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基于多频磁场耦合的平面二维位移传感器
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作者 杨继森 庹万章 +2 位作者 张静 冯济琴 卢渝 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期201-213,共13页
针对目前光刻机、超精密数控机床等高端超精密装备对于精准平面定位的要求,提出了一种基于多频磁场耦合的平面二维位移传感器。传感器组成为定尺和动尺,其中定尺由导磁基体和X、Y方向励磁线圈构成,动尺由导磁基体和X、Y方向感应线圈构... 针对目前光刻机、超精密数控机床等高端超精密装备对于精准平面定位的要求,提出了一种基于多频磁场耦合的平面二维位移传感器。传感器组成为定尺和动尺,其中定尺由导磁基体和X、Y方向励磁线圈构成,动尺由导磁基体和X、Y方向感应线圈构成。通过对X、Y方向励磁线圈通入正余弦励磁信号,在定尺上构建出多频磁场耦合的二维均匀磁场阵列,动尺感应出带有位移信息的电信号,经过理论推导和电磁仿真验证了多频磁场直接解耦差动结构和幅值调制解算方法的可行性,并对仿真误差进行分析,并优化了传感器结构。最后采用PCB工艺制作传感器样机并开展相关实验研究,实验结果表明:传感器在150 mm×150 mm的测量范围可对二维位移进行精确测量,其中X方向测量精度为±33.08μm,Y方向测量精度为±36.95μm,优化后的传感器样机X、Y方向原始对极内位移误差峰峰值在原有基础上降低了49.1%和50.7%。 展开更多
关键词 二维位移传感器 平面二维位移测量 多频磁场耦合
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A planar capacitive sensor for 2D long-range displacement measurement 被引量:3
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作者 Jian-ping YU Wen WANG +2 位作者 Ke-qing LU De-qing MEI Zi-chen CHEN 《Journal of Zhejiang University-Science C(Computers and Electronics)》 SCIE EI 2013年第4期252-257,共6页
A planar capacitive sensor(PCS) capable of 2D large-scale measurement is presented in this paper.Displacement interpretation depends on independently measuring the periodic variation in capacitance caused by the chang... A planar capacitive sensor(PCS) capable of 2D large-scale measurement is presented in this paper.Displacement interpretation depends on independently measuring the periodic variation in capacitance caused by the change in the overlapping area of sensing electrodes on a moving plate and a fixed plate.By accumulating the number of quarters in each direction and the specific position in the final quarter,the large-scale measurement is fulfilled.Displacements in Xand Y-direction can be measured independently and simultaneously.Simulation shows that a shorter gap distance and a longer electrode guarantee better sensitivity.Experiments based on a PCS test bench demonstrate that the PCS has a sensitivity of 0.198 mV/μm and a resolution of 0.308 μm.An electric fringe effect and other possible measurement errors on displacement interpretation accuracy are discussed.The study confirms the high potential of PCSs as innovative 2D long-range displacement sensors. 展开更多
关键词 planar capacitive sensor (PCS) displacement measurement 2D large-scale measurement
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平面二维时栅位移传感器的理论模型与误差分析 被引量:5
