Magnetic field time-gate displacement sensor based on discrete winding and its error characteristics

CHEN Ziran; ZHANG Hengxiao; HE Zhiying; CHEN Hongyou; YU Haiyou

doi:10.37188/OPE.20233119.2836

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Magnetic field time-gate displacement sensor based on discrete winding and its error characteristics

Micro/Nano Technology and Fine Mechanics | 更新时间：2023-10-12

- Magnetic field time-gate displacement sensor based on discrete winding and its error characteristics
- Optics and Precision Engineering Vol. 31, Issue 19, Pages: 2836-2849(2023)
- 作者机构：
  
  1.重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心，重庆 400054
  2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039
  3.时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆 400054
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20233119.2836
  CLC： TP212
- Received：30 March 2023，
  
  Revised：20 April 2023，
  
  Published：10 October 2023
- 稿件说明：
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陈自然,张桁潇,何智颖等.基于离散绕组的磁场式时栅位移传感器及误差特性[J].光学精密工程,2023,31(19):2836-2849.

CHEN Ziran,ZHANG Hengxiao,HE Zhiying,et al.Magnetic field time-gate displacement sensor based on discrete winding and its error characteristics[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(19):2836-2849.
陈自然,张桁潇,何智颖等.基于离散绕组的磁场式时栅位移传感器及误差特性[J].光学精密工程,2023,31(19):2836-2849. DOI： 10.37188/OPE.20233119.2836.

CHEN Ziran,ZHANG Hengxiao,HE Zhiying,et al.Magnetic field time-gate displacement sensor based on discrete winding and its error characteristics[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(19):2836-2849. DOI： 10.37188/OPE.20233119.2836.

摘要

针对高精度位移传感器难以加工的难题，提出一种基于离散绕组的磁场式时栅位移传感器。通过设计离散激励绕组排布方式与感应绕组的形状控制感应位移信号的变化规律，通过组合测量方式实现精密位移测量。通过理论建模、仿真分析与实验验证揭示了激励信号误差和安装偏差对传感器测量精度的影响规律。实验结果表明：两路激励信号的幅值不等和安装偏差都会在对极内测量精度中直接引入直流分量误差和2次谐波误差，其中2次谐波误差是误差的主要成分。安装偏差越大，2次谐波误差越大，动尺沿

轴偏摆姿态对测量精度的影响最大，沿

轴翻转姿态引入的误差次之，沿

轴俯仰姿态引入的误差最小。误差修正后传感器在144 mm的测量范围内，测量误差峰峰值为4.5 μm，分辨力为0.15 μm。通过毫米级尺寸的激励和感应绕组实现微米级精度测量，可显著降低传感器的制造难度，具有重要的工程应用价值。

Abstract

Addressing the challenges in the manufacturing of high-precision displacement sensors， a magnetic-field time-gate displacement sensor based on discrete windings was proposed. Through a specific arrangement of discrete exciting windings and valid shape of the discrete inducing windings， the change law of induced displacement signals was controlled. High-precision displacement was achieved using a combined measurement method. Furthermore， the influence of errors in exciting signals and the installation errors of the sensor on the measurement precision was analyzed via theoretical modeling， simulated analysis， and experimental verification. The experiment results showed that the DC error and 2nd harmonic error were introduced directly within the pitch by the amplitude errors between the two excitation signals and installation errors， with the 2nd harmonic error being the primary contributor to the measurement errors. As installation errors increased， the 2nd harmonic error also increased. The most significant impact on the measurement error was found to be the deflection error along the

axis， followed by the flip error along the

axis， and the least impactful was the tilt error along the

axis. After error correction was applied， the peak-to-peak value of the measurement error was found to be 4.5 μm within 144 mm， and the resolution was determined to be 0.15 μm. The primary feature of the method proposed is that discrete exciting windings and inducing windings on a millimeter scale were used to achieve measurement precision on a micrometer scale. This approach was shown to significantly reduce the manufacturing challenges of the displacement sensor， providing academic value and practical value.

