中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 陶松威

拉桿式線位移傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)

中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 陶松威

針對(duì)現(xiàn)有的拉桿式線位移傳感器校準(zhǔn)速度慢、周期長(zhǎng)、工作量大、精度低等弊端，研制出一種基于光電檢測(cè)技術(shù)的線位移傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由光柵傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)滑座的位移，作為線位移傳感器的標(biāo)準(zhǔn)位移輸入。同時(shí)，校準(zhǔn)系統(tǒng)檢測(cè)線位移傳感器的電壓輸出，根據(jù)這兩者間的輸入輸出關(guān)系確定拉桿式線位移傳感器的靈敏度、線性度、重復(fù)度等特性參數(shù)。整個(gè)校準(zhǔn)過程由計(jì)算機(jī)控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)拉桿式線位移傳感器的自動(dòng)校準(zhǔn)。分析結(jié)果表明，該校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)拉桿式線位移傳感器校準(zhǔn)問題，實(shí)現(xiàn)了校準(zhǔn)過程的自動(dòng)化、快速化與高精度。

拉桿式線位移傳感器；校準(zhǔn)系統(tǒng)；光柵傳感器；不確定度分析

1.引言

拉桿式線位移傳感器是通過拉桿感受長(zhǎng)度尺寸變化并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件，它是線位移傳感器中最常見的一種，可用于測(cè)量位移、距離、位置和應(yīng)變量等長(zhǎng)度尺寸。拉桿式線位移傳感器在機(jī)械制造業(yè)和工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域中占有重要地位，廣泛應(yīng)用于電力、水利、建筑、航空航天、公路鐵路交通等多個(gè)行業(yè)的測(cè)試任務(wù)。為保證傳感器使用的可靠性和測(cè)量精度，根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定需要對(duì)靈敏度、基本誤差、線性度、回程誤差和重復(fù)性等主要計(jì)量特性做定期校準(zhǔn)[1,2]。

目前，國(guó)內(nèi)外常用的線位移傳感器校準(zhǔn)方法是通過萬工顯[3]、測(cè)長(zhǎng)機(jī)[4]、激光干涉儀[5,6]等儀器設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)位移，由線位移傳感器對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)位移量進(jìn)行檢測(cè)，得到線位移傳感器的輸入-輸出關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感器的校準(zhǔn)。激光干涉儀雖具有較高的測(cè)量精度，但校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、成本高，且對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求高，主要用于精度要求特別高的線位移傳感器校準(zhǔn)。采用萬工顯、測(cè)長(zhǎng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過程以手工操作為主，校準(zhǔn)精度和效率都不高。并且，現(xiàn)有研究成果主要側(cè)重于理論和實(shí)驗(yàn)方法的研究，未能形成標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備，而市場(chǎng)上目前也沒有合適的專用校準(zhǔn)系統(tǒng)。為此，本文提出一種基于光柵傳感器的拉桿式線位移傳感器自動(dòng)快速校準(zhǔn)方法，并研制出校準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了拉桿式線位移傳感器的高精度自動(dòng)校準(zhǔn)。

2.校準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)采用相對(duì)校準(zhǔn)法，以高精度光柵傳感器測(cè)量結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)位移，用NI數(shù)據(jù)采集卡采集光柵傳感器測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)位移量和線位移傳感器的電壓輸出量，以此來校準(zhǔn)線位移傳感器。如圖1所示，自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由機(jī)械部分、光柵傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊以及計(jì)算機(jī)組成。

