小型电容式角位移编码器原理研究
这是一篇关于角度测量,电容式传感器,旋转电场,绝对式测量,相位解调的论文, 主要内容为角度测量在工业测控、航空航天、安防监测等领域应用广泛。各个领域技术的飞速发展对角位移编码器测量性能也提出了更高的要求。不仅要求其兼顾小型化与高分辨力,同时还需具备良好的抗震动冲击性能。与常用的光栅式角位移编码器相比,电容式角位移编码器具有易实现小型化、重量轻、响应速度快、抗震动冲击能力强等优点。因此本文结合旋转光场实现角位移测量的思路,研究设计了基于旋转电场的小型电容式角位移编码器,可实现测量兼具小型化与高精度高分辨力的优异性能。在参考国内外相关文献的基础上,本文对比分析了国内外对电容式角位移编码器的相关设计现状,研究了电容式角位移编码器感知机理、信号解调原理、高倍频细分等测量理论,提出了基于旋转电场的多矢量变面积型电容式角位移编码器绝对测量方法,并完成了小型化样机的设计。设计了由发射极、接收极和调制转子组成的三层透射式感知结构。其发射极和接收极组成多组并联耦合电容,调制转子作为介电介质并制作成环状正余弦模型。当角度变化时耦合电容正对调制转子的面积呈正余弦关系变化,从而导致耦合电容大小也呈正余弦关系变化,实现空间调制;在发射极施加单路正弦信号作为该传感器输入激励,实现时间调制;通过电场解调和差分处理,最终得到一对反映角度信息的正交调幅信号。经有限元仿真,验证了设计的正确性。提出了基于环形刻度的双码道组合绝对式编码方法。内码道作为主刻度、外码道作为细分刻度。通过对内、外码道周期数的设计,使输出的角度具有一一对应的关系,利用角度的组合溯源实现绝对式测量。设计了基于时间尺度的相位解调方法并设计了基于FPGA的信号解调系统。将旋转电场输出的电流信号经过转换、放大差分后得到一对反映角度信息的正交调幅信号,对其进行移相差分后获得电行波信号,使被测角度反映在信号的相位信息中。通过软件仿真和硬件系统设计,验证实现输出信号相位随角度变化一致的结果。设计了基于FPGA的相位插补细分算法。将正交调幅解调信号,经滤波和过零比较后实现模数转换,再与参考信号进行比相,利用高频方波进行相位插补实现相位信息细分,并完成了基于Labview的角度解码、细分、上位机界面等软件设计。最后,实际搭建了电容式角位移编码器原理样机。采用23位光电轴角编码器实现对样机的相对标定,完成对样机的性能检测及误差分析。最终本文设计的样机参数如下:直径为50mm,感知结构厚度为5mm,分辨力为0.81″,精度为4.7″。这为角位移测量编码器提供了新的设计思路。具有一定的参考意义和实用价值。
电磁式快速控制反射镜角度测量系统
这是一篇关于电磁式,快反镜,角度测量,位置敏感探测器的论文, 主要内容为快速控制反射镜(Fast Steering Mirror,FSM),简称快反镜,是一种能够根据输入信号控制和驱动其反射镜面偏转的光学装置,能够实现光束在一维或者二维方向上偏转,从而实现对光传播方向高精度的控制。电磁式快反镜具有结构简单、适应性强、控制精度高等优点,在工件表面质量和尺寸的在线检测、机械加工中刀具的实时检测、光学扫描、航空航天、精密机械、空间激光通信等领域具有非常广阔的应用前景。但是电磁式快反镜偏转角度的准确、实时测量是制约其应用的重要原因。因此,研究一种高精度动态偏转角度测量方法,以及建立相应的测量系统,是将电磁式快反镜推广应用的必然要求和前提。论文在分析研究国内外快反镜角度测量的基础上,针对电磁式快反镜偏转角度测量问题,提出了一种基于位置敏感探测器PSD(Position Sensitive Detector)的偏转角度测量方法,针对该方法建立了测量系统并对其进行了分析。在此基础上,完成了测量系统硬件电路制作与软件系统的开发,搭建了电磁式快反镜动态偏转角度测试平台,完成了实验测试。结果表明,本文提出的电磁式快反镜的偏转角度测量方法和搭建的系统可以实现4°以内的机械偏转角度的测量,为后续开发打下了基础。论文的主要研究工作如下:(1)在分析研究基于快反镜偏转角度测量国内外研究现状的基础上,针对一维电磁式快反镜角度测量的需求,提出了本文的主要研究内容;在分析研究了电磁式快反镜结构与工作原理的基础上,提出基于位置敏感探测器PSD的快反镜角度测量方案;(2)完成了电磁式快反镜测量系统的硬件电路设计。从低噪声、高增益的角度对位置敏感探测器PSD的预处理电路进行了理论分析以及仿真优化,旨在降低外界环境的噪声对输入目标信号的影响。针对电磁式快反镜测量系统的功能需求,设计了以STM32为主控制器的快反镜数据采集系统。