时栅传感器电气误差分析及补偿.pdf

1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/收 稿 日 期 :2009 年 1 月时 栅 传 感 器 电 气 误 差 分 析 及 补 偿张 天 恒 ,彭 东 林 ,杨 伟 ,王 先 全重 庆 工 学 院摘 要 :测 量 仪 器 误 差 分 析 是 测 量 仪 器 研 制 过 程 中 的 重 要 一 环 。 为 了 确 定 影 响 仪 器 测 量 精 度 的 主 要 误 差 因 素 ,本 文 讨 论 了 时 栅 传 感 器 电 气 误 差 中 零 电 平 误 差

2、 、 电 源 误 差 的 产 生 原 因 ,提 出 用 误 差 补 偿 技 术 来 提 高 时 栅 的 测 量 精度 ,对 时 栅 传 感 器 的 批 量 化 生 产 具 有 重 要 作 用 。关 键 词 :时 栅 传 感 器 ;电 气 误 差 ;测 量 精 度 ;误 差 补 偿中 图 分 类 号 :TG80 文 献 标 志 码 :AElectric Error Analysis and Compensation for Time2grating SensorZhang Tianheng , Peng Donglin , Yang Wei , Wang XianquanAbstract : E

3、rror analysis of measuring instrument is a very important aspect in the development and manufacture of the instru2ment. In order to find the major error factors which affect the instrument accuracy , the reasons causing electric error are analyzed ,the electric error consist of zero voltage error an

4、d power error. The error compensation technology is proposed to improve the mea2surement accuracy of time2grating sensor. Improving accuracy will play an important role in the mass production of time2gratingsensor.Keywords :time2grating sensor ,electric error ,measurement accuracy , error compensati

5、on1 引 言时 栅 传 感 器 是 一 种 全 新 原 理 的 位 移 传 感器 1 - 2 。 要 正 确 分 析 和 估 计 时 栅 传 感 器 的 误 差 ,就要 综 合 考 虑 系 统 各 组 成 部 分 的 误 差 因 素 对 最 终 测 量结 果 的 影 响 ,并 进 行 总 体 特 性 评 估 和 总 体 误 差 分 析 。电 气 误 差 包 括 零 电 平 误 差 和 电 源 误 差 ,电 源 误 差 由幅 值 、 相 位 和 频 率 的 误 差 引 起 。 本 文 主 要 讨 论 电 气误 差 与 误 差 补 偿 技 术 。2 电 气 误 差电 气 误 差 是 影 响 时

6、栅 传 感 器 精 度 不 可 忽 视 的 误差 源 ,包 括 零 电 平 误 差 和 电 源 误 差 。2. 1 零 电 平 误 差时 栅 通 过 检 测 两 路 信 号 正 向 过 零 点 时 间 差 来 实现 对 空 间 角 位 移 的 测 量 。 由 于 电 路 噪 声 的 原 因 ,零电 平 总 是 在 绝 对 零 点 附 近 上 下 变 化 ,这 种 变 化 就 会造 成 正 向 过 零 点 的 滞 后 或 超 前 。 如 图 1 所 示 ,在 绝对 零 点 检 测 两 路 信 号 的 时 间 差 为 t ,由 于 零 电 平 的波 动 ,同 样 的 两 路 信 号 测 得 的 时

7、 间 差 变 为 t 。2. 2 电 源 误 差时 栅 需 要 的 匀 速 运 动 坐 标 系 是 以 旋 转 磁 场 作 为介 质 ,这 里 的 匀 速 V 不 是 统 计 和 平 均 的 概 念 ,而 是要 求 在 圆 周 内 的 任 一 位 置 速 度 都 一 致 。 它 既 是 时 间的 函 数 ,又 是 空 间 的 函 数 ,情 况 比 较 复 杂 。 而 时 栅 是采 用 了 电 机 产 生 旋 转 磁 场 的 原 理 来 构 建 旋 转 磁 场 。据 电 机 学 理 论 ,匀 速 旋 转 圆 形 磁 场 的 形 成 是 靠 绕 组和 电 源 的 对 称 来 实 现 。 关 于 旋

