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《光学学报》2021年第18期封面故事:构造旋转光场,实现高精度角位移测量

已有 1403 次阅读 2021-9-30 16:42 |系统分类:论文交流

构造旋转光场,实现高精度角位移测量

 


 

封面解读:

光场式时栅角位移传感器采用“旋转变压器+光栅+时栅”等多传感原理相结合的测量方法,达到了以相对较低制造工艺获取高精度测量的效果。重庆理工大学的付敏副研究员团队设计了传感器测试装置,以较大尺寸的正弦“栅面”阵列实现高精度光强空间调制,结合单路交变光场提供的整周高精度光强时间调制信号,构造了一个光强匀速变化的旋转光场,实现了整周封闭的,以高频时钟脉冲进行插补的高精度角位移测量。

封面文章| 《光学学报》2021年第18期封面文章 | 付敏;陈凡;朱革;石海林;魏晓波;乔俊红;冷从阳; 一种构造旋转光场的高精度角位移测量方法研究[J].光学学报, 2021, 41 (18):1812001.

1、研究背景

角位移测量是几何测量中最基本的一个物理量,也是制造装备、航空航天、国防军工等领域非常重要的一个参数。随着先进制造业与测试计量等领域的快速发展,精密测量技术对测角系统的精度要求越来越高。

工程实际中,应用最为广泛的角位移传感器以圆光栅和旋转变压器为主。圆光栅通过记录栅线之间的莫尔条纹实现角位移测量,其测量精度由栅线制造精度决定,然而,高精度光栅的制造难度非常大,以至于现有高精度圆光栅几乎全部依赖进口,这也直接导致高端制造业的角位移测量装置几乎全部被国外企业所垄断。

旋转变压器因采用整周封闭的测量方法,降低了对制造的要求,但传统机械开槽绕线的制造方法,无法保证传感器各对极信号的一致性,使得其测量精度不能进一步提高,也限制了旋转变压器在高精度测量领域的应用。因此,降低高精度测量对制造工艺水平的依赖显得尤为重要。

2、光场式时栅角位移测量

重庆理工大学时栅传感及先进检测技术付敏团队提出一种光场式时栅角位移测量的新方法,该方法通过构建旋转光场,实现时间量对空间量的测量,利用圆周封闭效应减少高精度测量对制造精度的依赖,用相对较大的“栅面”代替圆光栅精细的“栅线”,大幅度降低传感器的制造难度。其旋转光场构造原理示意图如图1所示,在整圆周面上均布正弦型透光面,等间隔地将整圈透光面分成0°、90°、180°和270°四组,用单路交变光场为整周封闭的透光面提供交变光强信号,经光电转换和微控移相合成一路电行波信号,最后利用高频时钟脉冲对参考信号与电行波信号的相位差进行插补实现角度测量。


图 1 旋转光场构造原理。(a)光强空间调制原理图;(b)行波信号合成图

根据测量原理搭建实验平台,如图2所示,将光栅测量值设定为基准值,光栅的测量值与实际测量值之差为传感器测量误差,用交流伺服电机驱动转台转动,等角度分别读取光栅和传感器的测量值,并将其差值记录下来拟合成误差曲线。


图 2 实验平台。(a)测试平台;(b)传感器样机细节图

首先进行18栅面对极内误差测试,对每个对极(20°)采集200个测量值并拟合成误差曲线,实验结果如图3(a)所示:误差曲线的峰峰值为-5.8"和5.6"。对测量误差曲线进行傅里叶级数变换,可以得出测量误差的主要误差频次为一次和二次。然后,在360°整周测量范围内进行测量,采集3600个测量值,得到整个周期的测量误差约±8.9"。以上实验结果验证了用时间和空间正交调制的方式构造运动光场,实现角位移测量的可行性,但存在明显的周期性误差。


图 3 实验数据(a)18对极栅面实物图与实验结果(b)90对极栅面实物图与实验结果

结合圆分度误差和对极数误差的详细理论分析与仿真,用90对极栅面的原理样机进行对比实验,实验结果如图3(b)所示。结果表明:采用90对极,圆心角为2°的透光面,用整周封闭测量方法,在360°内测量误差为±5.0",对极内测量误差为±3.9"。验证了采用相对较低制造工艺实现高精度测量的可行性。

因此,以上研究为利用国内相对较低的光刻水平实现高精度测量提供了一种有效的解决方案, 所提的方法具有较好的理论意义和实用价值。

3、展望

在后续工作中,该课题组将在光场分布和透光面优化做进一步的研究,同时建立测量误差模型并开展误差优化工作,从而进一步提高传感器测量精度。

 

课题组简介:

重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心,时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室,主要致力于由我国科技人员彭东林教授原创发明的一种全新原理的时栅位移传感器研究,包括角位移传感器和直线位移传感器,其最大特点在于它是由时钟脉冲来构成位移测量基准,而避免了类似光栅、容栅、磁栅等传统位移传感器依赖高精度加工提高测量精度的弊端。时栅团队付敏副研究员近年来致力于光场式时栅的研究,在光学精密位移测量领域开展一系列开拓性工作:① 在光学领域,首次提出用光强时间和空间调制实现位移测量的新方法,突破了光栅莫尔条纹在高精度测量领域的瓶颈。② 攻克了运动光场构造方法、非对称面形结构优化、高精度光场匀化设计等一系列关键技术,实现了高精度的直线和角位移测量,为下阶段装备制造业高精度测量国产化奠定了基础。近三年主持光场式时栅相关的国家自然科学基金2项,发表高水平论文10余篇,授权发明专利10项,含国际专利1项。




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