圖1 拉桿式線位移傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)組成框圖

校準(zhǔn)時(shí)，首先裝夾好線位移傳感器及其連接組件，然后伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)滑座在直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上沿導(dǎo)軌移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程全部由計(jì)算機(jī)控制。分別安裝在直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的光柵尺和安裝在滑座上的讀數(shù)裝置組成光電檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)滑座在直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的位移，并結(jié)合拉桿式線位移傳感器的讀數(shù)，可得到線位移傳感器的靈敏度、線性度、回程誤差等特性參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)拉桿式線位移傳感器的自動(dòng)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系統(tǒng)量程為0～500mm，分辨力可達(dá)1μm。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)系統(tǒng)機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)的功能主要包括運(yùn)動(dòng)滑座的直線位移傳動(dòng)、線位移傳感器的裝夾及其位置調(diào)整，以及線位移傳感器與運(yùn)動(dòng)滑座的固定連接。

圖2 校準(zhǔn)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成圖

如圖2所示，由于被校準(zhǔn)的拉桿式線位移傳感器為圓柱形外形，可采用V型塊裝夾。傳感器拉桿經(jīng)安裝在運(yùn)動(dòng)滑座上的連接組件與滑座相連，并通過一維升降臺(tái)調(diào)整傳感器安裝高度，使得拉桿與連接組件滿足對(duì)中性要求。校準(zhǔn)時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)滑座沿導(dǎo)軌做正反行程的直線位移。光柵傳感器及其讀數(shù)頭分別安裝在直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌側(cè)面和運(yùn)動(dòng)滑座上，可實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)滑座的直線位移，作為線位移傳感器的標(biāo)準(zhǔn)位移輸入。

2.2 傳感器信號(hào)采集

校準(zhǔn)系統(tǒng)使用美國(guó)NI公司USB-6229DAQ卡進(jìn)行線位移傳感器和光柵傳感器的信號(hào)采集。其中被校準(zhǔn)的線位移傳感器輸出的是模擬電壓信號(hào)，范圍為-10V～+10V。光柵傳感器輸出兩路相位差為90°的TTL方波信號(hào)和一路參考信號(hào)，采集卡中有專門的計(jì)數(shù)器用來處理這類信號(hào)。在工作時(shí)，分別將兩路增量信號(hào)和一路參考信號(hào)與計(jì)數(shù)器的Source，AUX和GATE引腳相連。計(jì)數(shù)器在工作時(shí)，一共有三種模式可供選擇，分別是X1、X2和X4編碼模式，即一倍頻、兩倍頻和四倍頻計(jì)數(shù)。

校準(zhǔn)系統(tǒng)采集的信號(hào)為低頻信號(hào)，對(duì)信號(hào)采集卡的采樣頻率要求并不高，采用大于1kHz即可。采集卡通過USB接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，USB總線供電方式可以提供3.5V的直流電壓，能夠滿足信號(hào)驅(qū)動(dòng)和采集的需要。

2.3 運(yùn)動(dòng)與測(cè)量控制

校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種控制模式，可通過計(jì)算機(jī)直接選取。第一種是等間隔采點(diǎn)模式，即在整個(gè)行程中，等間距采集11個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)（包括上、下限）。NI數(shù)據(jù)采集卡按順序分別采集線位移傳感器輸出的電壓值U與光柵傳感器輸出的位移量L。以正、反兩個(gè)行程為一個(gè)測(cè)量循環(huán)，共測(cè)三個(gè)循環(huán)。測(cè)量完成后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)將測(cè)量數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中并計(jì)算出校準(zhǔn)結(jié)果，繪制出傳感器特性曲線。第二種為隨機(jī)采點(diǎn)模式，即在整個(gè)行程中，系統(tǒng)隨機(jī)采集11個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，然后按第一種模式的后續(xù)操作進(jìn)行校準(zhǔn)。第三種為自定義采點(diǎn)模式，即由校準(zhǔn)人員在校準(zhǔn)量程范圍內(nèi)任意指定一系列校準(zhǔn)點(diǎn)，記錄這些校準(zhǔn)點(diǎn)處線位移傳感器的輸出電壓值U與光柵傳感器輸出位移量L，再由系統(tǒng)計(jì)算得出線位移傳感器特性曲線。

