电位计角度传感器测量误差分析-毕业论文.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.93M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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1 引言

1.1 角度测量的地位

1.2 角度测量的发展

1.3 角度测量的方法及传感器

1.4 本课题主要研究内容

1.4.1 课题的来源

1.4.2 课题研究内容及意义

1.5 本章小结

2 导电塑料式电位计角度传感器

2.1 电位计角度传感器的特性

2.1.1 电位计角度传感器的测量原理

2.1.2 电位计的负载特性

2.2 导电塑料式电位计角度传感器

2.2.1 导电塑料的导电原理

2.2.2 导电塑料的电学性能

2.2.3 导电塑料式电位计角度传感器的构造及特点

2.3 本章小结

3 测量系统简述

3.1 本课题所用的电位计角度传感器

3.2 电位计角度传感器的参数

3.3 测量电路

4 MATLAB软件介绍及数据处理

4.1 MATLAB软件简介

4.1.1 MATLAB软件概述

4.1.2 MATLAB软件的主要功能

4.1.3 MATLAB软件应用领域

4.2 误差理论

4.2.1 误差的定义、表示方法

4.2.2 误差的分类

4.2.3 误差的来源

4.3 数据处理

4.3.1 算术平均值

4.3.2 回归方程的确定

4.3.3 测量标准差分析

4.3.4 残余误差分析

4.4 电位计角度传感器的静态标定

4.5 本章小结

5 结论

毕业论文电位计角度传感器测量误差分析学生姓名：学号：学院：专业：指导教师： 2012 年 6 月

中北大学 2012 届毕业论文电位角度传感器测量误差分析摘要：为了用电位计角度传感器进行角度测量，要求对角度传感器进行相应的校准工作，以确定传感器的性能指标。本课题要求确定 WDS36-2k 电位计角度传感器在-30°～ +30°的性能指标，以对此种传感器的使用做出一定参考。论文的内容是分析电位计角度传感器的输出电压与输入角度的关系，确定角度传感器的测量误差，对电位计角度传感进行静态标定，获得电位计角度传感器的相关参数。首先用 MATLAB 软件对获得的测试的数据进行绘图，观察测试数据的分布。然后对获得的数据进行线性回归分析，得出回归方程。最后由所获得的方程对各测量点进行误差分析和静态标定，获得了传感器的静态参数，发现该电位计角度传感器非常适合系统的使用要求。关键词：角度测量，电位计角度传感器，误差分析，线性回归，静态标定

中北大学 2012 届毕业论文 The Measurement Error Analysis of the Potentiometer Angle Sensor ABSTRACT：In order to do the angle measurement with a potentiometer angle sensor. We need to do some corresponding calibration to define the performance index of the angle sensor performance index. This subject requires us to define the performance index of the WDS36-2k potentiometer angle sensor from -30° to +30°. After that ，we can give some reference on the application of this sensor. The content of this thesis is analyzing the relationship between the angle inputting and voltage outputting, defining the measurement error of the sensor, and, dong static calibrating of the potentiometer angle sensor to obtain the corresponding parameters of the sensor. First, we draw a graph about the measuring data and observe the distribution of the data. And then, make regression analysis to get the regression equation. At last, with the equation we get, we give the error analysis of all the test point and do the static calibration and acquire the static parameters of the sensor，and find the angle sensor is very suitable to the requirement of this measurement system. Keywords: angle measurement, potentiometer angle sensor, error analysis, linear regression, static calibration

中北大学 2012 届毕业论文目录 1 引言 ........................................................ 1 1.1 角度测量的地位 ............................................. 1 1.2 角度测量的发展 ............................................. 1 1.3 角度测量的方法及传感器 ..................................... 2 1.4 本课题主要研究内容 ......................................... 4 1.4.1 课题的来源 ............................................... 5 1.4.2 课题研究内容及意义 ....................................... 5 1.5 本章小结 ................................................... 6 2 导电塑料式电位计角度传感器 .................................. 7 2.1 电位计角度传感器的特性 ..................................... 7 2.1.1 电位计角度传感器的测量原理 ............................... 7 2.1.2 电位计的负载特性 ......................................... 8 2.2 导电塑料式电位计角度传感器 ................................ 10 2.2.1 导电塑料的导电原理 ...................................... 10 2.2.2 导电塑料的电学性能 ...................................... 11 2.2.3 导电塑料式电位计角度传感器的构造及特点 .................. 12 2.3 本章小结 .................................................. 14 3 测量系统简述 ............................................... 15 3.1 本课题所用的电位计角度传感器 .............................. 15 3.2 电位计角度传感器的参数 .................................... 18 3.3 测量电路 .................................................. 19 4 MATLAB 软件介绍及数据处理 ................................... 22 4.1 MATLAB 软件简介 ........................................... 22 4.1.1 MATLAB 软件概述 ......................................... 22 4.1.2 MATLAB 软件的主要功能 ................................... 23 4.1.3 MATLAB 软件应用领域 ..................................... 24 4.2 误差理论 .................................................. 24 第 I 页共 I 页

