位移傳感器測(cè)量方法

竇艷紅 關(guān)維琦 許 靜

(1.吉林省計(jì)量科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130022；2.一汽大眾汽車有限公司，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

位移傳感器可以測(cè)量設(shè)備、部件運(yùn)動(dòng)的位移變化及微小變形。按工作原理可分為拉線位移傳感器、激光位移傳感器、電感式位移傳感器及電容式位移傳感器和磁致伸縮位移傳感器等。

由于位移傳感器的種類多，目前還沒(méi)有一種通用方法可適用于所有類型的位移傳感器。目前常用的測(cè)量方法是用半自動(dòng)式大量程指示表檢定儀作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對(duì)其示值進(jìn)行檢測(cè)，但這種方法的缺點(diǎn)是，利用手動(dòng)操作對(duì)準(zhǔn)每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量速度慢，而且此方法只適用于電感式、電容式和磁致伸縮式的位移傳感器。本文介紹的方法是以測(cè)長(zhǎng)機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，并根據(jù)不同類別的位移傳感器配置專用測(cè)量附件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種位移傳感器的檢測(cè)。

1 設(shè)計(jì)制做裝夾附件

考慮到不同型號(hào)、規(guī)格的位移傳感器固定桿的直徑不同，測(cè)長(zhǎng)機(jī)尾座的尾管安裝孔不能與之相匹配，需要設(shè)計(jì)制作專用附件，各種專用附件的外觀圖如圖1 、圖2、圖3所示。

圖1 電感式位移傳感器測(cè)量附件

圖2 拉線位移傳感器測(cè)量附件

圖3 激光位移傳感器測(cè)量附件

下面以電感式位移傳感器專用附件(圖1)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明(如圖4所示)。

1.1 裝夾套筒

為消除由于測(cè)量?jī)x器的軸線與位移傳感器測(cè)量桿不在同一直線上或不平行而帶來(lái)的阿貝誤差，設(shè)計(jì)要求裝夾套筒1、裝夾套筒2的軸線應(yīng)在同一直線上，并平行于測(cè)長(zhǎng)機(jī)導(dǎo)軌。所以設(shè)計(jì)套筒時(shí)，其直徑差及其與測(cè)長(zhǎng)機(jī)頭、尾座套筒的間隙配合應(yīng)嚴(yán)格控制尺寸公差。

1.2 微調(diào)旋鈕

對(duì)于絕對(duì)式位移傳感器，不能任意位置清零，為了方便操作并方便數(shù)據(jù)處理，裝夾套筒2上設(shè)置微調(diào)旋鈕。測(cè)量時(shí)，通過(guò)微調(diào)旋鈕可控制位移傳感器測(cè)量桿伸縮量，準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)位移傳感器的零位。

圖4 裝配圖

2 測(cè)量方法

本裝置可以測(cè)量的位移傳感器示值誤差如表1所示。

表1 位移傳感器示值誤差技術(shù)指標(biāo)

2.1 測(cè)量前的準(zhǔn)備

以測(cè)量一支電感式位移傳感器為例：

按操作手冊(cè)要求，先將位移傳感器與顯示儀表正確連接，并開(kāi)機(jī)預(yù)熱15分鐘。同時(shí)把裝夾套筒1、裝夾套筒2分別安裝在測(cè)長(zhǎng)機(jī)頭座、尾座上，再把位移傳感器安裝在裝夾套筒1的里側(cè)。

通過(guò)調(diào)整，使測(cè)長(zhǎng)機(jī)尾座位于分米尺0刻度處，頭座位于毫米尺0～50mm范圍的任意整刻度處。

安裝裝夾套筒2使微調(diào)旋鈕上的測(cè)頭與位移傳感器的測(cè)頭接觸，調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕使位移傳感器置于零值，同時(shí)在測(cè)長(zhǎng)機(jī)毫米讀數(shù)顯微鏡中讀取測(cè)量起始值。

2.2 測(cè)量過(guò)程

測(cè)量時(shí)，按均勻分布的等間隔分別移動(dòng)測(cè)長(zhǎng)機(jī)，以測(cè)長(zhǎng)機(jī)毫米尺上的對(duì)應(yīng)值為標(biāo)準(zhǔn)值定位，在位移傳感器顯示儀表上讀取相應(yīng)位移值。位移傳感器的示值與標(biāo)準(zhǔn)值的差值即為位移傳感器的誤差值，當(dāng)誤差值超過(guò)規(guī)定要求時(shí)，可通過(guò)位移傳感器數(shù)顯裝置上所記錄的率定值(通常以電壓值表示)對(duì)位移量進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，使位移傳感器示值誤差達(dá)到規(guī)定要求。

3 測(cè)量不確定度的分析

以測(cè)量50mm量程的電感式位移傳感器為例：

3.1 數(shù)學(xué)模型

lw=lj

式中，lw為位移傳感器的測(cè)量值，單位mm;lj為測(cè)長(zhǎng)機(jī)讀數(shù)，單位mm。

3.2 輸入量lj的不確定度分量

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)器——測(cè)長(zhǎng)機(jī)示值誤差引入的不確定度分量u1

測(cè)長(zhǎng)機(jī)毫米尺示值誤差為(0.6+L/200)μm

式中，L為被測(cè)長(zhǎng)度，在50mm處示值誤差為0.85μm，按均勻分布處理，則

3.2.2 測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u2

經(jīng)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)得出單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差

s=8μm

則

u2=8μm

3.2.3 位移傳感器與測(cè)長(zhǎng)機(jī)測(cè)量軸線不重合時(shí)阿貝誤差引入的不確定度分量u3

式中，φ為位移傳感器與測(cè)長(zhǎng)機(jī)測(cè)量軸線不重合產(chǎn)生的夾角，估計(jì)最大為60″，當(dāng)被測(cè)長(zhǎng)度L=50mm時(shí)e≈0.005μm，可忽略不計(jì)，則u3≈0。

3.2.4 環(huán)境變化量引入的不確定度分量u4

因恒溫實(shí)驗(yàn)室溫度控制在(20±2)℃，引入的不確定度分量遠(yuǎn)小于合成不確定分量，可忽略不計(jì)，故u4≈0

3.3 合成不確定度

3.4 擴(kuò)展不確定度

U=16.04μmk=2

該電感式位移傳感器示值誤差允許值為±0.10%，最大量程為50mm時(shí)，絕對(duì)誤差為0.050mm,分析得出的測(cè)量不確定度為0.016mm小于允許誤差的1/3,符合誤差傳遞原則，滿足對(duì)位移傳感器的測(cè)量要求。

通過(guò)測(cè)量不確定度分析得知，測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量貢獻(xiàn)最大，遠(yuǎn)大于其它不確定度分量，由測(cè)量裝置帶來(lái)的不確定度分量非常小，因此本文提到的測(cè)量裝置的準(zhǔn)確度足以滿足測(cè)量各種類型位移傳感器的要求。

4 結(jié)論

本裝置設(shè)計(jì)制作難點(diǎn)是專用附件要嚴(yán)格控制形位公差，并保證安裝在測(cè)長(zhǎng)機(jī)上有很好的間隙配合。通過(guò)實(shí)例測(cè)量的結(jié)果分析表明，用測(cè)長(zhǎng)機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)器配以專用檢測(cè)附件對(duì)各類位移傳感器示值誤差的檢測(cè)方法具有可操作性，能夠滿足位移傳感器的檢定校準(zhǔn)要求，具有一定推廣應(yīng)用價(jià)值。

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