8、 转 磁 场 有 以 下 描述 3 : 在 三 相 对 称 交 流 绕 组 中 通 以 三 相 对 称 交 流电 流 时 ,在 三 相 绕 组 周 围 会 产 生 一 个 幅 值 和 转 速 都恒 定 的 圆 形 旋 转 磁 场 。 在 三 相 对 称 交 流 绕 组 中 通 以 三 相 不 对 称 交流 电 流 时 或 在 不 对 称 交 流 绕 组 中 通 以 对 称 交 流 电 流时 ,在 三 相 绕 组 周 围 会 产 生 一 个 椭 圆 形 旋 转 磁 场 。即 基 波 幅 值 不 是 恒 值 而 是 随 时 间 变 化 ,且 旋 转 速 度不 均 匀 。三 相 电 源 是 实 现

9、“ 电 磁 ” 转 换 的 源 头 ,其 波 形质 量 直 接 影 响 旋 转 磁 场 的 质 量 ,进 而 影 响 时 栅 精 度 。而 三 相 电 源 的 质 量 是 以 电 源 幅 值 、 相 位 和 频 率 (周期 )的 精 度 来 保 证 的 。图 1 零 电 平 变 化 对 信 号 的 影 响首 先 讨 论 由 电 源 电 流 幅 值 变 化 引 起 的 测 角 误差 。 激 励 电 源 电 流 强 弱 的 微 小 变 化 ,会 引 起 感 应 信号 幅 值 的 微 小 变 化 ,由 于 过 零 点 不 是 绝 对 的 零 点 ,信7012009 年 第 43 卷 8 1994-2

10、010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/号 幅 值 的 变 化 会 引 起 代 表 时 间 差 的 方 波 信 号 的 宽 窄发 生 变 化 。 需 要 说 明 的 是 :时 栅 是 通 过 过 零 检 测 来实 现 相 位 差 的 检 测 7 。 如 图 2 所 示 ,在 幅 值 恒 定 的情 况 下 ,反 映 两 路 信 号 的 时 间 差 为 方 波 宽 度 t 。 假如 在 第 一 路 信 号 零 点 达 到 之 后 ,第 二 路 信 号 零 点 达到 之 间

11、信 号 的 幅 值 发 生 了 变 化 ,如 图 2 虚 曲 线 所 示 ,则 第 二 路 信 号 的 过 零 点 时 间 提 前 了 。 因 此 ,反 映 两路 信 号 的 方 波 信 号 的 宽 度 发 生 了 变 化 ,变 为 t 。图 2 测 头 信 号 幅 值 波 动 对 方 波 信 号 的 影 响其 次 ,讨 论 由 电 源 相 位 不 对 称 引 起 的 测 角 误 差 。据 文 献 3 所 述 ,三 相 不 对 称 电 源 产 生 的 是 椭 圆 磁场 ,椭 圆 磁 场 的 速 度 和 幅 值 是 不 均 恒 的 ,这 将 影 响 测头 感 应 信 号 的 质 量 ,进 而 影

12、 响 测 角 误 差 。 椭 圆 磁 场的 旋 转 角 速 度 表 达 式 为 = dd t = F2+ - F2-F2 (1)如 图 3 所 示 ,可 知 式 (1) 中 为 椭 圆 磁 场 的 角 速 度 ; 为 电 流 角 频 率 ; F + 为 正 向 磁 势 ; F - 为 反 向 磁 势 ;F 为 合 成 磁 势 ; 为 F 与 水 平 x 轴 之 间 的 夹 角 。 式(1)表 明 ,角 速 度 与 合 成 磁 势 幅 值 的 平 方 成 反 比 ,故 在 椭 圆 的 长 轴 附 近 (即 F 最 大 处 ) 角 速 度 较 低 ,而在 短 轴 附 近 (即 F 最 小 处 )

13、角 速 度 较 大 ,角 速 度 不 是常 数 。 由 于 磁 场 速 度 的 不 均 恒 ,影 响 了 时 栅 的 精 度 。可 以 看 出 ,要 通 过 对 式 (1) 进 行 理 论 分 析 推 导 、 直 接求 解 相 位 不 对 称 对 时 栅 测 角 误 差 的 影 响 是 很 困 难的 。 它 们 之 间 具 体 的 函 数 关 系 要 通 过 更 深 入 的 理 论推 导 和 更 多 的 实 验 验 证 。图 3 不 对 称 电 流 产 生 的 椭 圆 形 旋 转 磁 势第 三 ,讨 论 由 电 源 的 频 率 引 起 的 测 角 误 差 ,时 栅传 感 器 是 采 用 高 频

