角度傳感器現(xiàn)場自動校準裝置的研制*

黃 雷 竇艷紅 楊 璐 劉桂忠 王洪喜

(1.吉林省計量科學研究院吉林省計量測試儀器與技術(shù)重點實驗室，長春 130012；2.吉林東光精密機械廠,長春 130012；3.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033；4.通化市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗所，通化 134000)

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角度傳感器現(xiàn)場自動校準裝置的研制*

黃 雷1竇艷紅1楊 璐2劉桂忠3王洪喜4

(1.吉林省計量科學研究院吉林省計量測試儀器與技術(shù)重點實驗室，長春 130012；2.吉林東光精密機械廠,長春 130012；3.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033；4.通化市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗所，通化 134000)

采用高精度圓光柵作為標準器，代替多面棱體和自準直儀，研制一種角度傳感器現(xiàn)場校準裝置。通過設(shè)計二級連軸器、裝夾附件和全自動驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)了現(xiàn)場環(huán)境下對角度傳感器的高精度自動測量。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)分度誤差為±9.4″。對分度誤差為±30″的光柵編碼器進行校準，測得其分度誤差為±22.5″，滿足不確定度分析要求。

計量學；角度傳感器；光柵編碼器；現(xiàn)場校準；同軸度

0 引言

角度傳感器主要應(yīng)用于材料疲勞試驗機、角度作動器和汽車四輪定位儀等檢測儀器上，其主要類型包括角位移傳感器和光學編碼器等。目前，校準此類儀器的方法是在實驗室采用高精度棱體配合自準直儀和光學轉(zhuǎn)盤進行。但是此方法有如下弊端：首先，大多數(shù)角度傳感器作為試驗機的一部分，無法送到實驗室進行校準；其次，該方法標準器設(shè)備較大，不能攜帶到現(xiàn)場，致使無法對其校準[1-4]。

本文介紹一種高精度全自動角度傳感器現(xiàn)場校準裝置，采用高精度圓光柵作為主標準器，代替多面棱體和自準直儀，設(shè)計配套高精度二級連軸器、裝夾附件和全自動驅(qū)動系統(tǒng)。該裝置可滿足各科研院所及企業(yè)試驗機角度傳感器在現(xiàn)場環(huán)境下的檢測需求，保證角度量值的可靠溯源。

1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)特點

1.1 系統(tǒng)原理及技術(shù)指標

如圖1所示，圓光柵安裝于系統(tǒng)基座上，手動鼓輪安裝于圓光柵上，并在鼓輪上安裝了蝸輪和蝸桿，這樣可實現(xiàn)步進電機或手動鼓輪分別驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)角。被檢角度傳感器與圓光柵通過二級連軸器連接。連接法蘭上安裝被檢角度傳感器，其孔位采用了多種類型，保證各種類型的角度傳感器可以裝配到系統(tǒng)上。等高墊塊采用多種厚度設(shè)計，可針對不同類型的角度傳感器進行高度調(diào)整。控制電腦用于控制和顯示系統(tǒng)轉(zhuǎn)角，并可對校準數(shù)據(jù)進行計算和補償。

1.系統(tǒng)基座;2.圓光柵; 3.二級連軸器;4.支桿; 5.等高墊塊;6.支撐臺;7.被檢角度傳感器; 8.連接法蘭;9.控制電腦;10.手動鼓輪; 11.蝸輪;12.蝸桿;13.步進電機圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要技術(shù)指標[4]：分度誤差MPE:±5″，系統(tǒng)分辨率0.5″，測角重復性1″，回程誤差1″，主軸回轉(zhuǎn)誤差：3 μm。

1.2 結(jié)構(gòu)特點

系統(tǒng)設(shè)計的核心是在保證高精度的前提下，實現(xiàn)角度位移傳感器的現(xiàn)場校準。主要考慮下幾點：

1.2.1 高精度圓光柵

采用8192線的高精度圓光柵，細分電路采用12細分方式，分辨率可達0.5″，分度誤差MPE:±5″，其用于代替棱體和自準直儀，可大為減小系統(tǒng)體積并提高現(xiàn)場檢測效率。

1.2.2 總體結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)