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作者 刘小康 李佳豪 +2 位作者 彭凯 王合文 蒲红吉 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第12期111-121,共11页
本文提出了一种平面二维位移测量方法,并研制出了一种新型的平面二维时栅位移传感器。首先,建立了平面二维时栅测量模型,采用一种离散化的电极编码阵列,实现了二维平面上的编码;其次,提出了一种测量信号解耦方法,通过对4块正交排列的动... 本文提出了一种平面二维位移测量方法,并研制出了一种新型的平面二维时栅位移传感器。首先,建立了平面二维时栅测量模型,采用一种离散化的电极编码阵列,实现了二维平面上的编码;其次,提出了一种测量信号解耦方法,通过对4块正交排列的动尺电极上的感应信号进行线性运算,实现了对输出行波信号的解耦;建立了三维电场仿真模型并进行仿真分析,仿真结果验证了离散化电极编码的可行性和解耦运算方法的有效性;此外,通过仿真得到了平面二维时栅位移传感器的误差特性,其主要以4次误差为主,并且随着间隙的增大而衰减;最后,采用PCB工艺制造了传感器样机进行实验。实验表明:在300 mm×300 mm范围内,二维时栅传感器在X方向大量程误差为±8μm,Y方向大量程误差为±8.4μm,实现了可靠的二维位移测量。 展开更多
关键词 平面二维位移测量 位移传感器 时栅 信号解耦 误差特性
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基于UKF方法的永磁同步平面电动机位移测量 被引量:3
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作者 高阵雨 胡金春 +2 位作者 朱煜 张鸣 段广洪 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第24期40-45,共6页
针对现有永磁同步平面电动机位移测量方法测量自由度少,且安装要求苛刻等缺点,利用少量分散排布,在磁场中相位不重合的霍尔传感器组成的霍尔阵列信号及电动机的磁通密度模型,基于无味卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter,UKF)方法导出... 针对现有永磁同步平面电动机位移测量方法测量自由度少,且安装要求苛刻等缺点,利用少量分散排布,在磁场中相位不重合的霍尔传感器组成的霍尔阵列信号及电动机的磁通密度模型,基于无味卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter,UKF)方法导出一种永磁同步平面电动机沿x、y轴平动及绕z轴转动位移的测量方法。仿真及试验结果表明,该方法可以实现电动机平面3自由度位移的测量。在观测值使用次数一定的情况下,随着观测噪声逐渐减小,位移估计值精度便逐渐提高,但当观测噪声小到一定程度时,位移估计值精度稳定在一定水平上,此时由算法造成的计算误差成为影响精度的主要因素。在同样的观测噪声下,多次使用观测值进行反复迭代,可以使位移估计值精度得到进一步提高。在实际工程应用中,应该从精度要求和计算量综合考虑,从而确定最优观测值迭代次数。 展开更多
关键词 无味卡尔曼滤波(UnscentedKalmanfilter UKF)方法 永磁同步平面电动机 位移测量
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二维光栅平面精密位移测量系统研究 被引量:2
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作者 夏豪杰 费业泰 王中宇 《合肥工业大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2007年第5期529-532,共4页
文章利用二维衍射光栅作为测量基准进行平面微位移测量,采用偏振干涉的原理设计系统的光路。通过对干涉条纹的光电转换得到质量较好的正交信号,经对系统误差的补偿,把系统的测量结果与双频干涉仪进行对比,此系统可实现纳米级分辨率的二... 文章利用二维衍射光栅作为测量基准进行平面微位移测量,采用偏振干涉的原理设计系统的光路。通过对干涉条纹的光电转换得到质量较好的正交信号,经对系统误差的补偿,把系统的测量结果与双频干涉仪进行对比,此系统可实现纳米级分辨率的二维平面测量。 展开更多
关键词 二维光栅 平面位移测量 干涉信号
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利用图像处理实现平面工作台三自由度位移的同步检测 被引量:4
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作者 吴鹰飞 周兆英 《光学技术》 CAS CSCD 2002年第4期326-328,331,共4页
为了实现平面工作台三自由度位移的同步检测 ,研制了图像处理位移检测系统。以CCD相机为核心 ,结合显微镜放大、图像采集和图像处理构成检测系统。图像处理软件用VC编制 ,计算并绘制了工作台三自由度位移随时间的变化关系 ,以及工作台... 为了实现平面工作台三自由度位移的同步检测 ,研制了图像处理位移检测系统。以CCD相机为核心 ,结合显微镜放大、图像采集和图像处理构成检测系统。图像处理软件用VC编制 ,计算并绘制了工作台三自由度位移随时间的变化关系 ,以及工作台在平面内的运动轨迹。系统的位移检测不受工作台大幅转动的影响。检测系统达到了亚像素级的位移分辨率。选择合适的显微镜放大倍率 ,可使检测系统既有较高的位移分辨率 。 展开更多
