線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置分析

曹潔

摘 要：線位移傳感器作為計(jì)量?jī)x表儀器裝置的重要組成部分，直接與計(jì)量?jī)x器儀表測(cè)量值的準(zhǔn)確度掛鉤，為保障質(zhì)量計(jì)量工作的精確度，必須確保線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置的靈敏度。基于此，本文圍測(cè)長(zhǎng)儀的線位移傳感器校準(zhǔn)裝置的工作原理和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：線位移傳感器;自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置;原理

在當(dāng)前的線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置中，測(cè)長(zhǎng)儀線位移傳感器校準(zhǔn)裝置，因其具有較強(qiáng)的綜合檢測(cè)能力和較快的校準(zhǔn)速度，可以搭配各種類型的測(cè)頭，勝任0.05級(jí)準(zhǔn)確度及以下等級(jí)的計(jì)量?jī)x器儀表的線位移傳感器校準(zhǔn)工作。

1.線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置概述

1.1工作原理

線位移傳感器作為位移測(cè)量?jī)x器的重要組成部分，主要用來(lái)測(cè)量線位移，工作原理是通過(guò)測(cè)量電感、電容以及電阻率的變化方式，將位移的變化軌跡轉(zhuǎn)換為可供研究的電流或電壓變化量，以此完成對(duì)位移行動(dòng)的測(cè)量。在實(shí)際的質(zhì)量計(jì)量工作中，線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)水平，決定了線位移傳感器和測(cè)量?jī)x器的精準(zhǔn)度和準(zhǔn)確度[1]。在對(duì)線位移傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，主要是檢位移傳感器的重復(fù)性、靈敏度、線性度、回程誤差等，確保校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)效率。

1.2裝置組成

線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置的組成部分有：基座、光柵尺、光柵尺讀數(shù)傳感器、控制面板、伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、鎖緊螺母、固定拉桿、不銹鋼導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)、電子手輪、水平調(diào)整裝置等。

2.線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)方法

為便于直觀向讀者展示線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)方式，筆者在本文選了較為常見(jiàn)的直滑式電阻型位移傳感器作為檢測(cè)對(duì)象，檢測(cè)用測(cè)長(zhǎng)儀線位移傳感器校準(zhǔn)裝置，具有1000 mm 的高精度光柵與一體成型的不銹鋼導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，能夠滿足后續(xù)的檢測(cè)需求，計(jì)量長(zhǎng)度L的單位是mm。

2.1校準(zhǔn)流程

線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置以測(cè)長(zhǎng)儀為基準(zhǔn)，采用標(biāo)準(zhǔn)法對(duì)線位移傳感器的精準(zhǔn)度進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量時(shí)，需要測(cè)量人員將檢測(cè)用線位移傳感器固定在檢測(cè)工作臺(tái)上，借助測(cè)長(zhǎng)儀尾座側(cè)頭與傳感器測(cè)量桿進(jìn)行鏈接，按照實(shí)現(xiàn)設(shè)定好的測(cè)量數(shù)值對(duì)測(cè)長(zhǎng)儀尾座和傳感器測(cè)量桿進(jìn)行移動(dòng)，并由傳感器測(cè)量桿向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)回傳線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置的直線位移數(shù)據(jù)，然后借助預(yù)先設(shè)定好的計(jì)算機(jī)軟件程序，采集對(duì)應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并繪制可供研究與分析的圖標(biāo)或曲線圖，獲得線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置的重復(fù)性、靈敏度、線性度、回程誤差等指標(biāo)參數(shù)。

2.2校準(zhǔn)前的準(zhǔn)備工作

當(dāng)被測(cè)量位移傳感器的測(cè)量范圍為200mm，在開(kāi)始校準(zhǔn)前，應(yīng)先用傳感器專用夾具或壓板型夾具，將位移傳感器固定到可調(diào)節(jié)高度的工作臺(tái)上，然后將傳感器測(cè)量桿拉到對(duì)應(yīng)的測(cè)量長(zhǎng)度，有規(guī)律的對(duì)長(zhǎng)儀尾座進(jìn)行移動(dòng)，同時(shí)測(cè)量尾座測(cè)頭軸線和測(cè)量桿軸線間的平行度，調(diào)整傳感器固定位置，以確保其位置與實(shí)現(xiàn)設(shè)定的檢測(cè)位置一致[2]。最后，將傳感器接頭與校準(zhǔn)裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行連接，以確保實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，能夠獲得想要的測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.3讀取測(cè)量數(shù)據(jù)

等校準(zhǔn)準(zhǔn)備工作調(diào)試完成后，對(duì)傳感器的輸出范圍進(jìn)行調(diào)整，確保調(diào)整后的輸出范圍能夠均勻的分布在預(yù)先設(shè)定好的11個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上，需要注意的是輸出范圍的設(shè)定，必須包含傳感器測(cè)量范圍的最高值和最低值，然后按照一定的順序，對(duì)測(cè)定的出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，單次測(cè)量循環(huán)必須包括正、反2個(gè)行程，至少測(cè)量3個(gè)循環(huán)。

