基于磁导调制的直线式时栅位移传感器-

第３０卷第１期２０１７年１月传感技术学报

ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＥＮＳＯＲＳＡＮＤＡＣＴＵＡＴＯＲＳＶｏｌ.３０一Ｎｏ.１Ｊａｎ.２０１７

项目来源:国家自然科学基金项目(５１６７５０７１,５１４０５０４９)；重庆市科技研发基地能力提升计划(ｃｓｔｃ２０１４ｐｔ－ｓｙ４０００２)收稿日期:２０１６－０９－０８一一修改日期:２０１６－１２－０９

ＬｉｎｅａｒＴｉｍｅＧｒａｔｉｎｇＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＳｅｎｓｏｒ

ＢａｓｅｄｏｎＰｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ?

ＣＨＥＮＸｉｈｏｕ?,ＣＡＯＨｕａｎ,ＷＵＬｉａｎｇ,ＺＨＵＨａｉ

(ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔ,ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ,

ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ,Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００５４,Ｃｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｐｒｅｃｉｓｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅｈａｒｓｈｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ,ｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｃｕｒｒｅｎｔｍｅａｓｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｂａｌａｎｃｅｔｈｅｗｉｄｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｒａｎｇｅａｎｄｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎ,ａｎｄｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｄｕｅｔｏｓｍａｌｌｇｒａｔｉｎｇｐｉｔｃｈ,ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄ,ｃｏｕｐｌｉｎｇｔｗｏｓｔａｎｄｉｎｇｗａｖｅｓｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｔｒａｖｅｌｉｎｇｗａｖｅｂａｓｅｄｏｎｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ,ｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄａｎｏｖｅｌｌｉｎｅａｒｔｉｍｅｇｒａｔｉｎｇｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｅｎｓｏｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗｈｉｃｈｗａｓｄｅｒｉｖｅｄ,ｔｈｅｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｅｎｓｏｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｔｈｅ３ＤｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅＡｎｓｏｆｔＭａｘｗｅｌｌｉｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｂｕｉｌｄａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒ.ＵｓｉｎｇｆａｓｔＦｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍ(ＦＦＴ)ｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｅｒｒｏｒｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｔｒａｃｅｔｏｔｈｅｓｏｕｒｃｅ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓ,ｔｈｅｍｏｄｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ,Ｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗａｓｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｂｕｉｌｔｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ.Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｒｅａｃｈｅｓ６００ｎｍｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ２００ｍｍ.Ｔｈｅｓｅｎｓｏｒｐｒｏｄｕｃｅｓｅａｓｉｌｙａｎｄｃｏｓｔｌｏｗ,ｗｈｉｃｈｈａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｒａｃｔｉｃａｌｖａｌｕｅｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｔｉｍｅ￣ｇｒａｔｉｎｇｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒ；ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｌｏｎｇｒａｎｇｅ；ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｅｒｒｏｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＥＥＡＣＣ:７２３０一一一一ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００４－１６９９.２０１７.０１.００５

基于磁导调制的直线式时栅位移传感器?

陈锡侯?,曹一焕,武一亮,朱一海

(重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心,重庆４０００５４)

摘一要:为了满足恶劣环境下精密位移测量的需求,解决现有测量方法在大量程和高精度之间无法兼顾的难题,克服小栅距造成加工难度大的缺点,提出一种基于磁导调制的驻波合成行波的新方法,研究一种新型直线式时栅位移传感器三通过对传感器测量原理的理论推导,设计了传感器的基本结构,应用三维磁场仿真软件ＡｎｓｏｆｔＭａｘｗｅｌｌ对传感器进行建模与仿真,采用快速傅里叶变换(ＦＦＴ)对仿真结果进行误差分析与溯源,根据分析结果对模型结构优化并进行仿真实验验证；根据优化模型制作传感器实物并搭建实验平台进行实验验证三实验结果显示:在２００ｍｍ测量范围内,测量精度达?６００ｎｍ,且传感器制造简易,成本低廉,在实际工程中具有重要的实用价值三

关键词:时栅位移传感器；高精度；大量程；磁导调制；误差特性

中图分类号:ＴＨ７１１一一一一文献标识码:Ａ一一一一文章编号:１００４－１６９９(２０１７)０１－００２６－０５

一一兼具大量程二高精度的位移测量传感器已成为

精密位移测量领域重要发展需求之一[１－３]三而目前存在的测量方法二者往往无法兼顾,随着测量分辨

率的提高,测量范围则受到一定局限三虽也存在极

少数精密大量程位移传感器,但其对测量环境要求

极高,且价格也十分昂贵三

基于扫描探针显微技术的测量方法,其分辨率虽能达０.０１ｎｍ,量程却在微米级[４－５]；基于电容测微技术的测量方法,其分辨率可达０.９ｎｍ,测量范围不超过１５ｍｍ[６]；光纤位移测量方法虽也能实现纳米级分辨率,但量程也只有几个毫米[７－８]；激光干涉仪虽可实现几米量程内,１μｍ的精度,但其对测量环境要求极高,造价也十分昂贵[９－１０]三课题组前期研制的直线式时栅位移传感器,磁场式时栅在１５０ｍｍ量程内,精万方数据