總體結(jié)構(gòu)采用了鋁質(zhì)材料，較鋼結(jié)構(gòu)減小一半以上的質(zhì)量。為使被檢角度傳感器與圓光柵自由順暢連接，并盡量減小整套儀器的同軸度誤差、塔差和徑向跳動等，對連軸器、等高墊塊和連接法蘭等關(guān)鍵部件在提高加工精度的同時，采用了耐磨性和硬度較好的鉻鉬合金鋼材料。系統(tǒng)控制部分，采用圓光柵控制步進電機，配合蝸輪、蝸桿對系統(tǒng)轉(zhuǎn)角進行精確驅(qū)動，并利用虛擬儀器采集系統(tǒng)，對檢測數(shù)據(jù)進行采集、計算和補償，實現(xiàn)角度傳感器的自動檢測[6-7]。同時，系統(tǒng)設(shè)計了手動鼓輪，以保證在特定情況下可手動對角度傳感器進行校準。

1.2.3 二級連軸器

由于同軸度對系統(tǒng)精度指標影響很大，在設(shè)計上采用了二級連接軸的方式，如圖2所示。一級連軸器直接與圓光柵主軸連接，同軸度可精調(diào)到2 μm以內(nèi)。在校準時，通過換用較短的二級連接軸即可保證較高的同軸度指標。同時，二級連軸器采用變徑設(shè)計，可根據(jù)不同直徑的角度傳感器，換用不同孔徑，實現(xiàn)多類型角度傳感器的檢測。

1.圓光柵主軸；2.一級連軸器；3.二級連軸器圖2 二級連軸器

1.2.4 高精度裝夾附件

等高塊采用多種厚度塊設(shè)計，這樣在現(xiàn)場校準時，可針對不同類型的角度傳感器進行高度調(diào)整。由于配套支桿、等高墊塊和支撐臺的精度直接關(guān)系到系統(tǒng)的塔差，在加工時保證相互配對的等高墊塊高度差控制在±3μm以內(nèi)。

1.2.5 同軸度誤差補償技術(shù)

經(jīng)分析，同軸度帶來的偏心誤差不可避免，且在不確定度評定中占據(jù)了絕大部分比例。但該類誤差屬于系統(tǒng)誤差，通過校準數(shù)據(jù)進行補償，可大為減小該項誤差對校準結(jié)果的影響。

2 測量不確定度分析

以校準分度誤差為±30″光柵編碼器為例，對整套裝置進行不確定度分析。

將被校光柵編碼器主軸與系統(tǒng)主軸通過連軸器連接在一起，并使其主軸軸線與轉(zhuǎn)臺軸線重合，固定編碼器，記下編碼器示值及系統(tǒng)示值a1,b1。然后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動一個標準角度，記錄第2點示值a2,b2，以此類推，直至測量要求的全部測點。則有：

δi=(ai-a1)-(bi-b1)

(1)

式中，δi為第i點的示值誤差。各點的測量不確定度為：

(2)

式中，c1=c2=c3=1,c4=-1。

2.1 安裝同軸度引起的標準不確定度分量u1[8-9]

當光柵編碼器與系統(tǒng)連接時，必然存在被檢光柵編碼器與圓光柵的偏心誤差e，如圖3所示。O為圓光柵的回轉(zhuǎn)中心，O1為被檢光柵編碼器的回轉(zhuǎn)中心。兩者距離為e。當圓光柵旋轉(zhuǎn)一個標準角度a 時，被檢光柵編碼器旋轉(zhuǎn)角度為a ′。r為被檢光柵編碼器的半徑。

圖3 同軸度誤差

由圖3所示的幾何關(guān)系，經(jīng)簡化可以得到：

(3)

令β=a ′-a ，可得到：

(4)

(5)

2.2 安裝傾斜誤差引入的標準不確定度分量u2[10]

安裝傾斜誤差將導致被檢光柵編碼器的光柵尺與讀數(shù)裝置存在一個傾斜角，如圖4所示。

圖4 安裝傾斜

此誤差將引起兩種情況：讀數(shù)裝置與光柵尺發(fā)生位移；讀數(shù)裝置與光柵尺產(chǎn)生一定的傾角。假設(shè)光柵尺與讀數(shù)裝置轉(zhuǎn)動平面之間的夾角為θ，光柵尺的半徑為r， 則有：

(6)

式中，φ為光柵之間的夾角，；Δa 為由傾斜引起的誤差角；S為光柵莫爾條紋間距。

(7)