关键词

Keywords

references

YU H ， WAN Q ， MU Z ， et al . Novel nano-scale absolute linear displacement measurement based on grating projection imaging ［J］. Measurement ， 2021 ， 182 ： 109738 . doi: 10.1016/j.measurement.2021.109738 http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2021.109738

GAO W ， KIM S W ， BOSSE H ， et al . Measurement technologies for precision positioning ［J］. CIRP Annals ， 2015 ， 64 （ 2 ）： 773 - 796 . doi: 10.1016/j.cirp.2015.05.009 http://dx.doi.org/10.1016/j.cirp.2015.05.009

KUMAR A S A ， GEORGE B ， MUKHOPADHYAY S C . Technologies and applications of angle sensors： a review ［J］. IEEE Sensors Journal ， 2021 ， 21 （ 6 ）： 7195 - 7206 . doi: 10.1109/jsen.2020.3045461 http://dx.doi.org/10.1109/jsen.2020.3045461

王磊，卢秉恒 . 中国工作母机产业发展研究［J］. 中国工程科学， 2020 ， 22 （ 2 ）： 29 - 37 . doi: 10.15302/j-sscae-2020.02.005 http://dx.doi.org/10.15302/j-sscae-2020.02.005

WANG L ， LU B H . Research on the development of machine tool industry in China ［J］. Strategic Study of CAE ， 2020 ， 22 （ 2 ）： 29 - 37 . （in Chinese） . doi: 10.15302/j-sscae-2020.02.005 http://dx.doi.org/10.15302/j-sscae-2020.02.005

王国超，颜树华，高雷，等 . 光栅干涉位移测量技术发展综述［J］. 激光技术， 2010 ， 34 （ 5 ）： 661 - 664， 716 . doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2010.O5.023 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-3806.2010.O5.023

WANG G CH ， YAN SH H ， GAO L ， et al . Development of displacement measurement technologies based on grating interferometry ［J］. Laser Technology ， 2010 ， 34 （ 5 ）： 661 - 664， 716 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2010.O5.023 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-3806.2010.O5.023

蔡崇文，叶国永，刘红忠 . 基于Vold-Kalman滤波的光栅谐波动态抑制方法［J］. 仪器仪表学报， 2021 ， 42 （ 3 ）： 17 - 24 . doi: 10.19650/j.cnki.cjsi.J2107424 http://dx.doi.org/10.19650/j.cnki.cjsi.J2107424

CAI CH W ， YE G Y ， LIU H ZH . Dynamic suppression of harmonic distortion for optical encoders via Vold-Kalman filtering ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2021 ， 42 （ 3 ）： 17 - 24 . （in Chinese） . doi: 10.19650/j.cnki.cjsi.J2107424 http://dx.doi.org/10.19650/j.cnki.cjsi.J2107424

于连栋，鲍文慧，赵会宁，等 . 新型圆光栅测角误差补偿方法及其应用［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 8 ）： 1719 - 1726 . doi: 10.3788/ope.20192708.1719 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192708.1719

YU L D ， BAO W H ， ZHAO H N ， et al . Application and novel angle measurement error compensation method of circular gratings ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2019 ， 27 （ 8 ）： 1719 - 1726 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20192708.1719 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192708.1719

Heidenhain LIP 201 datasheet ［EB/OL］. https：//www. heidenhain.com.cn/fileadmin/pdb/media/img/208960-ZH_Exposed_Linear_Encoders_zh_WEB.pdf https://www.heidenhain.com.cn/fileadmin/pdb/media/img/208960-ZH_Exposed_Linear_Encoders_zh_WEB.pdf .

李民康，向显嵩，周常河，等 . 基于超精密激光直写系统制作二维光栅［J］. 光学学报， 2019 ， 39 （ 9 ）： 0905001 . doi: 10.3788/aos201939.0905001 http://dx.doi.org/10.3788/aos201939.0905001

LI M K ， XIANG X S ， ZHOU CH H ， et al . Fabrication of two-dimensional grating based on ultra-precision laser direct writing system ［J］. Acta Optica Sinica ， 2019 ， 39 （ 9 ）： 0905001 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos201939.0905001 http://dx.doi.org/10.3788/aos201939.0905001

刘正坤，谭鑫，徐向东，等 . 变栅距光栅光谱分辨研究［J］. 光学精密工程， 2008 ， 16 （ 7 ）： 1153 - 1157 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2008.07.001 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2008.07.001

