时栅位移传感器智能化实现方法研究

　　1　引　　言

　　传统传感器技术通过追求传感器本身的完善,对传感器的各个环节进行精心设计与调试、进行“手工艺品”式的精雕细琢来获得高性能。随着传感器技术的发展,传感器与微处理器相结合,导致了传感器的智能化。实现传感器各项智能化的功能,是克服传感器自身不足,获得高稳定性、高可靠性、高精度、高自适应能力的必由之路[1]。目前,各种智能传感器都是在最少硬件条件基础上通过发挥微处理器的强大软件优势来实现智能化功能的[1-4]。作者近十年来一直从事一种新型的栅式位移传感器———时栅的研究,以时间测量空间位移,利用低成本实现了高精度,研制出系列化的时栅产品。高性能时栅的研制成功与采用各种传感器智能化的实现方法是分不开的。在研究过程中,除采用数字滤波、统计平均处理等通用数据处理技术来消除偶然误差,排除内部和外部引入的干扰外,还根据理论分析结果,针对性地采取了一些智能化处理方法,这些方法在确保时栅性能方面起到了至关重要的作用。

　　2　自补偿

　　根据前期提出的时空坐标转换理论[5],对于以任意速度v运动的质点P在静止坐标系S上的位移x(见图1),可以通过另一以恒速V运动的坐标系S′上观察到的时间之差反映出来:

　　在空间对称的三相交流绕组中通以按时间120°均分的三相交流电流,采用在三相绕组周围产生的旋转磁场M来获取高稳定度的V,从而研制了时栅位移传感器。这时,三相交流电流相位差是决定运动坐标系S′的运动速度V稳定的关键参数,采用数字闭环控制技术来对相位差进行自动补偿,以保证三相交流电流相位差的恒定,从而获得恒速V。实际上这种自补偿技术的实现,理论上能消除温度、电子元器件和其他一些不易界定的因素的影响,进而能提高时栅的性能。

　　自补偿方法工作原理如图2所示[6]。采用直接数字频率合成技术(DDS)来产生3路正弦信号,经功率放大后得到三相驱动电流iA、iB和iC,输入到三相交流绕组后,就产生一个以速度V运动的旋转磁场。相位检测与比较单元用于检测三路驱动电流之间的相位差,并计算其与理想值120°之间的偏差。偏差的表达式为:

　　式中:ψAB为iA和iB之间的相位差,ψBC为iB和iC之间的相位差,ψA、ψB和ψC分别为三相交流电流iA、iB和iC的相位。计算得到的偏差值ψA和ψC作为反馈量引入到DDS中,分别对驱动电流iA和iC进行相位调制,通过这种方式很容易就构成了一个闭环系统,控制ψAB和ψBC保持几乎不变,从而确保V的稳定度.

　　3　自校零和自校准

　　自校零与自校准功能原理如图3所示。微处理器通过控制开关K1,将时栅动测头信号um分两路接入比相电路进行处理,理论上经微处理器运算得到的相位差值应为零,但由于两路信号处理电路参数之间略有差异,实际上,测量得到的结果不为零,存在一个零位误差。这一误差若为一个固定值,则很容易消除。实际上,由于电路内在和电压波动、环境温度变化等外在因素的影响,零位值会发生缓慢漂移。因此,在测量过程中,微处理器周期性地控制开关K1动作,实时测量出当前零位值,然后通过软件加以消除,从而实现时栅测量的自校零功能。