線位移傳感器的校準(zhǔn)方法研究

張　豐,曾燕華,張　偉

(上海市計量測試技術(shù)研究院, 上?！?01203)

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線位移傳感器的校準(zhǔn)方法研究

張豐,曾燕華,張偉

(上海市計量測試技術(shù)研究院, 上海201203)

摘要：針對在線檢測與現(xiàn)場控制中的線位移傳感器,提出了一種基于氣浮式基線及雙層式可分離工作臺的線位移傳感器校準(zhǔn)方法。研制出適用于不同型式的線位移傳感器的校準(zhǔn)裝置,綜合不同的輸出方式設(shè)計了接線盒,同時基于C#和ACCESS軟件開發(fā)了數(shù)據(jù)處理和模擬軟件,對其基本誤差、線性度、靈敏度等參數(shù)的校準(zhǔn)進行了實驗研究,并經(jīng)比對試驗驗證了該校準(zhǔn)方法的合理性與有效性。

關(guān)鍵詞：線位移傳感器; 線性度; 校準(zhǔn)

引言

線位移傳感器作為各類儀器儀表和控制系統(tǒng)的主要組成部分,在自動化控制和測量中有著舉足輕重的地位。但由于線位移傳感器的外形多樣,輸出方式多樣,其計量性能的優(yōu)劣直接影響到各種測量的線性度,靈敏度,基本誤差,回程誤差等技術(shù)參數(shù)[1]。

線位移傳感器評價方式也不同于儀器,長期以來的校準(zhǔn)工作主要以生產(chǎn)商為主,作為第三方的檢測機構(gòu)的校準(zhǔn)能力有限。由于目前位移傳感器尚無國際建議或國際標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)在2011年年底頒布的校準(zhǔn)規(guī)范也只提及了各種位移傳感器安裝原則,卻沒有具體的實施方案。本文介紹了一種適合長距離位移傳感器校準(zhǔn)的裝置,以及長距離線位移傳感器的校準(zhǔn)方法。

1線位移傳感器校準(zhǔn)裝置的研制

線位移傳感器校準(zhǔn)裝置建立在一條50 m室內(nèi)花崗巖氣浮式基線的平臺上,由雙層可分離式工作臺(氣浮工作臺與機械式導(dǎo)軌工作臺)、雙頻激光干涉儀、穩(wěn)壓源、數(shù)字多用表、傳感器接線盒、數(shù)據(jù)處理軟件組成[2]。氣浮工作臺的氣隙厚度控制在5 μm以下,氣隙均勻性小于0.5 μm,運動直線度小于5 μm,并實現(xiàn)分辨率為1 μm的微調(diào),與上層的機械式導(dǎo)軌工作臺形成雙層可分離式工作臺。整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　線位移校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中1與2構(gòu)成50 m室內(nèi)花崗巖氣浮式基線的固定部分,14為氣浮工作臺,上層的機械式導(dǎo)軌工作臺主要由分離式導(dǎo)軌與裝夾機構(gòu)組成。為保證導(dǎo)軌的直線度,工藝設(shè)計時要求:先將導(dǎo)軌副安裝在加工研磨好的基座(平板)上,按下層工作臺的比例進行線切割,線切割模式采用梯形齒狀,從而保證導(dǎo)軌重合性,然后再將導(dǎo)軌按照固定的安裝孔安裝在導(dǎo)軌的固定端與氣浮端,利用激光干涉儀直線度測量系統(tǒng)對導(dǎo)軌進行微調(diào)修正,從而保證導(dǎo)軌的直線度小于0.05 mm/400 mm。上層導(dǎo)軌平臺的固定端通過拉伸螺釘鎖緊機構(gòu)3將其鎖緊,上層導(dǎo)軌平臺的移動端則配有摩擦鎖緊機構(gòu)12,可在任意位置將平臺固定。

