CN103162614A - 一种角位移传感器在线自标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种角位移传感器的在线自标定方法，其是在传感器***内部有主读数头和辅助读数头各一个，将传感器的转子与被测对象的回转部分固联，使其分别在主读数头和辅助读数头的示值指示下，回转到一系列特殊位置直到一个完整的360°，记录在各个特殊位置时主读数头的示值，对示值进行数据处理后获取传感器的测量误差函数，实现传感器的在线自标定。这种自标定方法根据角度测量中的圆周封闭原理，主读数头在辅助读数头的协助下进行测量，通过对测量数据进行处理，可以在没有标准器和其它高精度角位移测量仪器的条件下实现传感器的在线自标定。

Description

一种角位移传感器在线自标定方法

技术领域

本发明属于精密位移测量领域，特别适合于角位移传感器测量误差的在线自检测。

背景技术

角位移传感器是角位移测量元件。因为加工、安装、电气参数等偏差，这类传感器进行角位移测量时存在误差。通常，可以通过对这些传感器进行标定，来提高测量精度。但是，目前公知的标定方法一般需要借助标准器或者更高精度的角位移测量仪器，不适合在线进行。另外，有一种公开的方法采用对极数不同的两个电磁型角位移传感器实现自标定，但这种方法需要两套对极数不同的传感器***才可以实现。

发明内容

本发明针对上述问题，公开了一种角位移传感器的在线自标定方法。这种自标定方法根据角度测量中的圆周封闭原理，主读数头在辅助读数头的协助下进行测量，通过对测量数据进行处理，可以在没有标准器和其它高精度角位移测量仪器的条件下实现传感器的在线自标定。

本发明采用的技术方案是：

在传感器***内部有主读数头和辅助读数头各一个，将传感器转子与被测对象的回转部分固联，使其分别在主读数头和辅助读数头的示值指示下，回转到一系列特殊位置直到一个完整的360°，记录在各个特殊位置时主读数头的示值，对示值进行数据处理后获取传感器的测量误差函数，实现传感器的在线自标定。

所述传感器***结构上包含转子部分和定子部分，传感器***可以测量转子和定子之间的相对回转运动。

所述的主读数头是传感器***正常工作时使用的读数头，主读数头与传感器转子固定连接，可以在360°范围内在***分辨力的条件下给出转子与定子任意相对角位移的测量值。

所述辅助读数头只在传感器进行自标定时使用，辅助读数头可以与转子固定，也可以与定子固定，用于辅助传感器转子和定子之间实现一个固定特殊角度的相对运动，辅助读数头与主读数头的结构形式和测量误差可以相同也可以有差异。

所述固定特殊角度指转子从主读数头读数为0°转到读数为

时转过的实际角度，记为θ₀。其中，M为不等于被标定角位移传感器测量误差中所包含的主要误差频次以及这些主要频次的整数倍的正整数，在这个前提下，M取为质数，如17,19,23，……等标定效果较好。在不同标定中M可以取为不同值，但在同一次标定中M只能取一个固定的值。

所述分别在主读数头和辅助读数头的示值指示下，回转到一系列特殊位置直到一个完整的360°，记录在各个特殊位置时主读数头的示值包括以下步骤：

1）将主读数头和辅助读数头清零；

2）将辅助读数头与定子固定并保持不动，转动转子至主读数头为

的位置（i=0,1,2,···,n-1，步骤2）重复1次，i加1），记录主读数头读数为{A_2i}；

3）将辅助读数头与转子固定（固定过程中应保持主读数头和辅助读数头的读数不变化），转动转子至主读数头读数为0，此时辅助读数头读数不为零；

4）将辅助读数头与定子固定并保持不动，转子在当前位置基础上转过θ₀，即转至主读数头读数为

位置；

5）将辅助读数头与转子固定（固定过程中应保持主读数头和辅助读数头的读数不变化），转动转子至辅助读数头的读数为0，记录主读数头读数为{A_2i+1}；

6）重复上述步骤2）至5），获得主读数头的一个包含2n个测量值的序列A₀，A₁，…，A_2n-2，A_2n-1。

所述的对示值进行数据处理是指将前述的主读数头测量序列中的奇数项与偶数项逐项相减，得到一个包含n个点的序列{C_i}，即：C_i=A_2i+1-A_2i，并对{C_i}进行离散傅里叶变换，得到其对应的幅值谱{Am_i}和相位谱{P_i}。

在所述数据处理后，传感器的测量误差函数可以表示为式（1），

δ(θ)=A₀+k(θ)  （1）其中：δ(θ)是测量误差函数；θ是被测角位移；

$k\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=1}{\overset{n/2-1}{\mathrm{\Σ}}}\{\frac{{\mathrm{Am}}_i}{2\×\sin \left(\frac{i\×{\mathrm{Am}}_0}{2}\right)}\×\sin (i\×\mathrm{\θ}+P_i-\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{{\mathrm{Am}}_0}{2})\}$

