结构参数约束下的磁场补偿式双层时栅角位移传感器研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2023.19.003

中国机械工程 ›› 2023, Vol. 34 ›› Issue (19): 2296-2303，2312.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.19.003

结构参数约束下的磁场补偿式双层时栅角位移传感器研究

杨继森;周润;张天恒;卢渝;吴灼;张迪;张静

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

出版日期:2023-10-10 发布日期:2023-11-02
通讯作者: 周润（通信作者），男，1998年生，硕士研究生。研究方向为仪器科学与技术。E-mail：1692339488@qq.com。
作者简介:杨继森，男，1977年生，教授。研究方向为精密测量与智能传感器。E-mail：yangjs@cqut.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金（52175454）；重庆市自然科学基金（CSTB2023NSCQ-MSX0382，CSTC2021JCY-MSXMX0512）；重庆市教委科学技术研究计划（KJZD-K202301106）；重庆市研究生科研创新项目（CYS22654）

Research on Magnetic Field Compensated Double-layer Time-grating Angular Displacement Sensors under Structural Parameter Constraints

YANG Jisen;ZHOU Run;ZHANG Tianheng;LU Yu;WU Zhuo;ZHANG Di;ZHANG Jing

Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment，Ministry of Education，Chongqing University of Technology，Chongqing，400054

Online:2023-10-10 Published:2023-11-02

摘要/Abstract

摘要： 时栅角位移传感器广泛运用于数控机床、工业机器人等领域中的角度测量。针对双层时栅角位移传感器测量过程中时变磁场分布不对称问题，提出了一种磁场补偿驱动方案，该方案通过对双层平面线圈分层分幅值激励来提高时变磁场的对称性。首先建立了传感器时变磁场参数化数学模型，根据磁场补偿思路确定了两层激励信号幅值比与传感器结构参数的关系；然后构建了仿真模型，并搭建了传感器实验系统；最后，进行了原有驱动方案与磁场补偿式驱动方案的对比仿真与实验分析。仿真数据表明，磁场补偿驱动方案优化了磁场分布，有效地减小了传感器节距内互补位置的感应电动势幅值差，双层时栅角位移传感器节距内测量误差减小了37.4%；实验数据表明，磁场补偿驱动方案使节距内测量误差降低至（-20.8″，12.6″）。仿真与实验数据的对比验证了磁场补偿驱动方案的有效性。

关键词: 角位移传感器, 磁场补偿, 驱动方案, 测量误差

Abstract: Time-grating angular displacement sensor was widely used in angle measurement of CNC machine tools， industrial robots and other fields. In order to solve the problems of asymmetrical distribution of time-varying magnetic field in the measuring processes of double-layer time-grating angular displacement sensors， a magnetic field compensation driving scheme was proposed. In this scheme， a double-layer planar coil was excited by different layers and amplitudes to improve the symmetry of the time-varying magnetic fields. Firstly， a parameterized mathematical model of the time-varying magnetic fields of the sensor was established， and the relationship between the amplitude ratio of the excitation signals of the two layers and the structural parameters of the sensors was determined according to the idea of magnetic field compensation. Secondly， the simulation model and the sensor experimental system were constructed. Finally， a comparative simulation and experimental analysis of the original driving scheme and the magnetic field compensation driving scheme were designed. According to the simulation data， the magnetic field compensation driving scheme optimizes the magnetic field distribution， and effectively reduces the amplitude difference of the induced electromotive forces at the complementary positions in the sensor pitch， and the measurement errors in the pitch of the double-layer time-grating angular displacement sensors are reduced by 37.4%. The experimental data show that the magnetic field compensation driving scheme may reduce the intra-pitch measurement error to（-20.8″， 12.6″）. Therefore， the effectiveness of the magnetic field compensation driving scheme was verified by comparing the simulation and experimental data.

Key words: , angular displacement sensor, magnetic field compensation, driving scheme, measurement error

中图分类号:

TH712

杨继森, 周润, 张天恒, 卢渝, 吴灼, 张迪, 张静. 结构参数约束下的磁场补偿式双层时栅角位移传感器研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(19): 2296-2303，2312.

YANG Jisen, ZHOU Run, ZHANG Tianheng, LU Yu, WU Zhuo, ZHANG Di, ZHANG Jing. Research on Magnetic Field Compensated Double-layer Time-grating Angular Displacement Sensors under Structural Parameter Constraints[J]. China Mechanical Engineering, 2023, 34(19): 2296-2303，2312.

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