圖2為可分離式機械工作臺結(jié)構(gòu)圖,工作臺采用可分離式導(dǎo)軌副與花崗巖的固定端和氣浮工作臺有效結(jié)合,從而將測量范圍進一步擴展。與此同時,裝夾機構(gòu)采用可移動式二維可微調(diào)裝置,將位移傳感器的移動部件通過傳感器鎖緊螺栓固定在裝置上,通過微調(diào)旋鈕調(diào)整X、Z方向的位移量,從而實現(xiàn)傳感器的運動方向與激光干涉儀的方向平行[3],從而盡可能地減小阿貝誤差[4],使得調(diào)整便捷、精準(zhǔn)。

圖2　 可分離式機械工作臺結(jié)構(gòu)圖

圖3　接線盒原理圖Fig.3　Schematic diagram of wiring box

傳感器的輸出方式最常見的是模擬量輸出和位移量輸出。對于模擬量輸出的傳感器,通常有下述接線方式:兩線制、三線制、四線制和六線制。模擬量輸出時通常會采用4～20 mA直流電流輸出或0～10 V直流電壓輸出?？紤]到不同校準(zhǔn)人員對不同接線方式的熟悉程度不同,也考慮到校準(zhǔn)工作現(xiàn)場的安全性和被測樣品的安全性,以及校準(zhǔn)的工作效率,根據(jù)實際情況設(shè)計了專用的接線盒,如圖3所示。

2線位移傳感器校準(zhǔn)方法的實驗研究

對于模擬量輸出和數(shù)字量輸出的傳感器,其技術(shù)參數(shù)包含靈敏度、基本誤差、線性度、回程誤差和重復(fù)性五個技術(shù)參數(shù)。目前還有一定數(shù)量的位移傳感器使用方會要求在使用二次儀表的情況下進行校準(zhǔn),此時的輸出量就是位移量,此時校準(zhǔn)結(jié)果還應(yīng)包括示值誤差,同時應(yīng)記錄校準(zhǔn)時二次儀表內(nèi)設(shè)置的靈敏度。

校準(zhǔn)前先將被校傳感器安裝在裝夾工作臺上,并檢查是否牢固、可靠,將被校傳感器與模擬量信號采集裝置可靠連接,根據(jù)被校傳感器的接線信息輸入電壓及選擇萬用表的檔位。確認上述工作無誤后,接通電源,并按被校傳感器的要求進行預(yù)熱。

表1　傳感器裝夾判斷方式

在傳感器裝夾時應(yīng)調(diào)整被校傳感器,使傳感器的位移方向與標(biāo)準(zhǔn)器的移動方向一致,不同的傳感器可參考表1提示方式進行判斷。

安裝完畢后,在傳感器最大位移范圍內(nèi)移動3次,同時觀察傳感器的實際輸出范圍,確認被校傳感器的實際測量范圍,并確定校準(zhǔn)位移間隔。建議校準(zhǔn)范圍應(yīng)略小于實際測量范圍。以校準(zhǔn)位移范圍的最小位移為起始點,單方向遞進,依次進行11個校準(zhǔn)點的校準(zhǔn),到達測量范圍的最大位移后越程,并反方向單方向遞減,依次進行11個校準(zhǔn)點的校準(zhǔn),此為1個測回,共進行3個測回。

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計算時,相同的數(shù)據(jù)不同的擬合方式其結(jié)果會略有差異,根據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范的推薦,使用最小二乘法計算參比直線方程計算靈敏度、基本誤差,而線性度的參比直線則用最小二乘法計算或采用最佳直線,推薦最佳直線。最小二乘法計算參比直線的公式[5]如下:

Yi=Y0+KLi

(1)

(2)

(3)

當(dāng)每次行程中第i個輸入值相同時,則式(2)和式(3)可簡化如下:

(4)

(5)

基本誤差計算公式如下:

(6)

線性度計算公式如下:

(7)

當(dāng)參比直線選用最小二乘法時,Yi的值由式(1)、式(4)、式(5)計算得到。當(dāng)選用最佳直線為參比直線時,用以下方法計算得到:

(8)

對于一組相同的校準(zhǔn)數(shù)據(jù),采用不同的參比直線時,其結(jié)果將有所不同,結(jié)果如表2所示。

表2　不同擬合直線的計算結(jié)果

由于最佳直線的擬合比較繁瑣,因此在日常校準(zhǔn)工作中若無明確要求,則采用最小二乘法擬合參比直線,根據(jù)不確定度評定可得到校準(zhǔn)值的擴展不確定度為U=0.03%(擴展因子k=2)。

