大口径天文望远镜镜面多由大量小面积子镜面拼接而成，一般需要采用边缘位移传感器测量出子镜面之间的相对位移和倾角变化，反馈至控制器和致动器以对镜面姿态进行调整，从而保证镜面面型精确稳定。这类边缘位移传感器需要保证足够的精度和分辨率，同时还应具有非常高的温度稳定性和时间稳定性。目前，已有电容式、涡流式、电感式等多种类型的位移传感器，在国内外大型天文望远镜上得到了应用。涡流传感器由于其精度高、对环境耐受性好等优点，得到了大量的研究和注目，但是其探头线圈和金属靶板带来的温度漂移，对于传感器温度稳定性的进一步提高仍然是很大的阻碍。
中国科学技术大学工程科学学院精密传感与致动实验室冯志华教授课题组提出了一种基于长时间温度变化历程的温度漂移卷积补偿方法，可以在利用实时测量温度进行温度补偿这种传统补偿方法的基础上，进一步提高传感器的温度稳定性，且在温度变化剧烈的场合补偿效果尤为明显。相关研究成果以“A Thermal Drift Compensation Method for Precision Sensors Considering Historical Temperature State”为题，于2021年7月1日发表在SCI期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics上。
涡流传感器的核心探测原件包括金属制线圈和目标铝板，两者均为金属材质，因此在温度发生变化时，探测线圈的内阻和电感都会发生变化，如图1中所示。这部分变化经过解调电路输出为位移，从而导致传感器具有很大的温度漂移。传统的补偿方法是利用一个放置在探头附近的温度传感器测量出实时温度变化，结合计算出的补偿系数进行补偿。
图1 温度变化对差动涡流探头输出的影响
在实践中发现，这种补偿方法对于温度变化非常缓慢的场合补偿效果可以接受，但是温度变化较快，甚至更为剧烈时，则会产生较大无法补偿的残余量。根据分析，探头线圈的实际温度和测量得到的温度存在差异是这部分残余量产生的根本原因。课题组对传感器探头线圈所处的热环境进行了分析，结合探头结构和材料获取了温度响应特性，提出用卷积方法结合之前一段时间的温度变化历程对输出进行补偿。补偿前、直接补偿，以及利用卷积补偿后的输出如图2(b)中所示。
图2 变温过程中温度变化和传感器输出
从图中的快速变温实验结果中可以看出，若不进行补偿，传感器的温度漂移很大（黑色曲线，温漂为32.55nm/℃）；若用当时时刻的温度进行补偿，传感器温度漂移降低，但仍有一些残留无法补偿（蓝色曲线，温漂为7.98 nm/℃）；若用本文中提出的卷积补偿办法，则可以将这部分残留完全补偿，最终得到很小的温度漂移量（红色曲线，温漂为1.78 nm/℃）。故该方法可以用于提高精密传感器的温度稳定性，尤其是在复杂和恶劣的变温环境中。
工程科学学院博士生吴磊为论文的第一作者，冯志华教授为通讯作者。这项工作得到了基金委、先导科技专项等的支持。
文章链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9312428
DOI: 10.1109/TIE.2020.3044777