周進(jìn)　劉彤

摘要：時(shí)柵角位移傳感器是一種新型原理的角位移測(cè)量器件，采用自準(zhǔn)直儀與正多面棱體對(duì)安裝有時(shí)柵傳感器的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了角度誤差的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該時(shí)柵數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)具有分度誤差小、定位精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：時(shí)柵角位移傳感器;數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái);分度誤差;測(cè)角重復(fù)性

中圖分類號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.10.051

1 引言

時(shí)柵角位移傳感器與傳統(tǒng)的角位移傳感器在原理上不同，其工作方式是通過在傳感器內(nèi)部建立“勻速”運(yùn)動(dòng)的參考系將空間位移差轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)參考系上的時(shí)間差進(jìn)行間接測(cè)量[1]。實(shí)驗(yàn)中采用的電場(chǎng)式時(shí)柵傳感器則是通過正交變化的電場(chǎng)構(gòu)建一種高勻速的等效空間域運(yùn)動(dòng)來建立空間位移和時(shí)間基準(zhǔn)之間的關(guān)系。其測(cè)量原理決定了它依賴的是時(shí)鐘頻率的精確度，而不依賴精密刻線，不需要精密或超精密加工，因此產(chǎn)品的工藝性特別好，一般的機(jī)械加工廠就能生產(chǎn)[2]。時(shí)柵數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)是將時(shí)柵傳感器安裝在精密軸系旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，并采用時(shí)柵傳感器作為轉(zhuǎn)臺(tái)的反饋元件，通過驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿使轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)位，通過單向逼近到達(dá)預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)角位置。時(shí)柵角位移傳感器可將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋，用以控制脈沖個(gè)數(shù)令步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)逼近預(yù)設(shè)值，同時(shí)實(shí)現(xiàn)當(dāng)前角度值的輸出顯示。該轉(zhuǎn)臺(tái)定位精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便，可以應(yīng)用在角度編碼器以及經(jīng)緯儀等角度測(cè)量?jī)x器的計(jì)量檢定工作中。

2 實(shí)驗(yàn)方案

由于時(shí)柵傳感器在安裝到轉(zhuǎn)臺(tái)上時(shí)會(huì)受安裝偏心、使用環(huán)境的變化等因素影響，轉(zhuǎn)臺(tái)的定位精度相比于時(shí)柵傳感器精度有較大的損失，因此需要對(duì)時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)誤差進(jìn)行修正。實(shí)驗(yàn)中將時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)放置于花崗石平板上，同時(shí)將23面正多面棱體放置于轉(zhuǎn)臺(tái)中心，并通過德國馬爾的高精度電感測(cè)微儀測(cè)量對(duì)中誤差，不斷將正多面棱體的回轉(zhuǎn)中心與轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心偏差調(diào)小，直至調(diào)至對(duì)中偏差在土0.005 mm以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)采用英國泰勒公司的自準(zhǔn)直儀進(jìn)行角度測(cè)量，調(diào)整自準(zhǔn)直儀視軸與正多面棱體的工作面垂直并與其中心重合，同時(shí)在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)至零位時(shí)，調(diào)整自準(zhǔn)直儀位置使其能夠在視場(chǎng)中觀察到其反射回的十字絲像，進(jìn)行微調(diào)將X軸的值調(diào)至零位附近。通過電控箱控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，分別照準(zhǔn)正多面棱體的

3 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)所采用的正多面棱體為23面的二等正多面棱體，其修正值由國家計(jì)量院檢定證書給出。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得一組23點(diǎn)誤差值的時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)原始誤差，這是由于時(shí)柵角位移傳感器在安裝時(shí)的偏心造成的。原始誤差曲線與修正后的誤差曲線比較如圖2所示。 從圖2可以看出，原始誤差的誤差范圍為- 0.6”- +4.6”，誤差值較大，但通過重復(fù)測(cè)量原始誤差值，其重復(fù)性很好，最大差值為0.2”，這對(duì)系統(tǒng)誤差的修正非常重要。通過對(duì)測(cè)得的23點(diǎn)離散的原始誤差值，建立誤差模型，重構(gòu)出時(shí)柵傳感器的誤差擬合曲線，對(duì)時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)的誤差進(jìn)行修正[3]。實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行了兩次誤差修正，第一次修正后其誤差值大幅減小，第二次修正將誤差進(jìn)一步減小，第二次修正后該時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)的最大誤差值僅為0.4”。

同時(shí)，參照《多齒分度臺(tái)》（ JJG 4722007）中規(guī)程的相應(yīng)內(nèi)容[4]，對(duì)該時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)角重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。檢定時(shí)，以轉(zhuǎn)臺(tái)的0°作為起點(diǎn)，自準(zhǔn)直儀對(duì)準(zhǔn)棱體的0°工作面，取三次對(duì)準(zhǔn)讀數(shù)的算術(shù)平均值為a，再依次以15°39′7.8″為間隔轉(zhuǎn)動(dòng)23個(gè)位置，得到ai，a2，…，a23，最后回到棱體0。位置。然后以相同方向進(jìn)行第二周的測(cè)量，得到a1，a2，…，a23'。計(jì)算各點(diǎn)差值公式為：

時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)角重復(fù)性計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示，按公式（2）計(jì)算得到該轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)角重復(fù)性為0.1”。 對(duì)于時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)的定位誤差測(cè)量，輸入指令使轉(zhuǎn)臺(tái)每次沿同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)15°39′7.8″，通過正多面棱體與自準(zhǔn)直儀測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)每次實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度，將實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)值與理論值進(jìn)行比較，其差值作為轉(zhuǎn)臺(tái)的定位誤差。測(cè)得該誤差曲線如圖3所示，測(cè)得其定位誤差為±1”。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)采用高精度自準(zhǔn)直儀以及二等正多面棱體對(duì)時(shí)柵數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的誤差進(jìn)行測(cè)量，通過兩次測(cè)得系統(tǒng)誤差的修正后.測(cè)得該時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)的分度誤差為0.4”，其重復(fù)性為0.1”，定位誤差為±1”，該轉(zhuǎn)臺(tái)可用于高等級(jí)的光電軸角編碼器測(cè)量，也可應(yīng)用于經(jīng)緯儀及全站儀等的角度檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]何超瓊，顧耀宗，鄒九貴，等.JJG 472-2007多齒分度臺(tái)[S].北京：中國計(jì)量出版社，2007.