连续扫描式高精度电感传感器研制

论文摘要

相比电容式传感器、光栅传感器等微位移测量装置,电感式传感器具有灵敏度高、重复性好、性能较为稳定的优势,在用于超精密加工与测量场合的圆度仪系统中有广泛的应用。近年来,在圆柱度和圆度测量中,随着对回转型零件的测量精度要求越来越高,电感传感器的测量精度也越来越受到人们的普遍关注,其发展已成为圆度仪等测量仪器的主要限制因素。为了进一步提高电感传感器系统的测量精度,需要从测头机械结构和数采测量电路两方面同时进行性能改善。为此本课题在本所已研制出的传感器系统的基础上,针对其灵敏度低、非线性严重等问题,做出了相关改进设计,并进行了对比性实验验证。本文完成的主要工作有:首先,从螺管型线圈结构模型出发,依据毕奥萨法尔电磁场原理,分析了磁场特性与线圈结构的灵敏度;又从磁电转换的测量电路角度对提高灵敏度进行了研究分析。为系统灵敏度的提高提出了有效措施,进行了线圈结构自身和测量电路的具体改进设计,诸如线圈和磁芯的材料选择、尺寸参数优化、激磁信号源的电压和频率选择、量程切换模块的应用等。其次,通过对原有系统进行大量实验,发现并分析了其非线性的问题。从机械结构和测量电路两方面分析了其影响因素,对常用的非线性校正方法进行了介绍和比较,提出了针对本系统的非线性补偿方案,并编程应用于系统软件程序中,实现了系统的非线性校正。再次,针对圆度测量中遇到的定位问题,特在测量系统中设计了采样的触发控制模块,实现了采样数据的时间控制,保证了圆度数据采集的重复性,使圆度评定更加可靠。最后,对电感传感器系统进行了对比性实验,验证本课题所作的改进措施对其性能的有效性。实验结果表明,系统灵敏度提高了一倍以上,非线性误差也由原来的3.4%下降到0.41%,系统稳定性和重复性也有所改善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 圆度仪中电感传感器的研究现状
• 1.3 电感式传感器的研究现状
• 1.3.1 电感式传感器的主要类型
• 1.3.2 电感微位移传感器
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 线圈结构模型与测量电路设计
• 2.1 引言
• 2.2 电感式微位移传感器的总体设计
• 2.2.1 电感传感器结构设计选择
• 2.2.2 电感传感器的线圈结构模型
• 2.2.3 电感传感器测量电路的设计
• 2.3 本章小结
• 第3章 电感传感器系统的灵敏度分析与优化
• 3.1 引言
• 3.2 单线圈与差动线圈结构的磁场与灵敏度
• 3.2.1 单线圈电感传感器的灵敏度
• 3.2.2 差动式线圈电感传感器的灵敏度
• 3.3 差动螺管型电感传感器的磁电转换
• 3.3.1 转换电路——变压器电桥的理论分析
• 3.3.2 变压器结构与设计
• 3.4 系统灵敏度
• 3.4.1 电感测头灵敏度的影响因素分析与改进设计
• 3.4.2 测量电路灵敏度的影响因素分析与改进设计
• 3.5 机械零件的热处理技术
• 3.6 本章小结
• 第4章 电感传感器的非线性校正
• 4.1 引言
• 4.2 非线性
• 4.2.1 系统非线性
• 4.2.2 产生非线性的主要因素分析
• 4.2.3 非线性补偿
• 4.3 采样触发控制
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验与分析
• 5.1 引言
• 5.2 性能测试
• 5.2.1 灵敏度测试
• 5.2.2 线性度测试
• 5.2.3 稳定性测试
• 5.2.4 重复性测试
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