2.3 編碼器讀數(shù)引入的標準不確定度分量u3[11-13]

(8)

2.3.2 被校準編碼器測角重復性引人的標準不確定度分量u″3[5]

該被校準編碼器測角重復性為Δ=2″,取k=3得：

(9)

取編碼器量化誤差和重復性引入的測量不確定度中較大者，則：

u3=u″3=0.67″

(10)

2.4 標準器引入的標準不確定度分量u4

(11)

2.5 標準不確定度計算

=9.73″

(12)

2.6 擴展不確定度的計算

取k=2,則有:

U=kuc=2×9.73″=19.46″

(13)

3 同軸度誤差的修正

經(jīng)上述分析，同軸度誤差屬于系統(tǒng)誤差，可通過數(shù)學模型進行修正。將公式(3)簡化后，得：

a ″≈a ′+lsina ′

(14)

l為數(shù)學模型修正系數(shù),可通過校準數(shù)據(jù)，使用最小二乘擬合算法進行計算。a ″為修正后角度值。檢測中對被檢編碼器每間隔15°進行校準，共檢測24個點。則可得到l的函數(shù)：

(15)

(16)

=5.2″

(17)

則：

(18)

4 實驗與分析

4.1 系統(tǒng)校準實驗

采用北京304所的三等24面棱體和示值誤差為0.2″的英國泰勒的光電自準直儀對系統(tǒng)精度進行校準[14]。

首先，使用普通連軸器直接與24面棱體連接，誤差曲線如圖5方節(jié)點曲線所示。其誤差波動較大，最大誤差值為+15.3″(165°位置處)，最小誤差值為-17.3″(300°位置處)。在采用二級連接軸后，由于產(chǎn)生的同軸度誤差減小，系統(tǒng)最大示值誤差為+9.4″(135°位置處)，最小誤差值為-9.4″(300°位置處)，如圖5三角節(jié)點曲線所示。系統(tǒng)分度誤差為：±9.4″。

圖5 系統(tǒng)校準誤差圖

4.2 編碼器校準實驗

選取分度誤差為±30″的被測光柵編碼器進行校準，分別進行兩組測量。首先，對系統(tǒng)進行第一次校準，其結(jié)果見圖6方節(jié)點曲線。在首次測量基礎(chǔ)上，系統(tǒng)利用同軸度誤差修正技術(shù)，對所測數(shù)據(jù)進行修正，校準結(jié)果見圖6三角節(jié)點曲線。

圖6 編碼器校準誤差圖

由圖6方節(jié)點曲線可知，在第一次校準時，最大誤差為+40.7″(135°位置處)，最小誤差為-29.4″(300°位置處)，且一部分測量點誤差超出了該標準編碼器標稱分度誤差。經(jīng)過同軸度誤差修正后，如圖6三角節(jié)點曲線所示，表明數(shù)據(jù)修正后，減小了同軸度誤差對校準結(jié)果的影響。最大誤差為+25.7″(150°位置處)，最小誤差為-19.3″(315°位置處)，校準結(jié)果符合技術(shù)指標要求。

4.3 比對實驗

為進一步驗證校準結(jié)果，將該被編碼器由分度誤差為±3″的光學分度頭再次進行校準，將測量結(jié)果與該系統(tǒng)結(jié)果進行比對，其En值結(jié)果見圖7。

圖7 比對En值

由圖7可知，兩系統(tǒng)對同一被測量的校準結(jié)果在各點的En值最大值為0.83(240°處)，均小于1，比對結(jié)果滿意。

5 結(jié)束語

以高精度圓光柵作為標準器，并在裝置結(jié)構(gòu)上采用了二級連軸器、同軸度誤差修正和自動驅(qū)動等技術(shù)方法，同時對系統(tǒng)進行了不確定度分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)分度誤差可達±9.4″。通過對分度誤差為±30″的光柵編碼器進行校準，測得其分度誤差為±22.5″，滿足不確定度分析要求。為驗證校準結(jié)果，系統(tǒng)與高精度光學分度頭測量數(shù)據(jù)進行比對，各點En值均小于1，比對結(jié)果滿意。以上分析表明，該系統(tǒng)能夠滿足在現(xiàn)場環(huán)境下對角度傳感器的校準要求，可保證角度量值的可靠溯源。

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國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃項目 項目編號：T2014-JLQTS-0003

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.15