单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器 被引量：21

1

作者 彭凯 于治成 +2 位作者 刘小康 郑方燕 蒲红吉 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第3期734-740,共7页

在双排结构纳米时栅位移传感器的研究基础上,提出了一种单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器。通过直接构造一个匀速运动的交变电场来产生行波信号,解决了双排结构所具有的串扰问题和安装问题;采用差动感应极片来拾取信号,可有效地消... 在双排结构纳米时栅位移传感器的研究基础上,提出了一种单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器。通过直接构造一个匀速运动的交变电场来产生行波信号,解决了双排结构所具有的串扰问题和安装问题;采用差动感应极片来拾取信号,可有效地消除共模干扰。用微纳加工工艺制作了一种多层薄膜的单排差动结构的纳米时栅传感器样机并进行了性能测试,最终在200 mm的量程范围内取得了±150 nm的测量精度。对比双排结构的纳米时栅传感器,这种新型的纳米时栅传感器测量精度、信号稳定性及抗干扰能力得到明显的提高,并且在尺寸减小的同时拓展了有效量程,因此在产品化的过程中更具有应用前景。 展开更多

关键词 纳米时栅 电容式位移传感器 单排结构 差动感应极片

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纳米时栅的电气参数与误差特性研究 被引量：9

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作者 孟瑶 周启武 +2 位作者 郑方燕 刘小康 施海 《重庆理工大学学报（自然科学）》 CAS 北大核心 2019年第6期65-71,共7页

纳米时栅采用交变电场构建匀速参考系,实现空间到时间基准的溯源,提高了测量精度。提出一种基于交变电场的直线式位移时栅传感器。为进一步提升传感器测量精度并实现高精度测量,研究了电气参数对纳米时栅精度的影响,分析了传感单元之间... 纳米时栅采用交变电场构建匀速参考系,实现空间到时间基准的溯源,提高了测量精度。提出一种基于交变电场的直线式位移时栅传感器。为进一步提升传感器测量精度并实现高精度测量,研究了电气参数对纳米时栅精度的影响,分析了传感单元之间的阻抗特性。针对影响电场分布的阻抗进行分析研究,首先建立传感器的电路模型,依据对电路方程的推导以及电气参数的仿真,分析了阻抗特性引入的误差规律。制作了传感器样机,并搭建实验平台进行了精度测试,验证了推导误差规律,同时借助时空转换原理修改激励信号参数,消除了阻抗特性带来的影响,最终传感器对极内精度达到±0.4μm。 展开更多

关键词 纳米时栅 电气参数 阻抗特性 误差特性

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电极几何尺寸误差对纳米时栅位移传感器测量精度的影响及其抑制方法 被引量：6

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作者 彭凯 刘小康 +2 位作者 于治成 王合文 蒲红吉 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第7期21-27,共7页

在纳米时栅传感器的制造过程中,由加工工艺引入的制造误差主要表现为电极几何尺寸误差。通过运用分段面积积分方法进行数学建模,详细地分析了电极几何尺寸误差对测量精度的影响,并揭示了采用多个感应电极进行信号拾取会具有一种平均效应... 在纳米时栅传感器的制造过程中,由加工工艺引入的制造误差主要表现为电极几何尺寸误差。通过运用分段面积积分方法进行数学建模,详细地分析了电极几何尺寸误差对测量精度的影响,并揭示了采用多个感应电极进行信号拾取会具有一种平均效应,能够有效地匀化由电极几何尺寸误差随机变化所引入的测量误差。采用制造精度在1μm级的微纳加工工艺和制造精度在10μm级的印制电路板(PCB)工艺分别制作了两套量程为200 mm的传感器样机,并进行了精度对比实验。实验结果表明,由于平均效应的作用,PCB工艺制作的样机经过简单的线性补偿后,在满量程内取得了±250 nm的测量精度,接近微纳加工工艺制作的样机的测量精度。实验结果验证了多个感应电极平均效应的有效性。 展开更多

关键词 制造误差 电极几何尺寸误差 平均效应 栅式位移传感器 纳米时栅

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基于分时方法的高精度反射绝对式纳米时栅位移传感器设计 被引量：6

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作者 刘小康 梅现富 +2 位作者 蒲红吉 彭凯 于治成 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期97-105,共9页