3數(shù)據(jù)處理軟件的編制

在線位移傳感器校準(zhǔn)工作中,原始數(shù)據(jù)多,數(shù)據(jù)處理繁復(fù),因此根據(jù)傳感器校準(zhǔn)原理及方法編制相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件,以簡化校準(zhǔn)工作,軟件工作流程圖如圖4所示。

基于C#和ACCESS軟件開發(fā)了數(shù)據(jù)處理軟件,該軟件支持使用者對傳感器的型號、用戶信息等基本參數(shù)進行增、刪、改、查等基本功能。在對傳感器進行性能評價時,支持使用者選擇簡易計算模式或完整計算模式來對數(shù)據(jù)進行處理分析;對已進行分析的數(shù)據(jù)和結(jié)果保存到后臺數(shù)據(jù)庫,方便使用者進行按模式、人員、時間進行模糊查詢等。軟件界面如圖5所示。

圖4　數(shù)據(jù)處理流程圖

圖5　軟件使用實例Fig.5　Example of software use

4比對試驗與結(jié)果

比對試驗以YF-YJA03型位移傳感器為例,試驗時測量范圍為50~1 000 mm,實驗原始數(shù)據(jù)如表3所示。

經(jīng)計算,該傳感器的靈敏度為1.000 86 mm/mm,基本誤差為0.06%,線性度為0.03%,重復(fù)性為0.04%,回程誤差為0.03%。針對測量值,根據(jù)計量比對的方式,采用En值比對的方法進行驗證,表4為本文方法所測數(shù)據(jù)(SIMT)與中國計量科學(xué)研究院所測數(shù)據(jù)(NIM)的比對表。

表3　比對試驗原始數(shù)據(jù)及計算結(jié)果

通過上述比較試驗可得:在不同的標(biāo)準(zhǔn)器上對同一被測傳感器進行測量,En值<1,比對結(jié)果滿意,說明校準(zhǔn)裝置可靠,校準(zhǔn)方法合理。

表4　比對試驗比較表

5結(jié)論

線位移傳感器外形尺寸大小不一,外觀形狀各不相同,通過對不同線位移傳感器的工作特點的分析,確定了長距離線位移傳感器的校準(zhǔn)方法,解決了裝夾、調(diào)整、信號采集和數(shù)據(jù)計算的問題,提高了校準(zhǔn)的效率和可靠性,為線位移傳感器的合理有效使用提供了參考。

參考文獻：

[1]唐志鋒,何小妹,王曉梅.位移傳感器校準(zhǔn)技術(shù)研究[J].計測技術(shù),2011,31(6):15-17.

[2]李德乾.激光干涉儀在校準(zhǔn)拉繩式位移傳感器的應(yīng)用[J].計量與測試技術(shù),2007，34(3)：29.

[3]楊明君，龔偉.線位移傳感器的現(xiàn)場校準(zhǔn)[J].計測技術(shù),2013，33(5):60-62.

[4]倪爭技，王國華，徐通義.光柵線性位移傳感器誤差分析[J].光學(xué)儀器,1989,11(6):11-17.

[5]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T18459-2001 傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)計算方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

(編輯:劉鐵英)

Research on calibration of linear displacement transducer

ZHANGFeng,ZENGYanhua,ZHANGWei

(Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology, Shanghai 201203, China)

Abstract：In this paper, in order to implement linear displacement sensor calibration, which is widely applied in the automobile manufacture, shipbuilding, aerospace, nuclear industry and other on-line detection applications, a new calibration method based on air-float baseline and double-layer operation table is proposed. A long-range linear displacement sensor calibration device suitable for different types and a data processing simulation software based on C#/ACCESS are developed.Based on the experimental calibration of the linearity, sensitivity and other parameters, the reasonableness and effectiveness of the provided method are proved.

Keywords：linear displacement sensor; linearity; calibration

中圖分類號：TH 711

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1005-5630.2016.01.014

作者簡介：張豐(1971—),女,工程師,主要從事長度計量測試方面的研究。E-mail:zhangf@simt.com.cn

收稿日期：2015-06-01