摘要：以“现代传感技术”课程为例探讨仪器科学与技术专业研究生的应用能力培养方法。针对该课程教学内容宽、泛、浅,以及缺乏实践教学环节等不足,探索将教学团队的原创成果“时栅位移传感器”引入教学全过程,依托团队科学研究及成果转化基地作为实践教学平台,从仪器改造到仪器设计,再到仪器研制,分三步递进性实施实践教学内容。将理论知识与实践教学相整合,达到知识、能力、素质培养“三位一体”,提升学术型研究生的应用研究能力,达到良好的效果。

摘要：为了提高时栅位移传感器的动态性以及测量精度,设计了一种基于SOPC技术的时栅信号处理系统,将数据的采集和处理集成在一片FPGA内,采用NiosⅡ处理,并将复杂的乘除运算加入了自定义指令,提高了时栅传感器的数据处理效率,采用傅氏级数谐波修正技术来进行误差修正,大大提高了测量精度。实验表明,采用该系统后,时栅在每分钟8转情况下误差峰峰值为2.2″。

摘要：设计了电场式时栅位移传感器信号处理电路的硬件平台,阐述了整个硬件平台的设计与研制过程。该平台以SOPC技术为基础,在单片FPGA上实现整个硬件平台系统的构建,将信号的采集、处理和传输集成在单片FPGA上,电路简单、稳定性好。将该信号处理电路用于电场式直线位移传感器实验系统,在数据未经修正的情况下,在200 mm测量范围内传感器的误差峰峰值为0.8μm,表明该信号处理电路实现了对电场式时栅40 k Hz的信号的高性能处理,从而实现了电场式时栅位移传感器的高精度、实时测量。

摘要：介绍了一种光强正交调制式新型线性位移检测方法。该方法采用基于光强正交变化的两路电驻波合成电行波信号,将空间位移的变化调制到电行波信号相位差的变化上,用鉴相的方法实现空间位移的测量。为了优化传感参数并提高测量精度,对传感器不同参数条件下光场分布情况与误差特性进行了研究。根据其结构特征,对光场分布引起的测量误差进行分析,并利用Tracepro软件建立三维光场仿真模型,对不同参数条件下光场分布进行分析;再通过实验验证,得到不同参数与误差特性之间的关系;根据仿真和实验结果,对传感器参数进行优化设计。初步实验表明:在108mm测量范围内,传感器精度达到±0.5μm。为此新型传感器优化设计和精度提高提供了可靠的理论依据和技术支持。

摘要：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。

摘要：时栅传感器利用时空变换技术将空域信息变换到时域,以时间测量空间位移。为了研制高精度时栅数控转台,减少动态位置反馈误差,提出了一种回转位置预测测量新方法,利用时空变换技术将时域信息返回到空域。利用时间序列理论对时栅测量值进行建模,从而预测出数控转台未来一段时间内的位置值,并利用当前测量值对前一次的预测误差进行实时修正。介绍了测量数据建模方法和预测系数估计算法。为了验证位置预测方法的有效性,设计了一套动态实验系统。实践证明,数控转台的角位移预测误差为±2″,实现了精密位置预测。

摘要：延续前期关于磁场式和电场式时栅位移传感器的研究基础,根据时栅传感器的设计思想,提出并分析光场式时栅传感器的测量原理及实现方案。探索性地提出在静态光场下,用时序驱动的光电探测器构成匀速扫描测量方式,实现将被测对象的空间位移测量转换为时间差的测量。为了验证方案的可行性,用多个线阵电荷耦合元件(Charge-coupled device,CCD)构成圆阵列,实现CCD时栅原理样机设计。将相邻CCD输出信号的时间差变化量与匀速扫描的速度值相乘,经过适当的转换便可得到转轴的角位移大小,并可以判断位移的方向。所研制的原理样机,通过与精度为±1″的圆光栅(ROD880)对比测量,在整周范围内,测量误差控制在±6°以内。为光场式时栅的进一步研究,提供了可靠的理论和实践依据。

摘要：针对传统线阵CCD测量方法仅适用于静态图像采集或低速位移测量的问题,在分析CCD动态测量过程中动态误差产生原因的基础上,提出一种驱动时序互相推延的多个CCD同步测量方法。该方法实现了在一个积分周期内的等时间多个位移值测量,等效于减少单个CCD积分时间,从而提高线阵CCD的动态测量范围。设计了一个由5个线阵CCD沿圆周均布的,时序推延的角位移传感器,并完成相应实验系统的搭建。通过与高精度圆光栅在不同速度下动态误差的检定,得出随着运动速度的提高,时序推延测量方法的动态特性要明显优于传统测量方法。结果表明,时序推延测量法在30 r/min时与传统方法 10 r/min的动态误差水平相当,验证了时序推延测量方法对提高CCD动态特性的可行性。

摘要：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。

摘要：本文针对已经提出的增量式时栅位移传感器设计方案,利用VB进行了虚拟仪器设计,并已用于增量式时栅的试验研究。