关键词 位移测量 图像处理 CCCD相机 平面工作台 同步检测
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基于平面线圈的高分辨力时栅角位移传感器 被引量:8
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作者 鲁进 陈锡侯 +1 位作者 武亮 汤其富 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第1期172-181,共10页
针对现有时栅角位移传感器采用漆包线绕制工艺加工线圈,导致线圈布线不均且容易随时间发生变化进而影响测量精度的问题,提出一种基于PCB技术的新型时栅角位移传感器。该传感器通过在PCB基板的不同层上布置特定形状的激励线圈和感应线圈... 针对现有时栅角位移传感器采用漆包线绕制工艺加工线圈,导致线圈布线不均且容易随时间发生变化进而影响测量精度的问题,提出一种基于PCB技术的新型时栅角位移传感器。该传感器通过在PCB基板的不同层上布置特定形状的激励线圈和感应线圈,形成两个完全相同并沿圆周空间正交的传感单元;当在两传感单元的激励线圈中分别通入时间正交的两相激励电流后,通过导磁定子基体和具有特定齿、槽结构的导磁转子对传感单元内的磁场实施精确约束,使两传感单元的感应线圈串联输出初相角随转子转角变化的正弦感应信号;最后通过高频时钟脉冲插补初相角实现精密角位移测量。利用有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真。根据仿真模型制作了传感器实物,开展了验证实验,并对实验中角位移测量误差的频次和来源进行了详细分析。经过标定和补偿,最终获得了整周范围内误差在-2.82″~2.02″的时栅角位移传感器。理论推导、仿真分析和实验验证均表明,该传感器不仅能实现精密角位移测量,还能在激励线圈和感应线圈空间极距和信号质量不变的情况下,将位移测量的分辨力从信号源头提高1倍,且结构简单稳定、极易实现,特别适用于环境恶劣的工业现场。 展开更多
关键词 角位移测量 平面线圈 高分辨力 时栅 传感器
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基于正交双行波磁场的平面二维时栅位移传感器 被引量:2
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作者 武亮 阿岩琛 +2 位作者 吴玉龙 苏瑞 鲁进 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第12期58-65,共8页
针对半导体行业、航空航天等领域对于精密二维位移测量的迫切需求,提出了一种基于正交双行波磁场的平面二维时栅位移传感器。传感器由定尺和动尺组成,定尺由导磁基体和沿x、y方向排列的两励磁线圈组成,动尺由导磁基体和沿x、y方向排列... 针对半导体行业、航空航天等领域对于精密二维位移测量的迫切需求,提出了一种基于正交双行波磁场的平面二维时栅位移传感器。传感器由定尺和动尺组成,定尺由导磁基体和沿x、y方向排列的两励磁线圈组成,动尺由导磁基体和沿x、y方向排列的两层感应线圈组成。当励磁线圈通入正余弦励磁信号时,在定尺上方产生分别沿x和y方向运动的正交双行波磁场。通过对感应线圈输出的感应电信号进行解算得到x和y方向的位移值。首先介绍了传感器的结构和工作原理,对传感器模型进行了电磁场仿真;然后对仿真误差进行溯源分析,并优化传感器结构;最后采用印刷电路板技术制作了传感器样机,并设计相应的电气系统进行实验验证。实验结果表明该传感器在160 mm×160 mm测量范围内能够实现平面二维位移测量,x方向节距内位移误差峰峰值为32.8μm,y方向节距内位移误差峰峰值为34.5μm。 展开更多
关键词 时栅 平面二维位移测量 正交双行波磁场
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差动结构的平面二维时栅位移传感器 被引量:3
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作者 杨继森 牟智铭 +2 位作者 李路建 邵争光 田青青 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第12期1444-1451,1460,共9页
为了解决采用两套高精度一维传感、装置测量二维位移时存在的测量系统复杂、检测同步性难保证和解耦运算复杂等问题,提出了一种基于差动结构的二维感应信号直接解耦方法,用于研究一种平面线圈型二维时栅位移传感器。立足于传统电磁式时... 为了解决采用两套高精度一维传感、装置测量二维位移时存在的测量系统复杂、检测同步性难保证和解耦运算复杂等问题,提出了一种基于差动结构的二维感应信号直接解耦方法,用于研究一种平面线圈型二维时栅位移传感器。立足于传统电磁式时栅技术,构建了二维位移直接解耦测量模型,并设计了传感器的基本结构。利用ANSYS Maxwell建立了传感器三维结构模型并进行了电磁仿真,并对仿真结果进行误差分析和溯源。基于此研制了传感器样机并进行了实验。实验结果表明:样机在79.2 mm×79.2 mm测量范围内,X方向误差为91μm,Y方向误差为74μm,可实现二维位移同步检测和直接解耦测量,且测量系统结构简单、体积小,对研究更高性能的二维时栅具有重要参考价值。 展开更多
关键词 时栅位移传感器 差动结构 平面线圈 二维位移 直接解耦测量