3.校準(zhǔn)系統(tǒng)不確定度分析

使系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生不確定度的主要因素包括：阿貝誤差引入的不確定度分量、測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量、光柵傳感器誤差引入的不確定度分量、線位移傳感器安裝誤差引入的不確定度分量、采集卡信號(hào)采集引入的不確定度分量等[7-9]。

3.1 阿貝誤差引入的不確定度分量u1

由于光柵傳感器與被校準(zhǔn)的線位移傳感器所測(cè)量的位移量不處在同一直線上，直線導(dǎo)軌存在的直線度誤差會(huì)導(dǎo)致校準(zhǔn)過程中產(chǎn)生阿貝誤差。在校準(zhǔn)量程范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中導(dǎo)軌的最大直線度誤差為15μm，光柵傳感器標(biāo)尺與線位移傳感器拉桿中心線之間的有效距離為90mm，由此計(jì)算出的兩者之間的最大夾角為 ，因此阿貝誤差引入的不確定度分量為：

3.2 測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u2

測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量采用A類評(píng)估法。對(duì)線位移傳感器在200mm點(diǎn)處重復(fù)測(cè)量10次，得到的傳感器輸出電壓(單位：V)分別為4.0001、4.0005、3.9998、4.0003、3.9994、3.9999、4.0001、4.0004、3.9996、4.0008，對(duì)應(yīng)的位移量示值(單位：mm)分別為200.005、200.025、199.990、200.015、199.980、199.995、200.005、200.020、199.970、200.040，算術(shù)平均值mm。由貝塞爾公式計(jì)算得到單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差s為：

3.3 光柵傳感器誤差引入的不確定度分量u3

本校準(zhǔn)系統(tǒng)選用的是海德漢LS477增量式直線光柵傳感器，其測(cè)量不確定度e3為±3μm。令該誤差服從正態(tài)分布，k3取3，由此產(chǎn)生的不確定度分量為：

3.4 線位移傳感器安裝誤差引入的不確定度分量u4

線位移傳感器的安裝誤差將導(dǎo)致拉桿與滑座的運(yùn)動(dòng)方向不一致，兩者存在夾角θ，從而產(chǎn)生線位移傳感器的測(cè)量誤差，表現(xiàn)為余弦誤差 e4=L(1?cosθ)。為此，校準(zhǔn)系統(tǒng)在線位移傳感器安裝時(shí)采用千分表校核，確保夾角θ值很小，經(jīng)計(jì)算此項(xiàng)誤差引起的不確定度分量可忽略不計(jì)。

3.5 采集卡信號(hào)采集誤差引入的不確定度分量u5

此項(xiàng)誤差主要來源于采集卡在采集線位移傳感器輸出電壓值的量化誤差，USB-6229DAQ數(shù)據(jù)采集卡的采集精度為16bits。由于線位移傳感器輸出電壓值為0～10V，對(duì)應(yīng)的位移量為0～500mm。按最大量化誤差計(jì)算出的不確定度分量為：

3.6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

假設(shè)上述計(jì)算的各不確定度分量彼此相互獨(dú)立，則合成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.7 擴(kuò)展不確定度U

校準(zhǔn)系統(tǒng)擴(kuò)展不確定度：

4.結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有的拉桿式線位移傳感器校準(zhǔn)周期長(zhǎng)、成本高的缺點(diǎn)，提出了一種基于光柵傳感器的校準(zhǔn)方法，并在此基礎(chǔ)上研制出適用于拉桿式線位移傳感器的高精度自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)校準(zhǔn)過程中的直線運(yùn)動(dòng)和位移測(cè)量完全由計(jì)算機(jī)控制，校準(zhǔn)不確定度為34.2μm，可實(shí)現(xiàn)0～500mm量程拉桿式線位移傳感器的高精度自動(dòng)校準(zhǔn)。本校準(zhǔn)系統(tǒng)降低了拉桿式線位移傳感器的檢定成本，提高了傳感器的使用效率，同時(shí)也為其它類型線位移傳感器的校準(zhǔn)提供了借鑒。

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