14、 时 钟 插 补 技 术 来 实 现 对 时 间 间 隔的 数 字 化 测 量 ,则 脉 宽 测 量 值 的 表 达 式 为 插 补 脉 冲信 号 的 时 间 宽 度 与 脉 冲 个 数 的 乘 积 。 信 号 的 高 频 插补 时 钟 脉 冲 周 期 为 Tp 时 ,信 号 经 过 计 数 量 化 后 就可 能 存 在 Tp 的 误 差 。 在 三 相 交 流 绕 组 采 用 8 对极 结 构 、 电 源 频 率 为 407Hz、 高 频 时 钟 频 率 为 320MHz的 条 件 下 ,时 栅 的 分 辨 力 即 一 个 时 钟 脉 冲 Tp 对 应的 角 度 为 = 1296000140

15、7 32 80 106 0. 206 0. 2 (2)即 插 补 时 钟 脉 冲 的 空 间 当 量 为 012 ,可 见 给 时 栅 传感 器 带 来 了 误 差 。 理 想 的 方 波 脉 冲 信 号 边 沿 陡 峭 ,上 升 时 间 和 下 降 时 间 为 零 ,脉 冲 宽 度 无 变 化 ,高 频 时钟 脉 冲 也 是 一 种 理 想 的 方 波 脉 冲 。 实 际 上 ,通 过 示波 器 观 察 ,代 表 时 间 差 的 方 波 信 号 变 化 非 常 复 杂 ,脉冲 前 后 沿 都 在 一 定 范 围 内 变 化 ,方 波 既 有 整 体 前 后移 动 ,脉 宽 也 有 宽 窄 变

16、 化 。 由 此 也 可 引 起 测 角 误 差 。3 误 差 补 偿 技 术虽 然 在 时 栅 传 感 器 的 加 工 、 装 配 、 调 整 、 信 号 处理 等 众 多 环 节 中 采 取 了 多 种 措 施 ,但 仍 会 有 很 多 误差 因 素 不 可 避 免 。 如 果 想 通 过 改 善 硬 件 条 件 来 进 一步 提 高 精 度 ,则 不 仅 成 本 很 高 ,而 且 技 术 难 度 很 大 。因 此 ,充 分 运 用 误 差 补 偿 技 术 来 提 高 和 保 证 系 统 的精 度 ,是 实 现 时 栅 产 品 商 业 化 的 关 键 技 术 之 一 。 误差 补 偿 技

17、术 是 提 高 测 量 精 度 的 重 要 方 法 和 措 施 之一 ,采 用 软 件 技 术 进 行 误 差 修 正 ,不 仅 可 以 有 效 地 提高 测 量 精 度 ,而 且 可 以 大 幅 度 地 降 低 测 量 装 置 的 制造 成 本 4 - 5 。 通 常 误 差 补 偿 技 术 可 分 为 三 种 形 式 :既 误 差 分 离 技 术 、 误 差 修 正 技 术 和 误 差 抑 制 技 术 6 。3. 1 基 于 模 型 参 数 估 计 的 误 差 分 离 技 术误 差 分 离 技 术 是 通 过 信 息 源 变 换 或 模 型 参 数 估计 的 方 式 ,使 有 用 信 号

18、分 量 与 误 差 分 量 相 分 离 的 一种 测 量 技 术 。 误 差 分 离 的 核 心 是 利 用 附 加 信 息 ,并经 过 处 理 ,使 附 加 信 号 与 源 信 息 中 的 相 同 部 分 得 到抑 制 ,进 而 使 误 差 与 信 号 得 以 分 离 。 时 栅 传 感 器 采用 的 是 基 于 模 型 参 数 估 计 的 误 差 分 离 技 术 。3. 2 最 小 二 乘 法 的 误 差 修 正误 差 分 离 的 目 的 就 是 为 了 修 正 ,误 差 分 离 和 修正 技 术 的 核 心 是 修 正 误 差 以 提 高 精 度 。 误 差 修 正 技术 具 有 显 著