$A_0=\frac{\max \left(k\left(\mathrm{\θ}\right)\right)+\min \left(k\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}{2};$

其中：max(k(θ))是k(θ)的最大值；min(k(θ))是k(θ)的最小值。

所述的实现传感器在线自标定是指，在得到传感器的测量误差函数δ(θ)后，传感器在任意位置θ的示值f(θ)可以在不需要标准器和其他高精度测量仪器的条件下，通过式（2）得到其对应的标定值Ca(θ)：

Ca(θ)=f(θ)-δ(θ)  （2）。

本发明的关键点在于：

1）角位移传感器内部有两个读数头，一个主读数头和一个辅助读数头，二者结构形式、测量误差可以相同也可以有一定差异；

2）辅助读数头可以和定子固定，也可以和转子固定；

3）在主读数头位于读数值为位置和在此基础上转过一个θ₀时，分别记录主读数头的示值，得到一个主读数头的示值序列A₀，A₁，…，A_2n-2，A_2n-1；

4）将示值序列A₀，A₁，…，A_2n-2，A_2n-1的奇数项和偶数项依次逐项相减，得到序列{C_i}；

5）对序列{C_i}进行离散傅里叶变换，得到其对应的幅值谱{Am_i}和相位谱{P_i}；

6）根据式（1）得到测量误差的函数描述δ(θ)；

7）根据式（2）获得任意位置的标定值，实现传感器的在线自标定。

与现有技术比较，本发明的优点是：

（1）标定采用两个读数头实现，无须标准器或高精度参考母仪，可以实现在线自标定；

（2）相对于传统的全组合法和逐点标定法，所述的自标定方法的采样点数极少；

（3）由于可以求解出误差函数，所述自标定可以对整周范围内任意点进行标定，而现有全组合法和逐点法只能对有限点进行标定；

（4）两个读数头的结构参数可以相同也可以不同，对制造精度要求降低。

附图说明

图1是具有两个读数头的磁栅角位移传感器示意图；

图2是图1的A-A剖面图。

1—主读数头；2—辅助读数头；3—磁盘；4—定子；5—转子。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

参见图1，一种角位移传感器***的误差在线自标定方法是：在由主读数头1、辅助读数头2、磁盘3、转子4和定子5构成的磁栅传感器中，磁盘3固定在定子5上，主读数头1固定在转子4上随被测对象转动，辅助读数头2既可以与转子4固定也可以与定子5固定；主读数头1可以对磁盘进行读数，实现对被测对象的角位移测量；辅助读数头2也可以对磁盘进行读数，在辅助读数头2示值的指示下转动转子，可使传感器转子和定子之间实现一个固定特殊角度的相对运动，在此实施例中，辅助读数头采用与主读数头相同的结构形式。

按照以下步骤进行操作获得磁栅的测量误差函数：

1）将主读数头和辅助读数头清零；

2）将辅助读数头与定子固定并保持不动，转动转子至主读数头读数为

的位置，记录主读数头读数为{A_2i}（其中i依次取为0，1，2，…，58，59，步骤2）重复1次，i加1）；

3）将辅助读数头与转子固定（固定过程中应保持主读数头和辅助读数头的读数不变化），转动转子至主读数头读数为0，此时辅助读数头读数不为零；

4）将辅助读数头与定子固定并保持不动，转子在当前位置基础上转过θ₀，即转至主读数头读数为

位置；

5）将辅助读数头与转子固定（固定过程中应保持主读数头和辅助读数头的读数不变化），转动转子至辅助读数头读数为0，记录主读数头读数为{A_2i+1}；

6）重复上述步骤2）至5），获得主读数头的一个包含120个测量值的序列A₀，A₁，…，A₁₁₈，A₁₁₉。

将包含120个测量值的测量序列A₀，A₁，…，A₁₁₈，A₁₁₉中的奇数项与偶数项逐项相减，得到一个包含60个点的序列{C_i}，即：C_i=A_2i+1-A_2i（其中i为整数，依次取为0，1，2，…，58，59）。

对{C_i}进行离散傅里叶变换，得到其对应的幅值谱{Am_i}和相位谱{P_i}。

磁栅传感器的测量误差函数为式（3），

δ(θ)=A₀+k(θ)  （3）其中： $k\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=1}{\overset{29}{\mathrm{\Σ}}}\{\frac{{\mathrm{Am}}_i}{2\×\sin \left(\frac{i\×{\mathrm{Am}}_0}{2}\right)}\×\sin (i\×\mathrm{\θ}+P_i-\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{{\mathrm{Am}}_0}{2})\}$

