Investigation of the measurement errors formation in optical linear encoders

Abstract

The thesis investigates the displacement measurement errors of the linear encoder and the causing factors. To achieve the thesis objectives, the theoretical and experimental research of the linear encoder behavior was performed under different operating conditions, including thermal effects, mechanical vibration, and different scanning speeds. Analyzed and systematized results were used to develop methods for error compensation and offer possible technical solutions to improve the performance of linear encoders. The dissertation consists of an introduction, analytical literature review, discussion of the research methodology, investigation results and conclusions, and four appended scientific articles. The literature review systemized information about the optical linear encoders and their performance. The section on research methodology presents theoretical and experimental methods used to study the impact of different environmental effects on the measurement error formation in linear encoders. The third chapter briefly discusses the results obtained in each of the appended articles with the intention of relating them to the overall objectives and general conclusions of the thesis. Based on analytical calculations, digital finite element analysis, and experimental research, Article 1 determines the mathematical models of thermal errors that are used for real-time compensation. Article 2 presents an experimental realization of the real-time thermal and geometric error compensation approach for an optical encoder achieved by using a field-programmable gate array (FPGA) computing platform. Article 3 presents the developed methodology for the estimation of linear encoder sub-divisional errors and the results of the experimental investigation based on the harmonic analysis of estimated errors. Article 4 reveals the linear encoder behavior under mechanical vibration, determining the most dangerous resonant frequencies and performing the modal analysis by using the finite element method. The appended scientific articles were published in four peer-reviewed scientific journals listed in the Clarivate Analytics Web of Science database with an impact factor. The other four related articles are printed in scientific journals listed in the Clarivate Analytics Web of Science database without the impact factor and other international databases. The results of the research were presented at three international conferences.

Šiame darbe tiriamos linijinių keitiklių poslinkių matavimo paklaidos ir jas sukeliantys veiksniai. Siekiant išspręsti darbe keliamus uždavinius, atliekami teoriniai ir eksperimentiniai linijinio keitiklio elgsenos, bei matavimo paklaidų susidarymo tyrimai vyraujant skirtingoms aplinkos sąlygoms, įskaitant temperatūros poveikį, mechanines vibracijas ir skirtingą poslinkio matavimo greitį. Išanalizuoti ir susisteminti rezultatai panaudoti sudarant matematinius matavimo paklaidų kompensavimo modelius.. Disertaciją sudaro įvadas, literatūros apžvalga, tyrimo metodikos aptarimas, rezultatai ir išvados, bei keturi pridedami moksliniai straipsniai. Literatūros apžvalgoje susisteminta informacija apie optinius linijinius keitiklius ir jų veikimą. Tyrimo metodologijos skyriuje pristatomi teoriniai ir eksperimentiniai metodai, naudojami tiriant skirtingų aplinkos poveikių įtaką matavimo paklaidų susidarymui. Trečiame skyriuje trumpai aptariami kiekviename pridedamame straipsnyje gauti rezultatai, siekiant juos susieti su bendrais darbo tikslais ir bendromis disertacijos išvadomis. Straipsnyje 1, remiantis analitiniais skaičiavimais, skaitmenine baigtinių elementų analize ir eksperimentiniais tyrimais sudaromas matematinis, tiriamojo keitiklio, termoelastinių paklaidų modelis, kuris gali būti pritaikytas realaus laiko temperatūrinių bei geometrinių paklaidų kompensavimui. Straipsnyje 2 pristatomas praktinis realaus laiko temperatūrinių ir geometrinių paklaidų kompensavimo realizavimas panaudojant standartines technologines skaičiavimo priemones. Atlikti eksperimentiniai sukomplektuotos sistemos tyrimai. Straipsnyje 3 pristatoma sukurta linijinio keitiklio metrologinių (interpoliacijos) paklaidų nustatymo ir analizės metodika, bei pateikiami eksperimentinių tyrimų, paremtų harmonine nustatytų periodinių paklaidų analize, rezultatai. Gauti rezultatai leidžia įvertinti linijinio poslinkio matavimo greičio įtaką paklaidų susidarymui, bei nusakyti fizikinę paklaidų prigimtį. Straipsnyje 4 atskleidžiama tiriamojo linijinio keitiklio elgsena veikiant išorinėms mechaninėms vibracijoms. Eksperimentiškai nustatyti patys pavojingiausi rezonansiniai keitiklio dažniai, atlikta kompiuterinė modalinė analizė bei nustatyta rezonansinių dažnių įtaka matavimo paklaidos susidarymui. Disertacijoje pristatomi straipsniai yra publikuoti keturiuose recenzuojamuose moksliniuose žurnaluose įtrauktuose į Clarivate Analytics Web of Science duomenų bazę, su cituojamumo rodikliu (angl. Impact Factor). Kiti keturi moksliniai straipsniai susiję su disertacijos tema atspausdinti kituose moksliniuose žurnaluose. Atliktų tyrimų rezultatai pristatyti trejose tarptautinėse konferencijose.