制造业是国之重器,是一个国家经济发展的基石,也是增强国家竞争力的基础,其中位移传感器是闭环检测或精确控制必不可少的一环,在加工制造领域扮演着举足轻重的角色。然而在冶金、矿山、发电设备等大型或重型机械行业中存在大型、重载等极端条件或狭窄、中空、限重等特殊场合,传统的位移传感器难以甚至无法安装,但这些行业又有上述需求,嵌入式时栅位移传感器为其打开了一条新思路。嵌入式时栅位移传感器是在时栅位移传感器基础上发展起来的一种能够实现嵌入式测量的新型位移传感器,它可以在不改变机械系统内部原有的传动特性的情况下,将给定的齿轮、齿条等传动零部件视作传感器的一部分,针对性地设计出相应的传感器测头,以此构建理想的行波信号,这就对传感器测头的设计提出了很高的要求。然而,目前嵌入式时栅位移传感器的理论较为粗略,尚不完善。本文以此为出发点,开展了面向齿轮类零件的嵌入式时栅位移传感器研究工作,具体包含了以下几个方面内容:1)建立了基于磁等效电路法的面向齿轮类零件的嵌入式时栅位移传感器磁路分析模型。以“正弦形”和“余弦形”两种磁芯形式为具体实施例子,详细地讨论了它们在各种情况下的气隙磁阻/磁导的变化规律,最后以此建立了行波方程;2)以模数为3.5,齿数为84的圆柱直齿轮为具体对象,从理论计算和有限元仿真两个角度去验证前面理论推导结果的合理性与正确性;3)研制样机,搭建实验平台,对“正弦形”和“余弦形”磁芯的嵌入式时栅位移传感器的基础信号、分辨力、精度等开展了测试实验。实验结果为两种传感器的分辨力分别是0.46″和3.78″,整周范围内的测量误差分别为0.056°和0.015°,线性度分别为0.016%和0.004%。后续可通过采用谐波修正法或逐点补偿法进一步降低传感器的测量误差。并且对传感器的主要测量误差成分进行了分析——主要来自于原理性误差、偏心安装和感应残留信号导致的误差。在以上研究和分析过程中得到了三个重要结论:1)磁芯宽度与传感器测量误差的四次谐波有很强的关联性,选取合适的值可以极大的抑制甚至消除高次谐波,改善行波质量;2)对于“正弦形”磁芯而言,无论在齿顶线/圆处的齿厚与槽宽为何值,只要齿距不变,设计的磁芯宽度取齿距的一半均是最优解,而对于“余弦形”磁芯来讲,其最适值应取齿顶线/圆处齿厚与槽宽二值的大值;3)本文优化设计后的嵌入式时栅位移传感器结构仍不可避免的存在一定的原理性误差,具体表现为幅值很小的一次谐波,但可以通过缩短磁芯长度的方法进行抑制。综上所述,本文提出的面向齿轮类零件的嵌入式时栅位移传感器的磁路分析模型能够有效的指导传感器磁芯的设计与优化,也完善和细致化了嵌入式时栅位移传感器的相关理论。与以往的嵌入式时栅位移传感器相比,本文的传感器分辨力更高,原始精度更高,且结构更为小巧紧凑,能够更好的应用于上述的存在大型、重载等极端条件或狭窄、中空、限重等特殊场合的大型或重型机械行业。