2.4數(shù)據(jù)的計(jì)算與處理

對(duì)線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理時(shí)，通常采用以下公式：

對(duì)位移測(cè)量的理想直線與實(shí)測(cè)特性曲線的滿量程輸出和最大偏差進(jìn)行計(jì)算，從而得出所測(cè)系統(tǒng)的線性度。在這個(gè)公式中，Ef代表儀器線性度，YFS代表滿量程輸出，ΔLmax為理想值和實(shí)測(cè)量間的最大偏差。需要注意的是線性度（非線性誤差）在計(jì)算時(shí)會(huì)將擬合直線作為基準(zhǔn)計(jì)算的參考條件。因此，不同的基準(zhǔn)線會(huì)得出不同的線性度。由于擬合直線有多重獲取渠道，通常情況下采用的擬合直線多為理論直線，由此計(jì)算得出的檢測(cè)系統(tǒng)線性度又被稱作“理論線性度”[3]。而理論直線指的是滿量程輸出點(diǎn)和理論曲線坐標(biāo)零點(diǎn)之間的連接直線。

本文所選用的觀察對(duì)象-直滑式電阻型位移傳感器的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)為：獨(dú)立線性度0.5%，測(cè)量行程200mm。該測(cè)量范圍內(nèi)共有11各監(jiān)測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)人員需要對(duì)這11各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓進(jìn)行分別讀取。按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算后，得出該滑式電阻型位移傳感器的靈敏度是20.1V/mm，基本誤差值是-0.2%，線性度是-0.1%，

2.5不確定度評(píng)定

為更好地對(duì)線位移傳感器的誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，檢測(cè)人員需要對(duì)校準(zhǔn)工作的測(cè)量結(jié)果的不確定性進(jìn)行測(cè)量，從而定量校準(zhǔn)結(jié)果的分散性，驗(yàn)證線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置的適用范圍。此次測(cè)定不確定度所選用的直滑式電阻型位移傳感器的測(cè)量范圍為0mm～1000mm，基本誤差為±0.055%。

2.5.1基本誤差值計(jì)算

該公式中，yi代表傳感器在第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的輸出量擬合輸出值，yij代表傳感器在第j次行程中處于第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)際輸出值;YFS代表滿量程輸出值，δ代表計(jì)算得出的移傳感器基本誤差值，當(dāng)被檢測(cè)用線位移傳感器的使用環(huán)境條件和安裝測(cè)量距離確定后，公式（2）中的yi和YFS可以按作常量來(lái)計(jì)算，整個(gè)公式中只有yij屬于變量，在計(jì)算時(shí)需要會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的相對(duì)不確定度。

2.5.2標(biāo)準(zhǔn)不確定度

該數(shù)據(jù)計(jì)算所選的線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置的測(cè)量范圍為0mm～500mm，滿量程輸出值為10V，基本誤差值為±0.2%，以此進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)不確定度的測(cè)量。根據(jù)測(cè)量對(duì)象的不同，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量又分為u1、u2、u3、u4，其中：

u1是以測(cè)長(zhǎng)儀示值誤差來(lái)計(jì)算的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量;

u2是以數(shù)字多用表讀數(shù)來(lái)計(jì)算的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量;

u3是以傳感器重復(fù)性來(lái)計(jì)算的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

u4是以傳感器回程誤差來(lái)計(jì)算的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

它們的計(jì)算方法如下：

（1）以測(cè)長(zhǎng)儀示值誤差來(lái)計(jì)算引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1在計(jì)算時(shí)所允許的最大測(cè)量誤差為±（0.15+L/1500）μm，當(dāng)實(shí)際測(cè)量距離為500mm時(shí)，假設(shè)所有測(cè)量點(diǎn)都屬于均勻分布狀態(tài)，k=3，其計(jì)算公式如下圖所示：

u1 =0.0001%

（2）以數(shù)字多用表讀數(shù)來(lái)計(jì)算引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2在計(jì)算時(shí)的分辨力是0.0001V，由于分辨力偏小，能夠引起的不確定度數(shù)值較小，在計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì);該測(cè)量方法使用的數(shù)字多用表的測(cè)量量程是10V、引入相對(duì)誤差是DCV±0.004%、直流測(cè)量相對(duì)示值誤差限是DCV±0.03%，假設(shè)所有測(cè)量點(diǎn)都屬于均勻分布狀態(tài)，k=3，其計(jì)算公式如下圖所示：

u2 =0.0175%

（3）以傳感器重復(fù)性來(lái)計(jì)算引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3的在計(jì)算時(shí)，要求重復(fù)性不得高于0.03%，據(jù)此得出的相對(duì)不確定度

u3=0.03%。

（4）以傳感器回程誤差來(lái)計(jì)算引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4在計(jì)算時(shí)，要求位移傳感器的基本誤差為±0.2%，回程誤差不得高于0.03%，假設(shè)所有測(cè)量點(diǎn)都屬于均勻分布狀態(tài)，k=3，得出的相對(duì)不確定度

u＼=0.03%/3=0.0173%。

2.6合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算與不確定度分量的各項(xiàng)影響數(shù)據(jù)互不相關(guān)，所得出的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置的問(wèn)世，能夠有效解決當(dāng)前測(cè)量校準(zhǔn)中存在的校準(zhǔn)精度不高問(wèn)題，為科研人員提供一種簡(jiǎn)單、高校、快捷的校準(zhǔn)方法。因此，提高線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)精準(zhǔn)度，能夠在現(xiàn)有技術(shù)水平上，將質(zhì)量計(jì)量工作測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度提到最高，為我國(guó)的尖端科技的研發(fā)奠定良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊勇，吳文峰，夏坤.位移傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試，2019，000（008）：5-8.

[2]楊勇，王亞?wèn)|，吳文峰，等.直流差動(dòng)式位移傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018，278（24）：129-131.

[3]鄭西洋，許益民.一種差動(dòng)變壓器式位移傳感器的建模仿真分析[J].自動(dòng)化與儀表，2019，034（005）：90-94.

（常州檢驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證研究院 ?江蘇 ?常州 ?213164）