中北大学 2012 届毕业论文 4.2.1 误差的定义、表示方法 .................................... 24 4.2.2 误差的分类 .............................................. 25 4.2.3 误差的来源 .............................................. 25 4.3 数据处理 .................................................. 26 4.3.1 算术平均值 .............................................. 27 4.3.2 回归方程的确定 .......................................... 29 4.3.3 测量标准差分析 .......................................... 32 4.3.4 残余误差分析 ............................................ 33 4.4 电位计角度传感器的静态标定 ................................ 34 4.5 本章小结 .................................................. 35 5 结论 ....................................................... 36 参考文献 ....................................................... 37 致谢 ........................................................... 38 第 II 页共 II 页

中北大学 2012 届毕业论文 1 引言 1.1 角度测量的地位角度测量广泛应用于国民经济和国防建设，具有重要作用。角度量是机械、仪器仪表和电子产品制造业中的重要几何参数之一[1]，因此角度测量是技术测量中的一个组成部分。测绘部门大量的工作是进行水平角和垂直角的测量[2]；地震监测部门要监测地球的变形，就要通过大量的角度测量来实现；飞机、舰船、火箭、飞船常用惯性导航仪表来；弹道式导弹的发射为保证航行方位角的准确性，就需掌握发射点和落点的方位角、经纬度和高程差；火炮以对其垂直角和水平角的控制，保证命中目标；精密机床和仪器的主轴轴线角漂移是其准确度的基础；坐标镗床和三坐标测量机需配置圆分度工作台，才能保证其用途的广泛性。在航天工业中，角度量主要用于惯性器件及其测试设备、定位定向设备、遥测跟踪设备和专用工艺装备等四个方面；陀螺的本质是一种只敏感角度、不敏感平移的特殊角度传感器；惯性器件测试设备的综合指标和分项指标基本都是角度量, 因此可以看作是角度量设备的一个重要分支。由此可见，缺乏对角度的测量，很多工作都无法进行。 1.2 角度测量的发展角度测量发展的首要问题是建立健全角度量的各种参数的计量基标准，这是统一量值的基本保证[2]。当前，不少角度参数的基本标准还处于空白状态，如动态角、垂直方向的圆周分度角和小角度等，在建立基标准时，要研究、确定传递途径，同时进行传递用计量器具的配套研制。光栅莫尔条纹技术向旋转圆光栅测量系统发展。根据圆分度误差闭合的原理，当每个测量值是旋转光栅多个等分点读数的平均值时，就可以有效地降低分度元件分度误差和轴系回转误差的影响，减小仪器不确定度。英国 NPL 的旋转圆光栅系统，对准不确定度为 0.01″测量不确定度(k= 2) 为 0.05″瑞士 WILD 公司采用旋转光栅系统制成 T3000 电子经纬仪，在体积和 T3 光学经纬仪相近的情况下，标准不确定度由 1″降低至 0.5″分辨力仅为 0.1″。各种分度元件正在努力克服缺点，改善性能，扩大应用领域，如圆光栅系统由于受轴系误差和设备结构变形的影响大，限制了其使用范围。由于弹性联轴节的发展,角度传递误差已可小于 0.5″因此，国内外已将带弹性联轴节的组装式光电编码器成功地应用于多轴位置转台，发挥了不确定度小、电路简单、稳定可第 1 页共 38 页