结合信号完整性、电路中布局布线的要求,完成了电磁式快反镜数据采集系统四层PCB电路板的绘制与加工;(3)完成了电磁式快反镜测量系统的程序设计。基于Keil5和Lab View软件完成了快反镜数据采集系统各个功能模块程序以及上位机程序设计,为了分析采集信号的质量,调用了STM32的DSP固件库并使用FFT变换完成对数据处理的程序设计;(4)搭建了电磁式快反镜测量系统的实验平台,实现了位置敏感探测器PSD的可靠性性能测试,以及电磁式快反镜偏转角度动态测试,并分析了其测量结果的误差。测试结果表明:位置敏感探测器可靠性能较好,线性相关系数达到了0.9999997,整体最大误差不超过60μm;测量系统能够实现快反镜4°以内的机械偏转角的测角范围,角度波动小于0.009°,最大误差不超过0.0812°。本文设计的电磁式快反镜偏转角度测量系统具有准确度较高、纹波较小的优点,实现了针对电磁式快反镜偏转角度的准确测量。
小型电容式角位移编码器原理研究
这是一篇关于角度测量,电容式传感器,旋转电场,绝对式测量,相位解调的论文, 主要内容为角度测量在工业测控、航空航天、安防监测等领域应用广泛。各个领域技术的飞速发展对角位移编码器测量性能也提出了更高的要求。不仅要求其兼顾小型化与高分辨力,同时还需具备良好的抗震动冲击性能。与常用的光栅式角位移编码器相比,电容式角位移编码器具有易实现小型化、重量轻、响应速度快、抗震动冲击能力强等优点。因此本文结合旋转光场实现角位移测量的思路,研究设计了基于旋转电场的小型电容式角位移编码器,可实现测量兼具小型化与高精度高分辨力的优异性能。在参考国内外相关文献的基础上,本文对比分析了国内外对电容式角位移编码器的相关设计现状,研究了电容式角位移编码器感知机理、信号解调原理、高倍频细分等测量理论,提出了基于旋转电场的多矢量变面积型电容式角位移编码器绝对测量方法,并完成了小型化样机的设计。设计了由发射极、接收极和调制转子组成的三层透射式感知结构。其发射极和接收极组成多组并联耦合电容,调制转子作为介电介质并制作成环状正余弦模型。当角度变化时耦合电容正对调制转子的面积呈正余弦关系变化,从而导致耦合电容大小也呈正余弦关系变化,实现空间调制;在发射极施加单路正弦信号作为该传感器输入激励,实现时间调制;通过电场解调和差分处理,最终得到一对反映角度信息的正交调幅信号。经有限元仿真,验证了设计的正确性。提出了基于环形刻度的双码道组合绝对式编码方法。内码道作为主刻度、外码道作为细分刻度。通过对内、外码道周期数的设计,使输出的角度具有一一对应的关系,利用角度的组合溯源实现绝对式测量。设计了基于时间尺度的相位解调方法并设计了基于FPGA的信号解调系统。将旋转电场输出的电流信号经过转换、放大差分后得到一对反映角度信息的正交调幅信号,对其进行移相差分后获得电行波信号,使被测角度反映在信号的相位信息中。通过软件仿真和硬件系统设计,验证实现输出信号相位随角度变化一致的结果。设计了基于FPGA的相位插补细分算法。将正交调幅解调信号,经滤波和过零比较后实现模数转换,再与参考信号进行比相,利用高频方波进行相位插补实现相位信息细分,并完成了基于Labview的角度解码、细分、上位机界面等软件设计。最后,实际搭建了电容式角位移编码器原理样机。采用23位光电轴角编码器实现对样机的相对标定,完成对样机的性能检测及误差分析。最终本文设计的样机参数如下:直径为50mm,感知结构厚度为5mm,分辨力为0.81″,精度为4.7″。这为角位移测量编码器提供了新的设计思路。具有一定的参考意义和实用价值。
面向伺服转动关节的角位移/力矩复合测量技术研究
这是一篇关于复合测量传感器,力矩测量,角度测量,有限元仿真的论文, 主要内容为随着科学技术的进步,机器人相关技术的发展如雨后春笋。《“机器人+”应用行动实施方案》中提出到2025年,机器人发展密度相较于2020年实现翻番。无论是协作机械臂还是机器人,灵敏的感知力矩和角度的变化,才能向系统反馈精确的信息。受空间限制,分体式力矩传感器和角位移传感器存在安装难度高、走线复杂等不足,既增大了转动关节部位的体积又增加了成本。因此,本文通过研究角位移-力矩复合测量技术,设计了一种满足工业应用需求的角位移-力矩复合测量传感器。本文主要工作包括以下几方面:(1)对目前力矩、角位移测量方案和研究现状进行了详细的对比分析,本文力矩和角位移的测量原理是基于金属的电阻应变效应和各向异性磁阻技术。(2)提出了一种角度-力矩复合测量传感器的新型结构,并完成了复合传感器的结构设计和优化分析。