传感器技术是信息技术的源头,在测量方面起着至关重要的作用。随着我国工业自动化行业的兴起和对高端数控机床迫切需求,高精度位移传感器的需求量不断增加。目前,我国市场上的高精度位移传感器,基本被国外垄断,价格高昂,成为制约我国机床和自动化行业发展的障碍。国产化高精度位移传感器研发成为了我国科技工作者的重要使命。位移测量作为机械制造过程中的的重要基石,同时它也是衡量一个国家在工业和科技方面的技术水平的指标。同时用作高精度位置和速度测量的典型应用是直驱电机,其最高转速为1000rpm,而对于普通伺服电机更高转速下的应用,高精度的速度测量没有实际意义,只能通过减速器来解决速度稳定性问题。近些年,直驱电机的应用是电机行业的普遍发展趋势,只有进口的角度传感器才能满足其使用,课题组针对这一“卡脖子”问题,多年来对高精度的角度和角速度测量方面不断深入研究在时栅位移传感器的测量原理为基础,将角度和角速度的测量技术相融合,并结合FPGA技术,开展高速下(1000rpm)的时栅角度角速度同步测量的研究,其主要研究内容如下:(1)通过对时栅位移传感器的工作原理的分析,以时空坐标转换理论为基准,建立匀速运动坐标系,实现时栅角度的测量,并结合时栅行波产生的多普勒效应实现时栅角速度的测量,构建同步测量模型,在得到角度的同时获取角速度的测量值,以此实现二者的同步测量。(2)对角度角速度同步测量的理论方法进行仿真。利用FPGA内嵌的仿真软件对时栅位移测量原理模拟仿真以确保角度角速度理论分析的完整性。以多普勒效应和时空坐标转换基准为基础,建立角度角速度统一的同步测量数学模型。使用FPGA进行同步测量的仿真实验,确保理论方法的可行性。将高频时钟脉冲信号插补相对应的相位差和周期以及周期差的方法,最后通过对脉冲信号的计数得到角度和角速度值。(3)依据同步测量理论分析设计角度角速度同步测量传感器。主要包括对同步测量传感器的硬件电路设计和数据处理的软件设计。硬件电路包括激励信号、感应信号的处理和FPGA系统的配置及外设。软件系统包括感应信号的比相、数据处理、数据存储。最后完成整个同步测量传感器的制作和测试系统的搭建。(4)实验及误差分析。根据测量要求设计合理的实验平台,并完成角度和角速度的测试。实验结果表明,角度测量误差可达±4",角速度在200rpm其测量稳定性可达1rpm,即5‰。在1000rpm时,测量稳定性可达1.5rpm,即1.5‰。最后对角度误差和角速度稳定性误差进行了分析。