$A_0=\frac{\max \left(k\left(\mathrm{\θ}\right)\right)+\min \left(k\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}{2}$

磁栅传感器在任意位置θ的示值f(θ)可以通过式（2）得到其对应的标定值Ca(θ)。

Claims (5)

1.一种角位移传感器在线自标定方法，其特征在于：在传感器***内部有主读数头和辅助读数头各一个；

所述主读数头与传感器的转子固定联接，是传感器***正常工作时使用的读数头，可以在360°范围内在***分辨力的条件下给出转子与定子任意相对角位移的测量值；

所述辅助读数头只在传感器进行自标定时使用，辅助读数头与转子固定，或与定子固定，用于辅助传感器转子和定子之间实现一个固定特殊角度的相对运动，辅助读数头与主读数头的结构形式和测量误差可以相同也可以有差异；

将传感器转子与被测对象的回转部分固联，分别在主读数头和辅助读数头的示值指示下，回转到一系列特殊位置直到一个完整的360°，记录在各个特殊位置时主读数头的示值，对示值进行数据处理后获取传感器的测量误差函数，实现传感器的在线自标定。

2.根据权利要求1所述的角位移传感器在线自标定方法，其特征在于：所述的分别在主读数头和辅助读数头的示值指示下，回转到一系列特殊位置直到一个完整的360°，记录在各个特殊位置时主读数头的示值是指：主读数头示值成对得到，通过辅助读数头示值的指示和转子的转动使每对的两个示值在空间位置上相差一个固定特殊角度，具体包括以下步骤：

1）将主读数头和辅助读数头清零；

2）将辅助读数头与定子固定并保持不动，转动转子至主读数头位于

的位置（其中，i=0,1,2,···,n-1，步骤2）重复1次，i加1），记录主读数头读数为{A_2i}；

3）将辅助读数头与转子固定（固定过程中应保证主读数头和辅助读数头的读数不变化），转动转子至主读数头读数为0，此时辅助读数头读数不为零；

4）将辅助读数头与定子固定并保持不动（固定过程中应保证主读数头和辅助读数头的读数不变化），转子在当前位置基础上转过θ₀，即转至主读数头读数为

位置，其中，M为不等于被标定角位移传感器测量误差中所包含的主要误差频次以及这些主要频次的整数倍的正整数，在这个前提下，M取为质数，在不同标定中，M可以取为不同值，但在同一次标定中，M只能取一个固定的值；

5）将辅助读数头与转子固定（固定过程中应保证主读数头和辅助读数头的读数不变化），转动转子至辅助读数头读数为0，记录主读数头读数为{A_2i+1}；

6）重复上述步骤2）至5），获得主读数头的一个包含2n个测量值的序列A₀，A₁，…，A_2n-2，A_2n-1。

3.根据权利要求1或2所述的角位移传感器在线自标定方法，其特征在于：所述的对示值进行数据处理是指将前述的主读数头测量序列中的奇数项与偶数项逐项相减，得到一个包含n个点的序列{C_i}，即：C_i=A_2i+1-A_2i，并对{C_i}进行离散傅里叶变换，得到其对应的幅值谱{Am_i}和相位谱{P_i}；

在所述数据处理后，传感器的测量误差函数表示为式（1），

δ(θ)=A₀+k(θ)  （1）其中：δ(θ)是测量误差函数；θ是被测角位移；

$k\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=1}{\overset{n/2-1}{\mathrm{\Σ}}}\{\frac{{\mathrm{Am}}_i}{2\×\sin \left(\frac{i\×{\mathrm{Am}}_0}{2}\right)}\×\sin (i\×\mathrm{\θ}+P_i-\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{{\mathrm{Am}}_0}{2})\}$

$A_0=\frac{\max \left(k\left(\mathrm{\θ}\right)\right)+\min \left(k\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}{2};$

其中：max(k(θ))是k(θ)的最大值；min(k(θ))是k(θ)的最小值；

在得到传感器的测量误差函数δ(θ)后，传感器在任意位置θ的示值f(θ)可以在不需要标准器和其他高精度测量仪器的条件下，通过式（2）得到其对应的标定值Ca(θ)：

Ca(θ)=f(θ)-δ(θ)  （2）。

4.根据权利要求1、2或3所述的角位移传感器在线自标定方法，其特征在于：所述固定特殊角度是指：转子从主读数头读数为0°转到主读数头读数为

时转过的实际角度，其中，M为不等于被标定角位移传感器测量误差中所包含的主要误差频次以及这些主要频次的整数倍的正整数，在这个前提下，M取为质数。

5.根据权利要求4所述的角位移传感器在线自标定方法，其特征在于：所述M取为17,19,23，……时，标定效果较好。

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