利用有限元分析技术,进行力矩测量十字型腰型孔弹性体结构的优化设计;角度测量部分的机械结构采用非接触式测量设计,有利于角度测量与力矩测量变形的解耦,实现了复合传感器的结构小型化。(3)基于模块化的思想设计开发了传感器硬件电路,采用双处理器分别处理角度测量模块和力矩测量模块,两模块间采用RS485总线方式通信;基于惠斯通全桥电路,实现了力信号到电信号的转化;完成了信号调理电路的设计,使用Multism软件,对部分电路进行仿真分析;选用磁性角度元件MT6813,完成了高精度角度测量模块的硬件设计。(4)基于Keil环境对双处理器进行程序设计,使用处理器内置的12位ADC采集电压信号,通过公式将电压转为力矩值;处理器与角度芯片采用SPI通信方式,读取芯片内部存放角度数据的寄存器,实现角度值的实时获取;使用处理器PVD功能,进行电压阈值的设定,实现了掉电位置记忆功能;基于RS485总线方式,实现双处理器间的通信,角度测量模块将数据传输到力矩测量模块的处理器中,最终将数据上传至上位机。(5)完成传感器的样机开发并搭建了传感器测试平台,分别对力矩测量模块和角度测量模块进行测试实验,经严格测试:力矩测量灵敏度为46.902(m V/(N·m)),线性度为0.34%FS,重复性误差为0.61%FS,迟滞性为0.12%FS。角度测量误差不超过0.33°。测试结果表明:本文设计的传感器实现了力矩-角位移复合测量功能,结构紧凑,安装方便,具有较好的应用价值。
电磁式快速控制反射镜角度测量系统
这是一篇关于电磁式,快反镜,角度测量,位置敏感探测器的论文, 主要内容为快速控制反射镜(Fast Steering Mirror,FSM),简称快反镜,是一种能够根据输入信号控制和驱动其反射镜面偏转的光学装置,能够实现光束在一维或者二维方向上偏转,从而实现对光传播方向高精度的控制。电磁式快反镜具有结构简单、适应性强、控制精度高等优点,在工件表面质量和尺寸的在线检测、机械加工中刀具的实时检测、光学扫描、航空航天、精密机械、空间激光通信等领域具有非常广阔的应用前景。但是电磁式快反镜偏转角度的准确、实时测量是制约其应用的重要原因。因此,研究一种高精度动态偏转角度测量方法,以及建立相应的测量系统,是将电磁式快反镜推广应用的必然要求和前提。论文在分析研究国内外快反镜角度测量的基础上,针对电磁式快反镜偏转角度测量问题,提出了一种基于位置敏感探测器PSD(Position Sensitive Detector)的偏转角度测量方法,针对该方法建立了测量系统并对其进行了分析。在此基础上,完成了测量系统硬件电路制作与软件系统的开发,搭建了电磁式快反镜动态偏转角度测试平台,完成了实验测试。结果表明,本文提出的电磁式快反镜的偏转角度测量方法和搭建的系统可以实现4°以内的机械偏转角度的测量,为后续开发打下了基础。论文的主要研究工作如下:(1)在分析研究基于快反镜偏转角度测量国内外研究现状的基础上,针对一维电磁式快反镜角度测量的需求,提出了本文的主要研究内容;在分析研究了电磁式快反镜结构与工作原理的基础上,提出基于位置敏感探测器PSD的快反镜角度测量方案;(2)完成了电磁式快反镜测量系统的硬件电路设计。从低噪声、高增益的角度对位置敏感探测器PSD的预处理电路进行了理论分析以及仿真优化,旨在降低外界环境的噪声对输入目标信号的影响。针对电磁式快反镜测量系统的功能需求,设计了以STM32为主控制器的快反镜数据采集系统。结合信号完整性、电路中布局布线的要求,完成了电磁式快反镜数据采集系统四层PCB电路板的绘制与加工;(3)完成了电磁式快反镜测量系统的程序设计。基于Keil5和Lab View软件完成了快反镜数据采集系统各个功能模块程序以及上位机程序设计,为了分析采集信号的质量,调用了STM32的DSP固件库并使用FFT变换完成对数据处理的程序设计;(4)搭建了电磁式快反镜测量系统的实验平台,实现了位置敏感探测器PSD的可靠性性能测试,以及电磁式快反镜偏转角度动态测试,并分析了其测量结果的误差。测试结果表明:位置敏感探测器可靠性能较好,线性相关系数达到了0.9999997,整体最大误差不超过60μm;测量系统能够实现快反镜4°以内的机械偏转角的测角范围,角度波动小于0.009°,最大误差不超过0.0812°。本文设计的电磁式快反镜偏转角度测量系统具有准确度较高、纹波较小的优点,实现了针对电磁式快反镜偏转角度的准确测量。
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