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磁场式位移传感器在仪器校准中的误差模型研究

利用传动链末端如蜗轮、齿圈等的齿等分结构(视作转子(rotor)),可以用旁置式时栅(又称“寄生式时栅”)的方式方法在避免同轴安装的情形下对大型、中空的末端转动体进行精密的转角测量…。 

磁场式位移传感器在仪器校准中的误差模型研究

但在仪器设备校准工程(Engineering)实践中,由于磁场分布对几何位置的敏感性,各类磁式传感器在使用过程中往往会因为重定位精度以及机械振动、冲击甚至供电参数细微变动等因素而出现精度损失的问题(即在实验室生成的偏差修正曲线到了现场不再适用),此外,某些场合由于仪器校准安装空间等的限制,作为参考基准的母仪往往根本无法安装,所以能在一般工况下进行且不依赖于母仪参考基准的、定期的误差补偿曲线的修正和刷新是必要的。综上,在现场进行的误差自修正技术具有巨大的工程价值。本方法的思想及实验数据(data)来源于“旁置式”时栅传感器,但可推广适用于旋转变压器、感应同步器等其他各类型磁场式位移传感器。 

从可查文献来看,以前国内外进行仪器设备校准的误差自修正的特性是“多传感器协同、多次反复安装”,而且主要是针对光栅的误差且在精密测量的环境下进行。计量校准校准---在规定条件下,为确定测量仪器或测量系统所指示的量值,或实物量具或参考物质所代表的量值,与对应的由标准所复现的量值之间关系的一组操作。校准结果既可赋予被测量以示值,又可确定示值的修正值,校准还可确定其他计量特性,如影响量的作用,校准结果可出具“校准证书”或“校准报告”。例如,德国联邦物理技术研究院的学者通过比较多对光栅编码器读数头的测量值差异,采用基于傅里叶变换的算法以实现误差自修正 。Masuda T等人 在空气轴承(bearing)转台周围按规则多次变化两个角度编码器的位置,通过计算,逐次得到各次谐波成分;2007年,Lu x.D.等人 提出TDR(time—measurement dynamic reversa1)算法,在磁悬浮轴承 

高精度转台环境下,用单个测头、变换多个位置以采集两次整周转动的时间序列,利用阻尼振动微分方程估算低频转速波动的二次多项式的系数。仪器校准校准指校对机器、仪器等使准确。在规定条件下,为确定测量仪器或测量系统所指示的量值,或实物量具或参考物质所代表的量值,与对应的由标准所复现的量值之间关系的一组操作。校准可能包括以下步骤:检验、矫正、报告、或透过调整来消除被比较的测量装置在准确度方面的任何偏差。计量校准是指一些电子仪器用来校对和测量的基本功能。计量是实现单位统一、量值准确可靠的活动。或者说是以实现单位统一、量值准确可靠为目的的测量。它涉及整个测量领域,并按法律规定,对测量起着指导、监督、保证作用。仪器校准将量测仪器或标准件加以测试与调整以了解其准确度之行为,称为仪器校验。另外,文献[15]分析了旋转变压器静态偏差的数学模型和动态跟踪误差;文献[6]利用多读数头,自动去除了编码器误差中特定频次的谐波成分;文献[7—8]也提出了较有价值的研究思想。国内学者中,张善钟 提出在圆周等角度间隔安装多个测头可以消除部分主要的仪器校准误差频次的观点。 

近年来,针对磁场式位移传感器也进行了不少研究,但由于磁场对于感应体的几何形位的敏感性,两个传感器机械加工细微的不一致以及极高的重定位精度难以达到,将导致(cause)其误差曲线的较大差异,而多传感器协同修正 u-的办法却在理论上假定他们的误差曲线一致,所以该方法实效难以做到稳定(wěn dìng)。文献[11]对于单个磁场式位移传感器的误差自仪器校准亦提出了具有新意的观点,探索了单次安装的自修正方法,但缺陷是过于依赖转台转速的稳定性,还不能适用于较广泛的(转速带有较大的波动)实际使用场合。光栅、磁式位移传感器等多种传感器目前都没有彻底摆脱对刻线的依赖,且目前以刻线节距误差对磁场式位移传感器的测量精度影响为主题理论模型或定量研究均较少。 

综上所述,已有研究对位移传感器偏差的研究主要集中在局部(即一个对极或者说一个齿内),而对整周的、大范围的误差规律缺乏必要的分析和理解,这直接导致(cause)了对误差的数学物理模型的研究还不够深入;而事物变化的本质规律往往是通过(tōng guò)整周的、大范围的场合才能反映出来,例如,现代的仪器设备校准大范围微分几何的研究,极大地促进了包括(bāo kuò)广义相对论在内的现代理论物理的发展 。 

类似地,位移传感器偏差的研究需要在整周的大范围(fàn wéi)内,才能根据信号的外在特征提取出所需的误差特征。计量校准校准---在规定条件下,为确定测量仪器或测量系统所指示的量值,或实物量具或参考物质所代表的量值,与对应的由标准所复现的量值之间关系的一组操作。校准结果既可赋予被测量以示值,又可确定示值的修正值,校准还可确定其他计量特性,如影响量的作用,校准结果可出具“校准证书”或“校准报告”。

第一次运用微分几何和微分映射的方法,研究了位移传感器误差的数学物理模型;同时提出了一种不借助任何母仪,在复杂工况下从单一传感器本身的整周单一递增测量值序列中提取出精确的动态误差数据的方法。进一步,此研究成果必然能对刻线式位移传感器跨越刻线(周节)误差这个阻碍精度提升、行业内存在的长期以来的鸿沟,彻底摆脱对仪器设备精度对机械几何刻线的依赖提供巨大的仪器校准参考价值。

2测量机理及理想转子(rotor)误差的理论分析(Analyse) 

各类特性:波粒的辐射式位移传感器的仪器设备校准测量机理具有共通性。这里以旁置式时栅传感器(测仪为定测头端,也称定子(组成:定子铁芯、定子绕组和机座))为例,对其测量机理进行概括性的阐述。如图1(a)所示,激励是由上方的动测头(也称转子)输入的正弦或余弦脉冲信号,通过选择(xuanze)适当的L值(即定测头间距),可以起到控制(control)各定测头感应输出电压相位角的作用,从而得到多路(此处仅画出局部)‘空间正交’的电压信号;将得到的‘正交’的电压信号串联,主要利用数学上的‘积化和差’公式,最终合成一路标准的电行波。仪器校准合成后的电行波,显著的特征是:在以0为原点建立的坐标系中,合成电行波的相位角 ( )随位移量 的变化规律如图l(b)所示,概括地说:对于基准定测头1来说,每掠过一个动测头(动测头A的移动量从0—2W或2kW一(2后+2) ),合成行波的相位角经历一次从0一 的变化过程。

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