LIU ZH K ， TAN X ， XU X D ， et al . Study on resolving power of varied line-space grating ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2008 ， 16 （ 7 ）： 1153 - 1157 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2008.07.001 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2008.07.001

王笑一，户璐卿，雷贤卿，等 . 透射光栅位移传感器中光栅副Yaw向夹角误差的影响和监测［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 10 ）： 2154 - 2164 . doi: 10.3788/ope.20192710.2154 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192710.2154

WANG X Y ， HU L Q ， LEI X Q ， et al . Influence and monitoring of yaw angle error of grating pair in transmission grating displacement sensor ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2019 ， 27 （ 10 ）： 2154 - 2164 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20192710.2154 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192710.2154

陈自然，黎锡，冯曦颉，等 . 基于差极结构的绝对式直线时栅位移传感器研究及测量误差特性分析［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 6 ）： 667 - 677 . doi: 10.37188/ope.20223006.0667 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20223006.0667

CHEN Z R ， LI X ， FENG X J ， et al . Research on absolute linear time-grating displacement sensor with one-pole-difference structure and analysis of measurement error characteristics ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2022 ， 30 （ 6 ）： 667 - 677 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20223006.0667 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20223006.0667

武亮，彭东林，汤其富，等 . 寄生式时栅位移传感器测量原理与结构优化［J］. 仪器仪表学报， 2016 ， 17 （ 5 ）： 976 - 984 . doi: 10.3969/j.issn.0254-3087.2016.09.022 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0254-3087.2016.09.022

WU L ， PENG D L ， TANG Q F ， et al . Measurement principle and structure optimization of parasitic time grating displacement sensor ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2016 ， 17 （ 5 ）： 976 - 984 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.0254-3087.2016.09.022 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0254-3087.2016.09.022

武亮，彭东林，鲁进，等 . 基于平面线圈线阵的直线时栅位移传感器［J］. 仪器仪表学报， 2017 ， 38 （ 1 ）： 83 - 90 . doi: 10.3969/j.issn.0254-3087.2017.01.011 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0254-3087.2017.01.011

WU L ， PENG D L ， LU J ， et al . Linear time grating displacement sensor based on linear array of planar coils ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2017 ， 38 （ 1 ）： 83 - 90 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.0254-3087.2017.01.011 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0254-3087.2017.01.011

杨洪涛，章刘沙，周姣，等 . 寄生式时栅安装误差对传感器测量精度的影响［J］. 光学精密工程， 2016 ， 24 （ 2 ）， 319 - 326 . doi: 10.3788/ope.20162402.0319 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20162402.0319

YANG H T ， ZHANG L SH ， ZHOU J ， et al . Effect of installation error of parasitic time grating on sensor measuring accuracy ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2016 ， 24（ 2 ） 319 - 326 . doi: 10.3788/ope.20162402.0319 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20162402.0319

鲁进，陈锡侯，汤其富，等 . 变耦型时栅传感器及测头姿态对测量误差的影响［J］. 光学精密工程， 2016 ， 24 （ 9 ）： 2271 - 2282 。. doi: 10.3788/ope.20162409.2271 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20162409.2271

LU J ， CHEN X H ， TANG Q F ， et al . Variable coupling time grating sensor and effects of sensor-head attitudes on measuring errors ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2016 ， 24 （ 9 ）： 2271 - 2282 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20162409.2271 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20162409.2271

孙世政，周清松，韩宇，等 . 不同安装模态对嵌入式时栅测量误差的影响［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 10 ）： 2290 - 2300 . doi: 10.37188/ope.20202810.2290 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20202810.2290

SUN S ZH ， ZHOU Q S ， HAN Y ， et al . Effect of different mounting modes on embedded time grating measuring errors ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2020 ， 28 （ 10 ）： 2290 - 2300 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20202810.2290 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20202810.2290

陈自然，赵有祥，刘小康，等 . 基于检测单元的永磁同步直线电机位置检测新技术［J］. 仪器仪表学报， 2020 ， 41 （ 12 ）： 48 - 55 .

CHEN Z R ， ZHAO Y X ， LIU X K ， et al . A novel position detection technique for the permanent magnet synchronous linear motor using position detection units ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2020 ， 41 （ 12 ）： 48 - 55 . （in Chinese）

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