19、 的 经 济 效 益 ,能 够 以 较 低 的 成 本 大 幅 度地 提 高 测 量 精 度 。 在 时 栅 传 感 器 研 制 的 过 程 中 ,时栅 的 误 差 曲 线 用 最 小 二 乘 法 进 行 误 差 修 正 ,用 专 门软 件 来 确 定 补 偿 参 数 ,有 效 地 进 行 误 差 修 正 。3. 3 基 于 负 反 馈 抑 制 模 型 的 误 差 抑 制 技 术误 差 抑 制 技 术 是 针 对 误 差 的 作 用 规 律 ,在 一 般测 量 系 统 中 预 先 加 入 随 误 差 源 变 量 的 变 化 而 自 动 调801 工 具 技 术 1994-2010 China

20、Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/控 输 入 或 输 出 ,进 而 使 误 差 抵 消 或 消 除 的 一 种 测 量或 仪 器 设 计 方 法 。 误 差 抑 制 技 术 通 常 可 不 必 测 取 误差 值 ,只 需 在 设 计 测 量 系 统 之 前 掌 握 误 差 作 用 规 律 ,并 依 此 确 定 自 动 调 控 方 式 。 时 栅 传 感 器 采 用 的 是 负反 馈 抑 制 模 型 的 误 差 抑 制 技 术 。4 实 验 结 果 与 结 语通 过 对 时 栅 传 感

21、 器 的 电 气 误 差 进 行 详 细 分 析 ,提 出 了 基 于 模 型 参 数 估 计 的 误 差 分 离 技 术 、 最 小 二乘 法 的 误 差 修 正 和 负 反 馈 抑 制 模 型 的 误 差 抑 制 技术 。 基 于 上 述 误 差 分 离 与 误 差 抑 制 技 术 ,设 计 了 如图 4 所 示 的 误 差 补 偿 实 验 装 置 ,减 少 了 一 些 误 差 环节 。 补 偿 前 的 全 周 误 差 峰 峰 值 为 3197 (如 图 5a 所示 ) ,补 偿 后 全 周 误 差 峰 峰 值 为 318 (如 图 5b 所 示 ) ,显 著 提 高 了 时 栅 的 测

22、量 精 度 ,对 时 栅 的 批 量 化 生 产将 起 到 重 要 的 作 用 。图 4 误 差 补 偿 的 实 验 装 置(a)补 偿 前 全 周 误 差 曲 线(b)补 偿 后 全 周 误 差 曲 线图 5 补 偿 前 、 后 的 全 周 误 差 曲 线参 考 文 献1 彭 东 林 , 张 兴 红 刘 小 康 谭 为 民 . 场 式 时 栅 位 移 传 感 器 研究 J . 仪 器 仪 表 学 报 ,2003 (3) :321 - 323.2 彭 东 林 ,刘 小 康 ,张 兴 红 ,陈 锡 侯 . 高 精 度 时 栅 位 移 传 感 器研 究 J . 机 械 工 程 学 报 ,2005

23、, 41 (12) :126 - 129.3 冯 欣 南 . 电 机 学 M. 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,1985.4 费 业 泰 ,陈 晓 怀 . 精 密 测 试 及 仪 器 的 误 差 修 正 技 术 J . 宇航 计 测 技 术 ,1996 ,16 (4 ,5) :66 - 70.5 李 金 海 . 误 差 理 论 与 测 量 不 确 定 度 评 定 M. 北 京 :中 国计 量 出 版 社 ,2003 ,1 - 59.6 谭 久 彬 . 精 密 测 量 中 的 误 差 补 偿 技 术 M. 哈 尔 滨 :哈 尔滨 工 业 大 学 出 版 社 ,1995.第 一 作 者 :

24、张 天 恒 , 重 庆 工 学 院 检 测 与 控 制 工 程 中 心 ,400050 重 庆 市Firsy Author : Zhang Tianheng , Center of Measurement andControl Engineering , Chongqing Institute of Technology , Chongqing400050 , China山 特 维 克 可 乐 满 再 循 环 计 划为 您 节 省 更 多 成 本随 着 不 可 再 生 原 材 料 的 使 用 量 不 断 增 加 ,所 有 生 产 厂 商有 责 任 更 经 济 地 使 用 现 有 资 源 。山

