時柵的波動方程分析與行波形成新方法的研究與實驗.pdf

1、基于“時空坐標轉(zhuǎn)換理論”的時柵位移傳感器是一種新型角位移傳感器。其原理中的“以時間測空間”的概念，突破了傳統(tǒng)的柵式位移測量的概念，與傳統(tǒng)柵式傳感器相比，具有許多顯著優(yōu)點。 場式時柵位移傳感器獲得了有目共睹的成績，在各個領(lǐng)域都取得了重要突破，經(jīng)過不斷的努力逐步走向產(chǎn)業(yè)化的道路。在產(chǎn)業(yè)化過程中逐漸凸現(xiàn)出了某些問題：所采用的旋轉(zhuǎn)磁場是基于傳統(tǒng)交流電機的定子繞組而得到的。電機作為動力裝置，對繞組均分性要求不高，而場式時柵位移傳感器雖然比

2、光柵的加工精度要求低得多，但作為精密檢測元件仍然具有一定的精度指標。傳感器的精度取決于旋轉(zhuǎn)磁場的勻速性，而旋轉(zhuǎn)磁場勻速性又嚴重依靠定子繞線槽的均勻性，也即繞線槽的精度。為了保證感應(yīng)信號的質(zhì)量，精密的繞線工藝和加工工藝是非常必要的，這樣導致了旋轉(zhuǎn)磁場部分占用了整個傳感器的大部分成本，這都成為時柵產(chǎn)業(yè)化道路上的一道無形的障礙。為此擬尋求一種更好的方法，進一步降低時柵位移傳感器對精密機械加工的依賴和成本。 基于此，作者在對時柵位移傳感

3、器的波動方程進行深入的分析的基礎(chǔ)之上，提出了一種直接由時空駐波形成時間行波的新方法。該方法有別于原有時柵位移傳感器中刻意設(shè)計勻速運動的空間行波(機械行波與磁行波)作為時空坐標轉(zhuǎn)換理論中的帶時間考查點的勻速運動坐標系，再通過電磁耦合得到時間行波，從而實現(xiàn)從空間行波到時間行波的轉(zhuǎn)換，以達到“以時間測空間”的做法。該方法有利于簡化時柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)和加工工藝，降低生產(chǎn)成本。在此理論基礎(chǔ)上，提出了光電式行波形成法和磁阻式行波形成法兩套設(shè)計方案

4、。并開展了大量的實驗研究。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新工作總結(jié)如下： (1)基于波動方程的觀點，首次將行波區(qū)分為“空間行波”和“時間行波”，并從概念上明確前者是人們熟知的一個空間波形在位移 x 軸上的前進和后退，而后者是一個時間變化量在時間t軸上的超前和滯后。從而使時柵位移傳感器中的“時空觀”更加形象。 (2)首次提出了磁行波是空間行波和電行波是時間行波的概念。從兩種行波的變換原理揭示了原有的時柵位移傳感器都是采用從空間行波

5、到時間行波的轉(zhuǎn)換來達到用時間測空間的最終目的，同時也啟發(fā)并提出了直接形成時間行波的創(chuàng)新思想。 (3)提出了由時空駐波直接形成時間行波的思想，并從數(shù)學意義上分析了駐波形成行波的條件。在此基礎(chǔ)之上，提出了融合多種柵式位移傳感器設(shè)計思想的光電式行波形成方案和具有原創(chuàng)性的磁阻式行波傳感器形成的技術(shù)方案。 (4)研制出了一套基于行波形成法的實驗系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上開展了大量實驗研究。從理論和實踐上分析了誤差來源，并對各個誤差源的影響

6、進行了數(shù)學的推導，為消除誤差提供了理論支持。 (5)針對兩套設(shè)計方案中的誤差來源與性質(zhì)，分別提出了誤差補償與修正方案，并將之應(yīng)用于實驗系統(tǒng)，通過實驗結(jié)果驗證了該方案的有效性。并使時柵位移傳感器中“以時間測空間”理論與誤差補償中的“以時間補空間”的思想得到完美結(jié)合。 綜上所述，本文在深入剖析時柵位移傳感器波動方程的基礎(chǔ)之上，提出了直接由時空駐波形成時間行波的設(shè)計思想，該設(shè)計思想不同于原有基于旋轉(zhuǎn)磁場的時柵位移傳感器，而是利