本文提出了一种反射绝对式纳米时栅位移传感器的传感方法。采用反射单列式传感器作为反射绝对式传感器的精密测量部分,记为传感器A。为了实现绝对位移测量,设计了一个与传感器A相差一个周期的反射单列式传感器,记为传感器B,利用传感器A... 本文提出了一种反射绝对式纳米时栅位移传感器的传感方法。采用反射单列式传感器作为反射绝对式传感器的精密测量部分,记为传感器A。为了实现绝对位移测量,设计了一个与传感器A相差一个周期的反射单列式传感器,记为传感器B,利用传感器A与传感器B相位作差实现绝对位移测量。采用标准印刷电路板技术制作了传感器样机,搭建了实验平台,进行了实验测试。测试结果表明,激励电极引线方式对接收电极带来干扰,从而造成一次谐波误差。为了抑制误差,提出了交叉反射结构和分时方法,交叉反射结构将感应电极与另一端的反射电极引线相连,增大激励电极和接收电极的距离,分时方法通过不同时间段对传感器A和传感器B施加激励信号,并把不工作的电极接地。实验表明该结构和方法相互配合有效的抑制了干扰,最终在400 mm范围内,补偿后实现了±300 nm的测量精度。 展开更多

关键词 绝对位移测量 纳米时栅 分时方法 位移传感器

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安装误差对于电场式圆时栅传感器测量精度的影响规律及抑制方法

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作者 于沛玉 王合文 +2 位作者 王祥虎 吴昶亮 展丙男 《重庆理工大学学报（自然科学）》 CAS 北大核心 2024年第2期132-140,共9页

在纳米时栅传感器安装过程中,转子相对于定子的偏心或偏摆,是角位移传感器整周测量误差的主要来源。运用面积积分法进行数学建模,分析在安装不满足正对平行条件时的整周误差及其谐波频次,揭示采用多个电极进行信号拾取会具有一种匀化效... 在纳米时栅传感器安装过程中,转子相对于定子的偏心或偏摆,是角位移传感器整周测量误差的主要来源。运用面积积分法进行数学建模,分析在安装不满足正对平行条件时的整周误差及其谐波频次,揭示采用多个电极进行信号拾取会具有一种匀化效应,能够减小由安装带来的谐波误差。采用印制电路板(PCB)工艺制造直径为305 mm的传感器样机,在不同测头数量的条件下进行精度对比实验。实验结果表明:多测头结构能够对整周误差产生抑制与匀化作用,使传感器整周测量精度达到1.5″,接近平行正对安装时的测量精度,验证了多测头结构对安装误差的抑制作用。 展开更多

关键词 安装误差 多测头 纳米时栅 测量精度

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基于虚拟仪器技术的纳米时栅传感器实验研究 被引量：1

6

作者 凌旭 王先全 +1 位作者 冯济琴 蒲红吉 《传感器与微系统》 CSCD 北大核心 2013年第12期61-63,66,共4页

为了实现制造成本低、抗干扰性强、性能稳定的大量程、纳米精度位移测量,研究了一种基于交变电场耦合的纳米时栅位移传感器。利用虚拟仪器开发平台LabVIEW软件和PXI—5422任意波形发生器硬件设备相结合,实现标准波形的频率、幅值、相位... 为了实现制造成本低、抗干扰性强、性能稳定的大量程、纳米精度位移测量,研究了一种基于交变电场耦合的纳米时栅位移传感器。利用虚拟仪器开发平台LabVIEW软件和PXI—5422任意波形发生器硬件设备相结合,实现标准波形的频率、幅值、相位的设置等功能。实验得出:通过调节激励信号的幅值可以避免安装位置的不同对纳米时栅精度的影响,调节相位可以提高其精度。虚拟仪器技术在纳米时栅实验中的应用为激励信号性能的改进与提高提供了技术支持,在纳米时栅特性的研究中提供方便。 展开更多

关键词 纳米测量 虚拟仪器 位移传感器 时栅

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纳米时栅位移传感器的理论模型与误差分析 被引量：35

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作者 刘小康 彭凯 +1 位作者 王先全 朱革 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第5期1136-1142,共7页

纳米位移测量技术及器件是实现纳米精度定位与控制的"眼睛",针对现有的纳米位移测量方法在大量程和高精度之间难以兼顾的现状,提出一种基于交变电场的驻波合成电行波的新方法,研究一种新型的纳米时栅位移传感器。对纳米时栅... 纳米位移测量技术及器件是实现纳米精度定位与控制的"眼睛",针对现有的纳米位移测量方法在大量程和高精度之间难以兼顾的现状,提出一种基于交变电场的驻波合成电行波的新方法,研究一种新型的纳米时栅位移传感器。对纳米时栅的工作原理进行了详细分析,构建了一个受4路位移信息调制的行波表达式,通过对表达式的理论推导,分析了2路驻波幅值不相等、单路驻波正负幅值不相等以及驻波中包含高次谐波分量等因素导致的误差规律。在此基础上开展了大量验证性实验,结果证明了理论分析的正确性。根据理论分析和实验结果,明确了纳米时栅一次、二次和四次误差的产生原因,据此对传感结构和参数进行了优化设计,最终在200 mm测量范围内精度达到±300 nm。 展开更多