25、特 维 克 可 乐 满 正 致 力 于 提 供 报 废 硬 质 合 金 刀 片 和 整体 硬 质 合 金 刀 具 的 回 收 并 以 最 环 保 的 方 式 进 行 循 环 再 利 用 。所 有 报 废 硬 质 合 金 刀 片 都 集 中 收 集 到 生 产 车 间 的 收 集箱 内 。 当 收 集 箱 放 满 时 ,可 以 将 报 废 刀 具 转 移 到 一 个 传 送 箱内 ,当 传 送 箱 已 满 时 ,则 可 以 运 送 到 离 您 最 近 的 山 特 维 克 可乐 满 办 事 处 ,他 们 还 将 为 您 提 供 更 多 的 服 务 。山 特 维 克 可 乐 满 再 循 环 计 划

26、(CRC) 所 能 带 来 的 益 处 :一站 式 全 球 再 循 环 系 统 ;适 用 于 最 终 用 户 和 贸 易 商 ;流 程 简 单(收 集 箱 ,传 送 箱 ) ;更 少 的 浪 费 ,更 少 的 污 染 ;更 好 地 利 用 资源 ;接 受 其 他 生 产 厂 商 的 硬 质 合 金 刀 片 。哈 量 集 团 2 项 目 通 过 验 收 并 正 式 命 名中 国 机 械 联 合 会 验 收 专 家 组 于 2009 年 7 月 中 旬 对 哈 量集 团 “ 机 械 工 业 数 控 机 床 系 统 工 程 研 究 中 心 ” 和 “ 机 械 工 业 数字 化 齿 轮 测 量 系 统

27、 工 程 实 验 室 ” 两 个 建 设 项 目 进 行 了 验 收 ,通 过 对 验 收 资 料 审 查 及 现 场 考 察 ,一 致 通 过 验 收 并 于 近 日 下发 了 正 式 命 名 的 通 知 。此 次 ,集 团 公 司 两 个 重 点 项 目 的 正 式 命 名 是 对 哈 量 集 团技 术 研 究 、 技 术 开 发 和 技 术 创 新 工 作 的 重 大 肯 定 与 支 持 ,对开 展 以 HSK工 具 系 统 、 热 缩 夹 头 等 为 代 表 的 数 控 机 床 用 高速 工 具 系 统 设 计 、 加 工 、 检 测 成 套 制 造 技 术 的 研 究 ;探 索 新

28、的齿 轮 测 量 原 理 和 开 发 新 一 代 齿 轮 专 用 测 量 仪 ,提 高 我 国 齿 轮测 量 技 术 领 域 创 新 能 力 提 供 了 强 有 力 保 障 和 扶 持 。 同 时 对加 快 构 建 企 业 自 主 创 新 体 系 ,完 善 运 行 机 制 ,巩 固 行 业 领 先地 位 ,优 化 产 品 结 构 ,提 升 产 品 附 加 值 具 有 积 极 的 推 动 和 促进 作 用 。法 士 特 前 7 月 完 成 工 业 总 产 值 超 39 亿 元今 年 前 7 个 月 ,陕 西 法 士 特 汽 车 传 动 集 团 有 限 责 任 公 司累 计 实 现 销 售 收 入

29、 38. 78 亿 元 ,完 成 工 业 总 产 值 39. 27 亿 元 ;累 计 销 售 汽 车 变 速 器 超 过 27. 75 万 台 。 其 中 7 月 份 实 现 销售 收 入 6. 25 亿 元 ,同 比 增 长 37. 34 % ;完 成 工 业 总 产 值 超 过6. 61 亿 元 ,同 比 增 长 20. 84 % ,各 项 生 产 经 营 指 标 均 创 历 史同 期 最 高 水 平 。面 对 市 场 形 势 的 新 变 化 ,法 士 特 把 企 业 生 产 经 营 与 国 家“ 保 增 长 、 调 结 构 、 扩 内 需 ” 等 有 关 政 策 有 机 结 合 起 来 ,通 过 广泛 推 行 精 益 生 产 管 理 方 式 、 加 快 产 品 结 构 调 整 、 全 面 提 升 生产 管 理 水 平 等 措 施 ,不 仅 大 大 提 高 了 生 产 效 率 ,有 效 降 低 了人 力 、 物 流 和 制 造 成 本 ,同 时 还 改 变 了 企 业 传 统 粗 放 式 的 生产 理 念 和 思 维 方 式 ,产 生 了 良 好 的 经 济 效 益 和 管 理 效 益 。9012009 年 第 43 卷 8