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時柵E+E位移傳感器的理論模型與誤差分析
位移測量技術(shù)及器件是實現(xiàn)精度定位與控制的"眼睛",針對現(xiàn)有的位移測量方法在大量程和高精度之間難以兼顧的現(xiàn)狀,提出一種基于交變電場的駐波合成電行波的新方法,研究一種新型的時柵E+E位移傳感器。對時柵的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析,構(gòu)建了一個受4路位移信息調(diào)制的行波表達(dá)式,通過對表達(dá)式的理論推導(dǎo),分析了2路駐波幅值不相等、單路駐波正負(fù)幅值不相等以及駐波中包含高次諧波分量等因素導(dǎo)致的誤差規(guī)律。

時柵E+E位移傳感器的理論模型與誤差分析
為更有效地識別時柵角E+E位移傳感器誤差的主要來源,根據(jù)時柵誤差特性,提出一種基于時柵E+E位移傳感器誤差分析方法。應(yīng)用該方法結(jié)合時柵物理結(jié)構(gòu)和實驗數(shù)據(jù)分析誤差特性,將誤差分為6類:量化噪聲、角度隨機(jī)游走、速率隨機(jī)游走、速率斜坡、零偏不穩(wěn)定性以及正弦噪聲,并構(gòu)建時柵誤差辨識模型。運(yùn)用所構(gòu)建的誤差辨識模型對時柵的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到6類誤差的特征系數(shù),從而確定時柵誤差的主要來源。實驗研究結(jié)果表明該方法能較直接地反映時柵誤差特點及主要誤差來源,為提高時柵誤差補(bǔ)償和動態(tài)濾波精度奠定了基礎(chǔ)。設(shè)計了一種基于單片的時柵E+E位移傳感器信號處理系統(tǒng),將驅(qū)動電源、信號采樣以及數(shù)據(jù)處理與誤差補(bǔ)償集成在一片芯片中完成,采用數(shù)字頻率直接合成(DDS)技術(shù)進(jìn)行激勵源的設(shè)計,利用輸入捕獲方式進(jìn)行高頻時鐘脈沖插補(bǔ)來采集測量信號,由芯片集成的單周期DSP指令部件完成數(shù)據(jù)計算,并采用傅氏級數(shù)諧波修正技術(shù)來進(jìn)行誤差修正。實驗表明:采用該系統(tǒng)后,72對極時柵誤差峰峰值為3.29″,在保證精度的同時實現(xiàn)了時柵信號處理系統(tǒng)的集成化、小型化,降低了生產(chǎn)成本。為解決時柵角E+E位移傳感器在實際應(yīng)用中的在線標(biāo)定問題,提出了一種定角平移自標(biāo)定方法并設(shè)計了相應(yīng)的自標(biāo)定系統(tǒng)。該方法首先把圓周封閉的自然基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成定角基準(zhǔn),在時柵內(nèi)部建立了自標(biāo)定基準(zhǔn)。然后,根據(jù)傅里葉級數(shù)的性質(zhì),將定角基準(zhǔn)平移到傅里葉變換的幅值和相位中,建立了測量值之差與誤差之差的函數(shù)關(guān)系。通過對測量值之差進(jìn)行傅里葉分析,重構(gòu)了時柵角E+E位移傳感器的誤差函數(shù)。zui后,討論了影響自標(biāo)定精度的誤差來源,并設(shè)計了傳感器的零點糾錯算法。為了檢驗自標(biāo)定效果,利用激光干涉儀實驗裝置與自標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行了對比試驗。

時柵E+E位移傳感器的理論模型與誤差分析
結(jié)果表明:定角平移自標(biāo)定精度為1.9″,與理論計算的自標(biāo)定誤差(1.5±0.5)″的結(jié)論相符。提出的自標(biāo)定方法在解決時柵自身標(biāo)定基準(zhǔn)的同時,滿足了精密測量領(lǐng)域?qū)r柵精度和可靠性的要求。在此基礎(chǔ)上開展了大量驗證性實驗,結(jié)果證明了理論分析的正確性。根據(jù)理論分析和實驗結(jié)果,明確了時柵一次、二次和四次誤差的產(chǎn)生原因,據(jù)此對傳感結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,zui終在200 mm測量范圍內(nèi)精度達(dá)到±300 nm。