在信号产生源头提高分辨力的位移测量新方法，也适用于其它同类传感器。

分辨力是衡量传感器性能最重要的指标之一，提高位移测量的分辨力一直是高精度位移传感器发展的一个主要方向。针对现有栅式位移传感器分辨力受限于空间分布的问题，以时栅传感技术为基础，提出了一种不依赖空间精密刻划，而是通过多个电磁参数（如线圈匝数、电流强度、有效磁通面积、磁路长度等）关联传感提高分辨力的位移测量新方法。研究了时栅的位移测量机理，通过引入三角变换建立高阶波动方程，将被测位移变化同时反映到平行分布在与测量面垂直的第三维空间内的多个关联电磁参数上，构建了多参数关联传感的位移测量数学模型；根据数学模型中电磁耦合载体的特征，研究了不同数学模型下时间与空间耦合和解耦的物理模型；针对不同的物理模型，利用有限元分析软件进行了仿真验证，并根据仿真模型研制了传感器样机，搭建精密实验平台开展了相关实验研究。实验结果表明，研制的直线式时栅位移传感器样机经过标定和补偿后，与MX80线性测量系统的测量值进行比对，在200mm的测量范围内，精度优于±500nm，分辨力优于10nm；研制的时栅角位移传感器样机经过标定和补偿后，与DFT-360多齿分度盘的测量值进行比对，在整周范围内，精度优于0.7″，分辨力优于0.02″。与现有位移传感器相比，上述传感器样机能够在激励线圈和感应线圈空间极距不变的情况下，将位移测量的分辨力从信号源头提高，且传感器结构简单、极易实现，特别适用于环境恶劣的工业现场。研究为低成本下的高精度时栅位移传感器的设计和研制提供了可靠的理论依据，同时，该方法也适用于其他同类传感器。