中北大学 2012 届毕业论文靠的特点；美国 CGC 公司研制的感应同步器测角系统，分辨力为 0. 055″，长期稳定性为±0. 055″，不确定度为 1.1″，校正后 RMS 达 0. 1″，角速度可达 1000°/s, 角加速度为 50000°/s2。环形激光由于动态性能好，国内外正在进行用于动态角测量的研究。据报道，当测试转台以 40°/s 恒速旋转，采样频率为 60 Hz 时，环形激光单一旋转，不用误差平均方法测量动态角的标准偏差峰-峰值) 为 0. 6″，在不同天数内测量的重复性小于 0. 2″。自 1984 年开始，由美国政府出资，CGC 公司进行了高级三轴惯导测试台的设计研究工作，至 1990 年 8 月取得了阶段性成果，采用了磁悬浮轴承、碳纤维增强塑料框架、滚环、无槽、无刷直流永磁马达和三相线性功率放大器，以及背对背式感应同步器编码系统等五项新技术。磁悬浮轴承(磁悬浮、静电悬浮、动压气浮常称为新三浮轴承)，已达到带宽 213Hz，回转误差 0. 53″，漂移和重复性 0.1″，正在向回转误差 0.02″的指标努力。采用碳纤维增强塑料制造框架是由于它的高比刚度、高对称弹性性能、高尺寸稳定性以及良好的热变形系数。采用矩形框架结构是由于其断面刚度和对称性与球形框架结构基本相同，而尺寸误差和成本较低。采用滚环是由于其摩擦力矩小，寿命长，噪音小，已达到的数据为起动力矩(1.27～2. 68)×103 N·m。最高转速为 200 r／min，最大噪声小于 10×103 Ω；测角系统采用背对背方式安装的 2 个 720 极感应同步器和 2 个高级运动控制系统( AMCS) ,以进行高线校准，校准方法为感应同步器的 2 个转子锁在一起，在旋转一整圈时，每隔 N 份相等距离，记录各感应同步器的读数，然后断开随动感应同步器的转子，使其旋转 360°/N，再重新锁定、测量与读数，重复这一过程，直至记录下 N 组数据，再进行数据处理；采用无槽、无刷直流永磁马达是由于其齿槽力矩小，马达的峰值力矩为 7. 05 N·m, 最大速率为 1 000°/s 齿距力矩为 0.004 N·m，该齿槽力矩对 1 000°/s ，速率、100 Hz 带宽的系统产生的影响为 0.13×106 ；为了进行测试，还研制了分辨力为 0.001″的 Moller Wedel Elcomat 2HR 平行光管。现 CGC 公司和其协作单位正在继续努力，以达到高级三轴惯导测试台 0.1″的综合指向误差，1×106 的速率稳定性以及 200Hz 伺服带宽的总体指标。 1.3 角度测量的方法及传感器角度测量方法多样，涉及物理学中的光、机、电和计算机技术。由于角度测量所用的原理不同，角度测量传感器其敏感元件所用原理的不同，其适用的环境也不同。所以在使用传感器测角时必须考虑敏感元件的测量原理，适用范围。第 2 页共 38 页

电位器式角位移传感器测角法，利用测量点阻值的变化测量角位移的大小。其测量中北大学 2012 届毕业论文特点是输出信号大，且易受负载变化的影响[3]。电容式传感器测角法，利用电容固定极板与可动极板的正对面积测量角位移，其测量结果要受到边缘效应的影响[4]。变压器式传感器测角法，基于互感变化原理制成传感器[5]，也称为互感式传感器。这类传感器工作可靠、寿命长，常可测几角秒的微小角位移，但不宜用于高精度动态测量。圆感应同步器测角法，利用两个平面型绕组的互感随位置不同而变化的原理制成圆感应同步器。圆感应同步器具有较高的精度、分辨力、线性度和重复性，抗干扰能力强，不受偶然干扰信号的影响[5]，受外界电场影响很小，且工艺性好，成本低，便于复制生产。广泛应用于机床和仪器转台以及各种回转伺服控制系统。涡流式传感器测角法，根据旋转体上电涡流传感器输出的周期信号测量旋转角度。激光陀螺仪测角法，激光陀螺仪是以萨格纳(Sagnac)效应为基础制成的由环形激光谐振腔构成的测量角速度及角度的装置。当其绕闭合光路等效平面垂线旋转时相反传输的两光束谐振频率不同，频差正比于谐振腔相对于惯性空间转动的角速度，输出脉冲数正比于转过的角度,检测频差及脉冲数即可分别测得陀螺仪转动的角速度及其角度[6]。激光干涉小角度测量仪测角法，激光小角度测量仪是一种采用正弦原理以及迈克尔逊干涉法测量小角度的仪器。它主要用在对小角度计量仪器和圆分度仪器中测微器示值误差的测量，以及机床角位移等方面的测量[7]。圆光栅测角法，圆光栅是角度测量中最常用的器件之一，其基本工作原理是利用光栅的莫尔条纹现象进行测量的[5]。圆光栅可分为径向圆光栅和切向圆光栅，切向圆光栅形成的莫尔条纹是圆环形的，所以把它称作圆环莫尔条纹[8]。圆环莫尔条纹可用于高精度测角。光学内反射法测量小角度，光从光密介质射入光疏介质时，当入射角大于临界角时，发生全反射。内反射法就是利用光在全反射条件下入射角变化时反射光强度的变化关系，通过反射光强的变化来测量入射角的变化，由于入射角在临界角附近线性较好[9]，随着第 3 页共 38 页

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