多讀數(shù)據(jù)頭位移傳感器信號處理及誤差分析

湯建勛

（1.西安石油大學，陜西西安，710065；2. 陜西寶成航空儀表有限責任公司，陜西寶雞，721000）

0　引言

位移測量內(nèi)容一般包含角度位移測量及長度位移測量，對于現(xiàn)今社會生產(chǎn)及應用方面，高精度的測量儀器對高精尖端生產(chǎn)制造、科學研究、航空航天、微電子等都具有非常重要的作用[1]。目前的位移 包括光柵式位移傳感器、旋轉變壓器、時柵式位移傳感器等，一般情況下，需要提高測量精度，都是采用增加數(shù)據(jù)讀頭，并提高測試母儀精度來實現(xiàn)，并進行誤差的修正[2]。近年來誤差修正技術被不斷的完善和提高，不僅能夠良好的提高傳感器測試精度，相比在優(yōu)化過程還能降低成本。采用多數(shù)據(jù)頭來提高測試精度過程，勢必增加了設備部件，提高了傳感器成本，也給安裝加工提出了更高的要求，同時為了避免多數(shù)據(jù)頭測試性能的不一致性，在誤差分析過程可以采用單個數(shù)據(jù)體誤差自行修正，但也需要提高速度來修正誤差，而提高速度的同時也會引起更多的誤差產(chǎn)生，并不利于對誤差的消除[3]。

多個數(shù)據(jù)讀頭角位移傳感器誤差自校正，是目前較為常見的誤差修正方法，國內(nèi)外相關機構已經(jīng)開展了諸多的研究，例如英國國家物理實驗室研究出的角度測量及校準的動態(tài)測試儀，以及德國聯(lián)邦物理實驗室研究出的圓光柵測量角位移高精度實驗轉臺，測量精度達到了0.05角秒[4]。Fujimmoto等人提出的五讀頭均勻分布安裝的誤差測量校正裝置方法，能夠消除5的倍數(shù)的誤差之外的所有干擾誤差，極大的提高了誤差的消除效果。國內(nèi)在時柵式角位移傳感器的分析研究過程，提出了基于回歸模型預測的殘余誤差隨機成分誤差修正方法，對誤差分析起到了良好的效果。目前的誤差自行修正方法，雖然已經(jīng)起到了不錯的效果，但對于傳感器本身而言，以安裝多個角位移傳感器讀頭來進行誤差的分析，實際上增大了測量系統(tǒng)的測量空間大小，以及加工和制造成本。因此，需要研究出一種能適合角位移傳感器誤差分析的理論和方法，使得傳感器的誤差處理更加方便，測量的可靠性更高。

1　傳感器結構及原理

1.1　傳感器結構及多數(shù)據(jù)頭

一般情況對兩相傳感器而言，傳感器定子的槽距角為π+π/2n，n為自然數(shù)，對應的三相傳感器即為π+π/3n，在外部進行密集整齊的繞線后構建兩相或三相傳感器，一般情況下，構建的定子槽距是轉子槽距的1.5倍，轉子繞組形成正弦信號，定子繞組形成輸出型號，兩者作用后形成空間的正交型號，進而實現(xiàn)角位移的測量（圖1）。

圖1　角位移傳感器結構圖

1.2　傳感器原理

位移傳感器由轉子和定子組成，通過定子上的正弦繞組和余弦繞組進行感應信號輸出，轉子上施加正弦激勵信號，輸入激勵信號、正弦繞組、余弦繞組感應信號公式見式1-3。

式中，Ue為正弦激勵信號，U為激勵信號的幅值，α為轉子轉過角度。

利用式4，當Uo為0時，θ=α+π/8，即可求得θ的值，因此α即為θ-π/8，即可求得了角位移量。

2　誤差分析及修正

對誤差進行分類及分析，將傳感器誤差分為多數(shù)據(jù)頭相同影響部分誤差及不同影響部分誤差，然后建立位移計算模型來進行修正，從而盡可能消除誤差影響。

2.1　誤差特征分析

根據(jù)角位移傳感器誤差來源，可以分為工藝誤差、原理計算誤差及測量條件誤差。從誤差的分析形式上，可以將傳感器誤差類型分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和組大誤差[5]。

誤差特征如下：（1）硬件電路導致測量過程產(chǎn)生幅值誤差，且誤差在不同數(shù)據(jù)讀頭上大小不一致；（2）由于定子及轉子的制造精密度不一樣，使得測量過程產(chǎn)生的正交誤差，二次余弦產(chǎn)生變化；（3）激勵信號耦合過程的變化導致產(chǎn)生誤差，該誤差作用在不同數(shù)據(jù)讀頭影響一致；（4）傳感器測量系統(tǒng)硬件電路產(chǎn)生的輸出誤差，導致余弦變化，對不同數(shù)據(jù)讀頭影響不一致；（5）兩相輸出過程耦合導致二次余弦發(fā)現(xiàn)變化，產(chǎn)生不同數(shù)據(jù)讀頭測量誤差。

2.2　誤差修正

對誤差分析進行模型的建立，見式5、式6。

式中，Δγs、Δγc為正弦、余弦繞組感應信號誤差幅值，Δαws、Δαwc為正弦、余弦繞組感應信號相位移誤差值；Ns和Nc為正弦、余弦繞組感應信號直流分量。

通過構建角位移計算的模型，將Us、Uc信號輸出信號代入角位移解算及相位移誤差和正交誤差的修正公式，讀數(shù)-誤差=真值的表現(xiàn)形式，即式7。

式中A、B為兩個數(shù)據(jù)讀頭讀數(shù)。

因此，通過兩個數(shù)據(jù)讀頭讀數(shù)，即可就得未知量方程，即式8，就可以求解出未知量。

按照上述構建的誤差辨別模式，即可實現(xiàn)多次諧波參數(shù)的識別。

3　結語

分析了角位移傳感器誤差特征及來源影響，構建位移解算模型，進而實現(xiàn)誤差特征參數(shù)的解算，實現(xiàn)誤差的修正。