基于交变光场差极耦合的单码道绝对式角位移测量新方法研究

Aiming at the problems of traditional high resolution and high precision absolute optical encoder, such as complex processing technology, high manufacturing cost, espetially the problem of the miniaturization and high precision compatibility, a single-ring structure and a new method of absolute angle encoding with time measurement is proposed in this project. Two key issues will be solved in this project. One is the innovation of absolute angle sensing principle. Using the method of alternating light field coupling of difference pole, a highly stable motion light field of differential pole is constructed and the goal of measuring the absolute angle with high resolution and high precision clock pulse achieved. The restriction of the miniaturization of high precision absolute encoders with ultra precision machining and complex coding method is broken out in principle. Another is the innovation of the the sensing mode of the absolute encoder. A single-ring structure, which is measured simultaneously by a coarse code and a fine code, is constructed by using a three state light transmission surface. Compared with the multi-ring structure, this single-ring structure solves the problem that the size of the code disk is difficult to be miniaturized and the processing and installation are difficult. By establishing a complete set of new absolute angle measurement theory system, a new high-precision and miniaturized absolute displacement measurement method and core technology system based on time measurement is formed. A prototype of absolute angular displacement sensor with high resolution, high precision and miniaturization will be developed, which can reach the international leading level.

针对传统高分辨率、高精度绝对式光电编码器存在加工工艺复杂、制造成本高，尤其是难以兼顾小型化与高精度的问题，本项目提出一种单码道结构形式，以及用时间量对绝对式角度进行编码的新方法。拟解决两个关键问题：一是创新绝对式角度传感原理，用交变光场差极耦合的方法，构建高稳定的差极运动光场，实现用高分辨率、高精度的时钟脉冲对绝对角度进行测量的目标，从原理上突破超精密加工和复杂编码方法对高精度绝对式编码器小型化的制约；二是创新绝对式编码器的传感方式，采用三态透光面构造一种粗码和精码同时测量的单码道结构形式，解决多码道结构造成码盘尺寸大难以小型化，以及加工和安装困难的问题。通过建立一套完整的新型绝对式角度测量理论体系，形成基于时间量测量的小型化、高精度绝对式角位移测量新方法和核心技术体系。拟研制出一种真正兼顾高分辨率、高精度测量和小型化的绝对式角位移传感器样机，达到国际领先水平。

本项目针对传统角位移测量中存在小体积与高精度测量不可调和的矛盾，尤其是绝对式角位移测量更加难以实现小体积高精度测量的问题，提出一种差频交变光场耦合的单码道绝对式位移测量方法。重点开展了3方面的研究工作，其一，研究了一种用单交变光场合成电行波信号的角位移测量方法，避免因多光场场强不一致对测量精度的影响，同时，在光学领域实现整周封闭的角位移测量方法和理论研究；其二，研究了差频调制的单码道绝对式位移测量方法，一方面发挥单光场构造电行波信号容易实现紧凑型结构设计的特点，另一方面开展单码道绝对位移与增量位移同时测量的创新性研究；其三，建立了基于差极调制的单码道绝对式位移测量系统的误差模型，结合理论分析和大量仿真分析了测试系统的误差规律，并在此基础上提出一系列优化方案，研制了单码道绝对式角位移传感器原理样机。在项目研制过程中，分别研制了单光场整周封闭的角位移传感器原理样机，以及多种光电接收方式的单码道绝对式角位移传感器原理样机。结果表明，所研制的码盘直径为50mm，对极数为74和75对极的单码道绝对式角度位移传感器，实现了任意360°绝对值测量，以及整周范围内±45″的测量精度与1″的分辨率，验证了单码道绝对式角位移测量的可行性；详细分析了测量误差的产生原因以及优化方案，为后续传感器性能提升打下扎实的理论和实践基础。进一步，通过项目后期工程化应用研究，将有助于解决高精度绝对式角位移测量与小体积之间的矛盾问题，具有较大的科学意义和应用价值。