時(shí)柵的波動(dòng)方程分析與行波形成新方法的研究與實(shí)驗(yàn).pdf

1、基于“時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論”的時(shí)柵位移傳感器是一種新型角位移傳感器。其原理中的“以時(shí)間測(cè)空間”的概念，突破了傳統(tǒng)的柵式位移測(cè)量的概念，與傳統(tǒng)柵式傳感器相比，具有許多顯著優(yōu)點(diǎn)。 場(chǎng)式時(shí)柵位移傳感器獲得了有目共睹的成績(jī)，在各個(gè)領(lǐng)域都取得了重要突破，經(jīng)過(guò)不斷的努力逐步走向產(chǎn)業(yè)化的道路。在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中逐漸凸現(xiàn)出了某些問(wèn)題：所采用的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是基于傳統(tǒng)交流電機(jī)的定子繞組而得到的。電機(jī)作為動(dòng)力裝置，對(duì)繞組均分性要求不高，而場(chǎng)式時(shí)柵位移傳感器雖然比

2、光柵的加工精度要求低得多，但作為精密檢測(cè)元件仍然具有一定的精度指標(biāo)。傳感器的精度取決于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的勻速性，而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)勻速性又嚴(yán)重依靠定子繞線槽的均勻性，也即繞線槽的精度。為了保證感應(yīng)信號(hào)的質(zhì)量，精密的繞線工藝和加工工藝是非常必要的，這樣導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)部分占用了整個(gè)傳感器的大部分成本，這都成為時(shí)柵產(chǎn)業(yè)化道路上的一道無(wú)形的障礙。為此擬尋求一種更好的方法，進(jìn)一步降低時(shí)柵位移傳感器對(duì)精密機(jī)械加工的依賴和成本。 基于此，作者在對(duì)時(shí)柵位移傳感

3、器的波動(dòng)方程進(jìn)行深入的分析的基礎(chǔ)之上，提出了一種直接由時(shí)空駐波形成時(shí)間行波的新方法。該方法有別于原有時(shí)柵位移傳感器中刻意設(shè)計(jì)勻速運(yùn)動(dòng)的空間行波(機(jī)械行波與磁行波)作為時(shí)空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論中的帶時(shí)間考查點(diǎn)的勻速運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，再通過(guò)電磁耦合得到時(shí)間行波，從而實(shí)現(xiàn)從空間行波到時(shí)間行波的轉(zhuǎn)換，以達(dá)到“以時(shí)間測(cè)空間”的做法。該方法有利于簡(jiǎn)化時(shí)柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)和加工工藝，降低生產(chǎn)成本。在此理論基礎(chǔ)上，提出了光電式行波形成法和磁阻式行波形成法兩套設(shè)計(jì)方案

4、。并開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新工作總結(jié)如下： (1)基于波動(dòng)方程的觀點(diǎn)，首次將行波區(qū)分為“空間行波”和“時(shí)間行波”，并從概念上明確前者是人們熟知的一個(gè)空間波形在位移 x 軸上的前進(jìn)和后退，而后者是一個(gè)時(shí)間變化量在時(shí)間t軸上的超前和滯后。從而使時(shí)柵位移傳感器中的“時(shí)空觀”更加形象。 (2)首次提出了磁行波是空間行波和電行波是時(shí)間行波的概念。從兩種行波的變換原理揭示了原有的時(shí)柵位移傳感器都是采用從空間行波

5、到時(shí)間行波的轉(zhuǎn)換來(lái)達(dá)到用時(shí)間測(cè)空間的最終目的，同時(shí)也啟發(fā)并提出了直接形成時(shí)間行波的創(chuàng)新思想。 (3)提出了由時(shí)空駐波直接形成時(shí)間行波的思想，并從數(shù)學(xué)意義上分析了駐波形成行波的條件。在此基礎(chǔ)之上，提出了融合多種柵式位移傳感器設(shè)計(jì)思想的光電式行波形成方案和具有原創(chuàng)性的磁阻式行波傳感器形成的技術(shù)方案。 (4)研制出了一套基于行波形成法的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)研究。從理論和實(shí)踐上分析了誤差來(lái)源，并對(duì)各個(gè)誤差源的影響

6、進(jìn)行了數(shù)學(xué)的推導(dǎo)，為消除誤差提供了理論支持。 (5)針對(duì)兩套設(shè)計(jì)方案中的誤差來(lái)源與性質(zhì)，分別提出了誤差補(bǔ)償與修正方案，并將之應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性。并使時(shí)柵位移傳感器中“以時(shí)間測(cè)空間”理論與誤差補(bǔ)償中的“以時(shí)間補(bǔ)空間”的思想得到完美結(jié)合。 綜上所述，本文在深入剖析時(shí)柵位移傳感器波動(dòng)方程的基礎(chǔ)之上，提出了直接由時(shí)空駐波形成時(shí)間行波的設(shè)計(jì)思想，該設(shè)計(jì)思想不同于原有基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的時(shí)柵位移傳感器，而是利