拉繩位移傳感器校準方法的改進

郭成

中國船舶重工集團公司第七一三研究所 河南鄭州 450000

拉繩位移傳感器，可以用于測量位移、距離、位置和應(yīng)變量等長度尺寸，我所應(yīng)用于工程測試中。主要有平衡機構(gòu)、輪轂、鋼絲繩、傳感元件、信號處理部件、電纜等部件組成，是利用鋼絲繩測量位移的，鋼絲繩繞在輪轂上，輪轂內(nèi)繞有鋼制彈簧，用于保證鋼絲繩的張緊回彈力，輪轂與傳感元件（這里為多圈精密電位器）軸通過空心銷連接配合，輪轂旋轉(zhuǎn)通過多圈電位器輸出信號測量得出位移，主要校準基本誤差因為鋼絲繩、輪轂有可能存在張緊回彈不穩(wěn)、打滑、變形等情況，還要進行回程誤差和重復性校準。校準使用的標準設(shè)備主要有：雙頻激光干涉儀、投影測長機、數(shù)字電壓表、直流電源。校準方法：用直流電源供電，雙頻激光干涉儀、投影測長機提供位移標準值，用數(shù)字多用表讀輸出量，采用最小二乘法計算參比直線方程，計算各校準點擬合輸出值，計算各校準點三次正反行程誤差絕對值的最大值為各點的誤差值，取各點的誤差絕對值最大作為基本誤差?；爻陶`差為正反行程輸出量平均值的最大差值。重復性是各校準點三次同向行程中差值的最大值為重復性[1]。

投影測長機，是進行長度測量的光學機械計量儀器，用于直接測量精密量具，如千分尺校對桿；并可以借助高一等級的量塊以比較法檢定低一等級的量塊和測量其它精密零件。分度值為0.001mm，測量范圍為（0-1000）mm，分米刻線尺示值最大允許誤差為±（0.5μm+1/100L）。

雙頻激光干涉儀，是以激光波長為測量標準，進行位移、直線度、角度等幾何量測量的高精度、多功能計量儀器。它是利用兩束具有微小固定額差的雙頻激光束，進行干涉測量的儀器[2]。

1 原有校準方法

使用一米投影測長機在進行拉繩位移變送器校準時，因結(jié)構(gòu)原因，分米刻度尺只有（100-900）mm 九個整數(shù)尺寸，而不同規(guī)格的拉繩位移變送器其校準點分布不僅限于這幾個整數(shù)尺寸，投影測長機顯然不能滿足使用要求。

于是要把雙頻激光干涉儀放置在投影測長機頭座一端，干涉鏡和反射鏡分別架設(shè)在投影測長機頭、尾座上，正確定位后，將大、小兩個固定內(nèi)測勾的測頭取下，并分別固定在頭、尾管上，把拉繩位移傳感器固定在工作臺上，鋼絲繩先穿過頭管的大內(nèi)測勾，再掛在尾管的小內(nèi)測勾上，通過尾座在導軌上移動，以激光干涉儀測量位移。

因激光干涉儀使用頻率較高，經(jīng)常用于機床等現(xiàn)場校準，需要反復重新拆裝定位，激光干涉儀熱機穩(wěn)定時間較長，工作使用不便、效率較低。

2 校準方法的改進

2.1 光柵尺選型

光柵尺是光柵線位移傳感器的簡稱，是利用光柵原理實現(xiàn)直線位移測量的傳感器，分為封閉式和敞開式，主要應(yīng)用于直線移動導軌機構(gòu)。光柵尺由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭組成，標尺光柵一般固定在機床固定部件上，光柵讀數(shù)頭裝在機床活動部件上。

數(shù)顯表是一種用來讀取有線性編碼器產(chǎn)生的信號的顯示單元，廣泛應(yīng)用于各類機床、火花機，為其提供顯示、定位的數(shù)顯裝置，數(shù)顯表的手動補償功能可以通過輸入修正值對光柵尺線性誤差進行補償，其修正值計算方法如下：

修正值=（測量值-標準值）×1000000/標準值——單位（μm/m）

隨著機床用光柵尺的技術(shù)不斷成熟，和光柵尺質(zhì)量和準確度的提高，價格也越來越便宜，對投影測長機加裝光柵尺和數(shù)顯表性價比較高。根據(jù)需求選擇了（0-1000）mm 封閉式光柵尺，分辨力0.5μm，MPE：±1.2μm，配套兩軸數(shù)顯表。

使用光柵尺直接校準，最大誤差遠小于被校拉繩位移傳感器最大誤差的1/3，可以滿足（0-1000）mm，MPE：±0.3%的拉繩位移傳感器的校準[3]。

2.2 改裝

（1）安裝光柵尺。抬下測長機工作臺，合理調(diào)整位置，利用全部量程。將標尺光柵固定在測長機底座背面，安裝孔位置應(yīng)避開光學元器件、絲杠、尾座配合間隙調(diào)整螺釘?shù)炔考?。將磁力表座放置在測長機導軌上，打光柵尺固定座一端上表面，調(diào)零，再打另外一端上表面，控制安裝誤差在±0.05mm 以內(nèi)。然后稍微旋緊固定螺釘，將磁力表座放置在測長機導軌上，用千分表打光柵尺固定座側(cè)表面，調(diào)零，再打另外一端側(cè)表面，調(diào)整光柵尺位置控制安裝誤差在±0.05mm 以內(nèi)。自制角鐵工裝將光柵尺讀數(shù)頭固定在尾座背部側(cè)面上。重復前兩步，使安裝誤差符合要求，選擇合適扭力旋緊螺釘。因底座為鑄鐵材質(zhì)，安裝過程避免多次反復用力擰緊，避免螺紋孔滑絲。光柵尺及移動頭各部分相互作用良好，移動無卡滯、松曠。將數(shù)顯表安裝到頭座微調(diào)裝置基座背部側(cè)面上，連接上電源線和通訊線，接好地線[4]。

（2）光柵尺線性修正。用測長機及激光干涉儀初步校準光柵尺，將投影測長機及激光干涉儀對零，打開數(shù)顯表將光柵尺清零，預熱十分鐘后，對（100-900）mm 九個整數(shù)尺寸進行校準，利用數(shù)顯表手動補償功能和微調(diào)光柵尺安裝位置進行線性修正，使誤差在±1.2μm 以內(nèi)。

然后使用激光干涉儀對光柵尺間隔1 毫米（根據(jù)需要選擇間隔和尺寸），進行正返行程測量，通過數(shù)顯表手動補償功能進行線性修正，使誤差在±1.2μm 以內(nèi)。也可放寬要求為2 級，MPE：±2.5μm。記錄各校準點誤差，用于數(shù)據(jù)的修正。在進行測量結(jié)果不確定度評定時要把光柵尺最大誤差計算進去。

3 結(jié)語

對投影測長機加裝光柵尺和數(shù)顯表性價比優(yōu)異，用光柵尺代替激光干涉儀和投影測長機校準拉繩位移傳感器的方法，工作效率顯著提高。經(jīng)過上級計量技術(shù)機構(gòu)檢定合格和測量結(jié)果的不確定度評定后，這種方法的改進完全滿足（0-1000）mm，MPE：±0.3%的拉繩位移傳感器的校準，可以適應(yīng)參試時間緊、任務(wù)急、任務(wù)量大、工況惡劣須使用前標校的實際情況。