关键词 纳米测量 电容传感器 时栅 行波合成 误差特性

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纳米时栅位移传感器电场分布与误差特性研究 被引量：19

8

作者 刘小康 蒲红吉 +2 位作者 郑方燕 冯济琴 于治成 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第10期2257-2264,共8页

针对现有纳米测量技术量程小和测量环境要求苛刻等不足,提出研究一种以高频时钟脉冲作为计量基准的新型纳米位移传感器,利用差动平行电容极板构建的交变电场进行精密测量。为了优化传感参数并提高测量精度,对纳米时栅传感器在不同参数... 针对现有纳米测量技术量程小和测量环境要求苛刻等不足,提出研究一种以高频时钟脉冲作为计量基准的新型纳米位移传感器,利用差动平行电容极板构建的交变电场进行精密测量。为了优化传感参数并提高测量精度,对纳米时栅传感器在不同参数条件下的电场分布与误差特性进行了研究。首先根据其测量特征,利用ANSYS软件建立二维仿真模型,对不同参数条件下传感器的电场分布进行分析;再通过实验验证,找出不同参数与误差特性之间的关系;最后根据仿真和实验结果,对传感参数进行优化设计。实验表明:在200 mm测量范围内,传感器精度达到±300 nm。为纳米时栅优化设计和精度提高提供了可靠的理论依据和技术支持。 展开更多

关键词 纳米测量 电容式位移传感器 时栅 电场分布 误差特性

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纳米时栅传感器数字信号处理系统设计 被引量：7

9

作者 于治成 郑方燕 +2 位作者 冯济琴 蒲红吉 凌旭 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2013年第11期1548-1551,共4页

针对大量程纳米级精度测量难的问题,结合时栅传感器的基本原理,提出一种基于交变电场耦合的纳米时栅传感器。利用Nutt内插法对影响时栅精度的关键因素—时间量进行精密测量,降低了系统对插补脉冲频率的要求,提高了测量分辨率。采用SOPC... 针对大量程纳米级精度测量难的问题,结合时栅传感器的基本原理,提出一种基于交变电场耦合的纳米时栅传感器。利用Nutt内插法对影响时栅精度的关键因素—时间量进行精密测量,降低了系统对插补脉冲频率的要求,提高了测量分辨率。采用SOPC技术设计纳米时栅信号处理系统,保证了系统高性能实时测量。实验结果表明,该系统能稳定正常工作,在行程200 mm测量范围内,纳米时栅误差峰峰值为590 nm。 展开更多

关键词 纳米测量 时栅 内插法 可编程片上系统 信号处理

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纳米时栅传感器高精度激励信号源研究与设计 被引量：6

10

作者 黄沛 郑方燕 +1 位作者 冯济琴 陈自然 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2015年第7期977-981,共5页

纳米时栅利用正交变化电场构建的运动参考系进行测量,激励信号精度直接影响运动参考系匀速性,进而影响测量精度。针对纳米时栅需要高精度激励信号的要求,设计了一种采用闭环控制结构的高精度激励信号源,该信号源采用单片FPGA实现总体控... 纳米时栅利用正交变化电场构建的运动参考系进行测量,激励信号精度直接影响运动参考系匀速性,进而影响测量精度。针对纳米时栅需要高精度激励信号的要求,设计了一种采用闭环控制结构的高精度激励信号源,该信号源采用单片FPGA实现总体控制,完成采集控制、数据处理和波形数据产生等功能,利用16位高精度数据转换器构建信号发生电路及反馈电路,保证了对信号的精确控制。测试结果表明:输出正弦信号幅值精度为0.01%,相位精度为0.1%,并将纳米时栅原始精度从1.4μm提高至0.9μm。 展开更多

关键词 纳米测量 时栅 闭环控制 FPGA 信号源

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一种分时复用的绝对式纳米时栅位移传感器设计

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作者 邓志钊 蒲红吉 +2 位作者 于治成 王合文 樊星辰 《重庆理工大学学报（自然科学）》 CAS 北大核心 2023年第12期122-129,共8页