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基于平面驻波磁场的二维位移传感器测量原理与结构优化 被引量:4
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作者 武亮 王鑫达 +1 位作者 童鹏 徐是 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期225-235,共11页
在芯片制造、智能制造、航空航天等领域,精密平面定位迫切需要平面两维度位移的同步独立精密测量。本文提出一种基于电磁感应原理的平面位移传感器,由动阵面和定阵面组成。定阵面由m×n个平面螺旋线圈阵列串联而成,通入交变励磁电... 在芯片制造、智能制造、航空航天等领域,精密平面定位迫切需要平面两维度位移的同步独立精密测量。本文提出一种基于电磁感应原理的平面位移传感器,由动阵面和定阵面组成。定阵面由m×n个平面螺旋线圈阵列串联而成,通入交变励磁电信号时在测量平面产生平面驻波磁场。动阵面由四个螺旋线圈以2×2矩阵形式排列,感应出振幅随x轴和y轴位移变化的四路调制信号,并利用Cordic算法求解两维度位移量。本文首先介绍了传感器的工作原理,对电磁模型进行有限元分析,并对位移解算算法进行数值模拟。根据仿真结果对测量误差进行分析溯源,优化传感器结构。制作传感器样机开展了实验验证,验证了传感器结构和位移解耦方法的可行性。实验表明,传感器在节距内最大误差为48.7μm,分辨率为0.317μm,在147 mm×147 mm量程范围内,传感器线性度达到0.15%,为高精度电磁感应式平面二维位移传感器的进一步发展提供了理论支撑和实验指导。 展开更多
关键词 平面二维位移测量 螺旋线圈 平面驻波磁场 CORDIC算法
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平面光学元件微位移测量及仿真
11
作者 弥谦 赵昊天 《西安工业大学学报》 CAS 2017年第5期357-362,共6页
为了实现针对平面光学元件的微位移测量,提出了一种新型的基于消光式椭偏法的测量方法.通过对光线传播过程中椭圆偏振态的变化进行分析,推导出了在消光条件下,平面光学元件标准件与被测件之间的间距与起偏器方位角及检偏器方位角之间的... 为了实现针对平面光学元件的微位移测量,提出了一种新型的基于消光式椭偏法的测量方法.通过对光线传播过程中椭圆偏振态的变化进行分析,推导出了在消光条件下,平面光学元件标准件与被测件之间的间距与起偏器方位角及检偏器方位角之间的函数关系,根据起偏器与检偏器方位角得出被测件相对标准件发生位移前后的间距,从而得出位移量的数值.仿真结果表明:入射角为60°,实验仪器测角精度为5′时,这种方法能够实现测量范围在250nm以内,测量精度为10nm的微位移测量. 展开更多
关键词 椭偏法 消光法 平面光学元件 微位移测量
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基于历史与磁检测信息的永磁同步平面电机定位方法(英文) 被引量:1
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作者 朱翼先 胡金春 +2 位作者 杜胜武 高阵雨 陈龙敏 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2017年第12期205-213,共9页
通过检测永磁同步平面电机固有的空间磁场实现平面三自由度定位,能够简化运动位移传感器的结构布局,对电流相位的确定和运动控制的精度实现具有重要意义。然而,由于磁场空间分布的非线性,若直接采用常规的数学方法计算三自由度位移,会... 通过检测永磁同步平面电机固有的空间磁场实现平面三自由度定位,能够简化运动位移传感器的结构布局,对电流相位的确定和运动控制的精度实现具有重要意义。然而,由于磁场空间分布的非线性,若直接采用常规的数学方法计算三自由度位移,会导致问题极其复杂且求解精度低。本文从信息融合的角度,运用电机运动的连续性与惯性,提出一种顺序求解算法,可实现平面三自由度位移的高精度、快速求解。该算法基于电机的历史位移和磁场检测信息,解决了原方法由于计算模型限制导致的收敛速度慢的问题。这种基于顺序求解的定位方法较原方法提高了位移分辨率和计算效率,为实现永磁同步平面电机的高精度运动控制铺平道路。 展开更多
关键词 多自由度定位 位移测量 传感器系统及应用 永磁同步平面电机 磁性装置
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高精度平面运动圆环位移转角测试系统设计
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作者 唐胜武 李涛 乔路 《传感器与微系统》 CSCD 2019年第3期99-101,共3页
设计了一种平面运动圆环的转角位移自动测试系统,可实现对动态运动圆环的横、纵向位移和旋转角度测量。采用光学三角法与视觉检测方法,结合信号融合解算算法,实现高精度、动态位移与转角测量。实验证明:该系统可有效解决平面圆环在两个... 设计了一种平面运动圆环的转角位移自动测试系统,可实现对动态运动圆环的横、纵向位移和旋转角度测量。采用光学三角法与视觉检测方法,结合信号融合解算算法,实现高精度、动态位移与转角测量。实验证明:该系统可有效解决平面圆环在两个方向的水平位移与旋转角测量时存在的交叉干扰问题,可同时实现角度检测精度0. 05°,位移检测精度0. 1 mm。 展开更多
关键词 平面运动 转角 位移 测量系统
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