多读数据头位移传感器信号处理及误差分析

汤建勋

（1.西安石油大学，陕西西安，710065；2. 陕西宝成航空仪表有限责任公司，陕西宝鸡，721000）

0　引言

位移测量内容一般包含角度位移测量及长度位移测量，对于现今社会生产及应用方面，高精度的测量仪器对高精尖端生产制造、科学研究、航空航天、微电子等都具有非常重要的作用[1]。目前的位移 包括光栅式位移传感器、旋转变压器、时栅式位移传感器等，一般情况下，需要提高测量精度，都是采用增加数据读头，并提高测试母仪精度来实现，并进行误差的修正[2]。近年来误差修正技术被不断的完善和提高，不仅能够良好的提高传感器测试精度，相比在优化过程还能降低成本。采用多数据头来提高测试精度过程，势必增加了设备部件，提高了传感器成本，也给安装加工提出了更高的要求，同时为了避免多数据头测试性能的不一致性，在误差分析过程可以采用单个数据体误差自行修正，但也需要提高速度来修正误差，而提高速度的同时也会引起更多的误差产生，并不利于对误差的消除[3]。

多个数据读头角位移传感器误差自校正，是目前较为常见的误差修正方法，国内外相关机构已经开展了诸多的研究，例如英国国家物理实验室研究出的角度测量及校准的动态测试仪，以及德国联邦物理实验室研究出的圆光栅测量角位移高精度实验转台，测量精度达到了0.05角秒[4]。Fujimmoto等人提出的五读头均匀分布安装的误差测量校正装置方法，能够消除5的倍数的误差之外的所有干扰误差，极大的提高了误差的消除效果。国内在时栅式角位移传感器的分析研究过程，提出了基于回归模型预测的残余误差随机成分误差修正方法，对误差分析起到了良好的效果。目前的误差自行修正方法，虽然已经起到了不错的效果，但对于传感器本身而言，以安装多个角位移传感器读头来进行误差的分析，实际上增大了测量系统的测量空间大小，以及加工和制造成本。因此，需要研究出一种能适合角位移传感器误差分析的理论和方法，使得传感器的误差处理更加方便，测量的可靠性更高。

1　传感器结构及原理

1.1　传感器结构及多数据头

一般情况对两相传感器而言，传感器定子的槽距角为π+π/2n，n为自然数，对应的三相传感器即为π+π/3n，在外部进行密集整齐的绕线后构建两相或三相传感器，一般情况下，构建的定子槽距是转子槽距的1.5倍，转子绕组形成正弦信号，定子绕组形成输出型号，两者作用后形成空间的正交型号，进而实现角位移的测量（图1）。

图1　角位移传感器结构图

1.2　传感器原理

位移传感器由转子和定子组成，通过定子上的正弦绕组和余弦绕组进行感应信号输出，转子上施加正弦激励信号，输入激励信号、正弦绕组、余弦绕组感应信号公式见式1-3。

式中，Ue为正弦激励信号，U为激励信号的幅值，α为转子转过角度。

利用式4，当Uo为0时，θ=α+π/8，即可求得θ的值，因此α即为θ-π/8，即可求得了角位移量。

2　误差分析及修正

对误差进行分类及分析，将传感器误差分为多数据头相同影响部分误差及不同影响部分误差，然后建立位移计算模型来进行修正，从而尽可能消除误差影响。

2.1　误差特征分析

根据角位移传感器误差来源，可以分为工艺误差、原理计算误差及测量条件误差。从误差的分析形式上，可以将传感器误差类型分为系统误差、随机误差和组大误差[5]。

误差特征如下：（1）硬件电路导致测量过程产生幅值误差，且误差在不同数据读头上大小不一致；（2）由于定子及转子的制造精密度不一样，使得测量过程产生的正交误差，二次余弦产生变化；（3）激励信号耦合过程的变化导致产生误差，该误差作用在不同数据读头影响一致；（4）传感器测量系统硬件电路产生的输出误差，导致余弦变化，对不同数据读头影响不一致；（5）两相输出过程耦合导致二次余弦发现变化，产生不同数据读头测量误差。

2.2　误差修正

对误差分析进行模型的建立，见式5、式6。

式中，Δγs、Δγc为正弦、余弦绕组感应信号误差幅值，Δαws、Δαwc为正弦、余弦绕组感应信号相位移误差值；Ns和Nc为正弦、余弦绕组感应信号直流分量。

通过构建角位移计算的模型，将Us、Uc信号输出信号代入角位移解算及相位移误差和正交误差的修正公式，读数-误差=真值的表现形式，即式7。

式中A、B为两个数据读头读数。

因此，通过两个数据读头读数，即可就得未知量方程，即式8，就可以求解出未知量。

按照上述构建的误差辨别模式，即可实现多次谐波参数的识别。

3　结语

分析了角位移传感器误差特征及来源影响，构建位移解算模型，进而实现误差特征参数的解算，实现误差的修正。