现代高端装备制造对精密位移检测技术提出了绝对位置测量、高精度和大量程的需求,针对绝对式位移量程与编码的矛盾,提出了一种基于分时复用方法的绝对式纳米时栅位移传感器。采用单列式时栅位移传感器作为绝对式传感器的精测部分,记为... 现代高端装备制造对精密位移检测技术提出了绝对位置测量、高精度和大量程的需求,针对绝对式位移量程与编码的矛盾,提出了一种基于分时复用方法的绝对式纳米时栅位移传感器。采用单列式时栅位移传感器作为绝对式传感器的精测部分,记为传感器A。为了实现绝对位移测量,增加一个周期数比传感器A少且互为质数的对射增量式时栅位移传感器,记为传感器B。利用传感器A与传感器B输出行波的相位值,通过查找表和定位计算实现绝对位移测量。提出了一种分时复用的方法,通过分时间段为传感器A与传感器B提供激励信号,可以有效降低传感器功耗。此外,传感器A与传感器B的感应电极在内部用引线连接,共用1组感应信号处理接口,减少了1组感应信号处理器件,节约了电路空间。采用多层PCB工艺制造了传感样机,搭建了实验平台并对样机性能进行测试。最终实验结果表明:在450 mm范围内,非线性测量误差达到±3μm。 展开更多

关键词 分时复用方法 绝对位移测量 纳米时栅 位移传感器

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基于纳米时栅传感器安装偏差的测量精度分析研究 被引量：4

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作者 王合文 吴玉梅 +2 位作者 郑方燕 但敏 樊星辰 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第2期230-235,共6页

为了解析安装参数与测量精度的关系,根据纳米时栅的基本测量原理,构建出与动、定尺间距d0和正对面积变化量ΔS相关的数学模型。通过理论推导,分析了动尺在yz平面倾斜、xy平面偏转时会导致两路驻波幅值不等、相位偏移,从而给测量结果带... 为了解析安装参数与测量精度的关系,根据纳米时栅的基本测量原理,构建出与动、定尺间距d0和正对面积变化量ΔS相关的数学模型。通过理论推导,分析了动尺在yz平面倾斜、xy平面偏转时会导致两路驻波幅值不等、相位偏移,从而给测量结果带来二次误差。实验结果表明通过调整动尺在yz平面与xy平面上的安装,对极内原始误差由4.86μm降低至0.84μm,证明动尺在yz平面倾斜、xy平面偏转为产生二次误差的主要原因。在行程200 mm测量范围内,传感器误差峰峰值为400nm。实验结果验证了理论分析的正确性,该分析为传感器结构参数优化和实验方法的改进提供了有力的支撑,为进一步提升传感器精度提供了可靠的理论依据。 展开更多

关键词 纳米测量 时栅 安装 误差理论

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纳米时栅位移传感器误差模型建立与分析 被引量：2

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作者 张瀚潇 郑方燕 +1 位作者 吴玉梅 樊星辰 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2018年第4期1-5,共5页

纳米时栅是利用交变电场进行精密位移测量的新型传感器。由于传感器的安装偏差、结构实现、基体加工和工作环境变化等均会导致测量误差。为研究误差的产生原因及对测量精度的影响规律,在纳米时栅传感器的测量模型基础上,建立了由于驻波... 纳米时栅是利用交变电场进行精密位移测量的新型传感器。由于传感器的安装偏差、结构实现、基体加工和工作环境变化等均会导致测量误差。为研究误差的产生原因及对测量精度的影响规律,在纳米时栅传感器的测量模型基础上,建立了由于驻波参数变化产生的测量误差模型,具体分析了驻波信号参数变化中幅值不相等、相位不正交、含有高频干扰这3种情况的误差变化情况,经实验验证了理论的正确性,明确了测量误差产生的原因,为纳米时栅的结构最优化设计提供了理论依据。 展开更多

关键词 误差分析 位移测量 纳米时栅 误差建模

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基于C#的纳米时栅传感器数据分析系统设计

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作者 张静 张瀚潇 +1 位作者 索龙博 吴玉梅 《现代制造技术与装备》 2019年第12期50-54,共5页

针对纳米时栅位移传感器研制中数据处理与分析愈加复杂、繁琐和重要的现状,提出一种实用高效的、基于C#的上位机设计,主要功能包括数据采集、图像识别激光干涉仪数值并进行标定、快速傅立叶变换(FFT)分析以及建立自适应坐标算法使数据... 针对纳米时栅位移传感器研制中数据处理与分析愈加复杂、繁琐和重要的现状,提出一种实用高效的、基于C#的上位机设计,主要功能包括数据采集、图像识别激光干涉仪数值并进行标定、快速傅立叶变换(FFT)分析以及建立自适应坐标算法使数据可视化。实验结果表明,时栅误差峰峰值为700nm,主要为二次误差和四次误差。该系统算法准确、人机交互方便,可将相关数据存入数据库,并且能稳定正常工作,为纳米时栅的进一步研究提供了保证。 展开更多

关键词 纳米时栅 C# 图像识别 快速傅立叶变换 自适应坐标系

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