多讀數據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

位移測量內容一般包含角度位移測量及長度位移測量，對于現今社會生產及應用方面，高精度的測量儀器對高精尖端生產制造、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，都是采用增加數據讀頭，并提高測試母儀精度來實現，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，相比在優化過程還能降低成本。采用多數據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，同時為了避免多數據頭測試性能的不一致性，在誤差分析過程可以采用單個數據體誤差自行修正，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生，并不利于對誤差的消除[3]。

多個數據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，國內外相關機構已經開展了諸多的研究，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測試儀，以及德國聯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　傳感器結構及多數據頭

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

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-誤差=真值的表現形式，即式7。

式中A、B為兩個數據讀頭讀數。

因此，通過兩個數據讀頭讀數，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，即可實現多次諧波參數的識別。

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，進而實現誤差特征參數的解算，實現誤差的修正。