基于虚拟多读数头的位移传感器误差自动校准新方法及其特征参数辨识模型的研究

Due to the characteristic of high measurement precision, strong anti-interference, long operating life, maintenance friendly, low cost, good assembling and so on, the electromagnetic induction typed displacement sensors with multiple-probes and multiple-poles, such as inductosyn, resolver, are widely applied to high precision numerical control machines and military machines which require high reliability.. This project presented a novel auto-calibration method for the electromagnetic induction typed displacement sensors with multiple-probes and multiple-poles, based on virtual multiple-readers to solve the following two key problems: 1. The electromagnetic induction typed displacement sensors realize high precision displacement measurement without precision fabrication and the calibration of higher precision measurement instruments; 2. The electromagnetic induction typed displacement sensors can be corrected automatically to keep high measurement precision under harsh measurement environments where electrical and mechanical parameters of displacement sensors are variable. Technical proposals are to establish an automatic auto-calibration method based on virtual multiple-probes. The multiple-readers with the different error characters are established firstly, whose characteristic parameters of non-relative errors are identified, respectively. And non-relative errors can be corrected. In addition, a novel "duplicating-rotating" method is presented to establish virtual multiple-readers with the similar error characters. The characteristic parameters of relative errors are identified independently to realize relative error correction. Therefore, non-relative errors and relative errors are identified and corrected to realize high precision measurement.

感应同步器、旋转变压器等多测头多对极电磁感应位移传感器，因具有检测精度高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点，广泛应用于高精度的数控机床和军事等可靠性要求高地方。.本申请以多测头多对极电磁感应位移传感器为研究对象，提出一种基于虚拟多读数头的误差自动校准方法。拟解决位移传感器发展面临的两个关键问题：一是在不依靠精密加工和高精度参考母仪校准的条件下如何实现传感器高精度；二是在恶劣使用环境中，在传感器电气、机械参数发生变化条件下如何自适应环境变化、实现现场直接校准而使传感器保持高精度。拟采取的技术方案是：建立基于虚拟多读数头的误差自动校准方法，先构建误差特征互异的多读数头，分别辨识非相关性误差特征参数，实现非相关性误差校准；再用"复制-旋转"构建误差特征相同的虚拟多读数头，独立辨识相关性误差特征参数，实现相关性误差校准。最终辨识/校准非相关性误差和相关性误差，实现传感器高精度。

感应同步器、旋转变压器等多测头多对极电磁感应位移传感器，因具有检测精度高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点，广泛应用于高精度的数控机床和军事等可靠性要求高地方。这些位移传感器的使用和研究中尚存在两个问题亟待解决：一是在不依靠精密加工和高精度参考母仪校准的条件下如何实现传感器高精度；二是在恶劣使用环境中，在传感器电气、机械参数发生变化条件下如何自适应环境变化、实现现场直接校准而使传感器保持高精度。.为解决这两个问题，项目组主要开展了基于虚拟多读数头的位移传感器的误差自校准方法和误差特征参数辨识模型的研究，在研究过程中，项目组又提出了基于等差相位构建多读数头的方法，开展该类传感器误差自校准方法和模型的研究。主要开展了8方面工作：.①研究了用“复制-旋转”构建误差特征一致的虚拟多读数头的方法。.②研究基于正交信号等差相位构建传感器误差特征一致的多读数头的理论和方法,该方法不同于虚拟多读数头。.③研究了基于虚拟多读数头的多位置多传感器多读数头误差自动校准的理论和方法，建立了误差自动校准理论和方法。.④研究了基于虚拟多读头的传感器误差特征参数的辨识模型和最优化算法。.⑤研究了整合对极内位移为整周位移的绝对位移数据融合算法。.⑥研究了函数误差、幅值误差、正交误差、两相输出互耦误差、激励信号耦合误差、两相输出相移误差、倾斜误差、偏心误差等对误差校准的影响。.⑦研究了基于等差相位构建误差特征一致的多读数头的传感器误差自校准方法和模型，提出了将位移解算器、误差参数辨识与修正三者协同实现传感器误差自校准的方法。.⑧通过仿真和实验，优化了基于等差相位构建多读数头的自校准模型和信号处理方案。.通过该项目的研究，形成了位移传感器误差自校准的方法和误差特征参数的辨识模型、辨识算法，实现了在线自校准传感器误差，传感器精度提高到±0.5″，该项目的成果应用到与哈尔滨量具集团的产品开发中。