基于平面驻波磁场的二维时栅位移检测新方法和技术

Current planar two-dimensional displacement measurement system utilizes a pair of linear encoder in crossed construction and so maintaining the perpendicularity between this pair of encoder is difficult. High-cost planar grating has complex structure. Both planar grating and Capacitive displacement sensor has poor ability to resist impact and vibration. This application presents a new method for planar two–dimensional displacement measurement based on the principle of electromagnetic. Firstly, study the distribution of magnetic-field caused by planar current-carrying coil, then build ideal planar standing-wave magnetic-field containing two-dimensional position information. The magnetic-field of different position is induced by induction coil, and converted to electrical signal. In the end, process the electrical signal as the displacement of two dimension. Analyze the sensing mechanism for planar displacement measurement, the technology of planar standing-wave building, and present feasible project. Therefore, the new method employs the magnetic-field instead of light-field and electric field, enhances the capacity of resisting disturbance, improve the measurement accuracy through the ideal standing-wave magnetic-field.

针对目前平面二维测量系统中，垂直安装一对直线位移传感器存在垂直度难以保证、阿贝误差影响测量精度的问题，二维光栅测量系统存在结构复杂、成本高，抗冲击振动能力差的问题，二维容栅测量系统存在抗干扰能力差的问题，提出一种基于电磁感应原理的平面二维位移检测新方法。首先，通过研究平面载流线圈的空间磁场分布特征，人为构造包含有平面二维位置信息的理想平面驻波磁场，然后，利用电磁感应原理将感应线圈在不同位置处获取的磁信号转化为电信号，最后，将感应线圈获取的电信号处理得到平面二维位移量。详细分析了平面二维位移传感机理、理想平面驻波磁场的建立等关键技术问题，并结合前期研究基础，分别给出了切实可行的技术方案。试图采用磁场代替光场或电场作为传感媒介，提高传感器的抗干扰能力，通过人为构造理想平面驻波磁场方式提高传感器的测量精度，实现一种强抗干扰能力、高精度的平面二维时栅位移传感检测方法。

针对目前平面二维位移测量系统中存在的问题，诸如垂直安装一对直线位移传感器时垂直度难以保证、阿贝误差影响测量精度，二维光栅结构复杂、加工制造成本高、抗冲击振动能力差，二维容栅抗干扰能力差等，提出基于平面驻波磁场和基于双行正交行波磁场的两种二维时栅位移测量方法。主要研究内容有：①平面二维位移传感机理研究。类比一维时栅时空波动方程，研究两维度位置信息在时空中的调制与解调过程，建立位移传感数学模型；类比金字塔搭建方法，建立基于平面线圈阵列的二维时栅物理模型，分别称之为X*Y型和X+Y型。②二维位移解算方法研究。针对两种类型位移信号特征，研究位移信息在信号中的解调与解耦方法，分别建立基于角度旋转迭代计算的位移解算方法和基于高频时钟脉冲插补的位移解算方法。③载流线圈参数优化方法研究。根据平面载流线圈特征参数与空间磁场分布映射关系，以节距内驻波磁场强度分布的谐波畸变率最小为目标，采用非线性规划遗传算法对线圈特征参数进行优化，并与枚举法比较。结果表明，优化时间缩短为0.32%，优化效果提高50%。④实验研究。采用PCB工艺试制传感器样机，设计开发信号处理电路及上下位机软件，搭建平台开展实验研究。X*Y型传感器测量范围为156mm*166mm，测量分辨率为0.1um；X+Y型传感器测量范围为160mm*160mm，测量分辨率为0.1um。修正后传感器测量精度可达到2.5um。. 本项目采用磁场作为传感媒介，首先在测量范围内预置特征参数磁场（平面驻波磁场或双行正交行波磁场），随后感应线圈利用电磁感应原理输出电信号，通过运算获取两维度位移值。采用空间磁场和时栅技术实现二维测量是对现有二维位移测量方法的有力补充。同时，通过本项研究可扩展时栅位移传感技术在平面二维位移测量领域的应用，进一步推动时栅位移传感技术的发展。