【摘要】針對現(xiàn)有的拉桿式線位移傳感器校準(zhǔn)速度慢、周期長、工作量大、精度低等弊端，研制出一種基于光電檢測技術(shù)的線位移傳感器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用伺服電機驅(qū)動精密直線運動機構(gòu)，由光柵傳感器實時檢測運動滑座的位移，作為線位移傳感器的標(biāo)準(zhǔn)位移輸入。同時，校準(zhǔn)系統(tǒng)檢測線位移傳感器的電壓輸出，根據(jù)這兩者間的輸入輸出關(guān)系確定拉桿式線位移傳感器的靈敏度、線性度、重復(fù)度等特性參數(shù)。整個校準(zhǔn)過程由計算機控制，從而實現(xiàn)了對拉桿式線位移傳感器的自動校準(zhǔn)。分析結(jié)果表明，該校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠解決工業(yè)現(xiàn)場拉桿式線位移傳感器校準(zhǔn)問題，實現(xiàn)了校準(zhǔn)過程的自動化、快速化與高精度。

　　【關(guān)鍵詞】建筑經(jīng)濟雜志投稿,拉桿式線位移傳感器,校準(zhǔn)系統(tǒng),光柵傳感器,不確定度分析

　　1.引言

　　拉桿式線位移傳感器是通過拉桿感受長度尺寸變化并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件，它是線位移傳感器中最常見的一種，可用于測量位移、距離、位置和應(yīng)變量等長度尺寸。拉桿式線位移傳感器在機械制造業(yè)和工業(yè)自動檢測領(lǐng)域中占有重要地位，廣泛應(yīng)用于電力、水利、建筑、航空航天、公路鐵路交通等多個行業(yè)的測試任務(wù)。為保證傳感器使用的可靠性和測量精度，根據(jù)國標(biāo)規(guī)定需要對靈敏度、基本誤差、線性度、回程誤差和重復(fù)性等主要計量特性做定期校準(zhǔn)[1，2]。

　　目前，國內(nèi)外常用的線位移傳感器校準(zhǔn)方法是通過萬工顯[3]、測長機[4]、激光干涉儀[5，6]等儀器設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)位移，由線位移傳感器對該標(biāo)準(zhǔn)位移量進行檢測，得到線位移傳感器的輸入-輸出關(guān)系，進而實現(xiàn)傳感器的校準(zhǔn)。激光干涉儀雖具有較高的測量精度，但校準(zhǔn)機構(gòu)復(fù)雜、成本高，且對測量環(huán)境的要求高，主要用于精度要求特別高的線位移傳感器校準(zhǔn)。采用萬工顯、測長機等設(shè)備進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過程以手工操作為主，校準(zhǔn)精度和效率都不高。并且，現(xiàn)有研究成果主要側(cè)重于理論和實驗方法的研究，未能形成標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備，而市場上目前也沒有合適的專用校準(zhǔn)系統(tǒng)。為此，本文提出一種基于光柵傳感器的拉桿式線位移傳感器自動快速校準(zhǔn)方法，并研制出校準(zhǔn)系統(tǒng)，實現(xiàn)了拉桿式線位移傳感器的高精度自動校準(zhǔn)。

　　2.校準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理

　　本系統(tǒng)采用相對校準(zhǔn)法，以高精度光柵傳感器測量結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)位移，用NI數(shù)據(jù)采集卡采集光柵傳感器測得的標(biāo)準(zhǔn)位移量和線位移傳感器的電壓輸出量，以此來校準(zhǔn)線位移傳感器。如圖1所示，自動校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由機械部分、光柵傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、運動控制模塊以及計算機組成。

　　圖1 拉桿式線位移傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)組成框圖

　　校準(zhǔn)時，首先裝夾好線位移傳感器及其連接組件，然后伺服電機驅(qū)動運動滑座在直線運動機構(gòu)上沿導(dǎo)軌移動，運動過程全部由計算機控制。分別安裝在直線運動機構(gòu)上的光柵尺和安裝在滑座上的讀數(shù)裝置組成光電檢測系統(tǒng)，實時測量運動滑座在直線運動機構(gòu)上的位移，并結(jié)合拉桿式線位移傳感器的讀數(shù)，可得到線位移傳感器的靈敏度、線性度、回程誤差等特性參數(shù)，從而實現(xiàn)對拉桿式線位移傳感器的自動校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系統(tǒng)量程為0～500mm，分辨力可達1μm。

　　2.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　校準(zhǔn)系統(tǒng)機械部分實現(xiàn)的功能主要包括運動滑座的直線位移傳動、線位移傳感器的裝夾及其位置調(diào)整，以及線位移傳感器與運動滑座的固定連接。

　　圖2 校準(zhǔn)系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)組成圖

　　如圖2所示，由于被校準(zhǔn)的拉桿式線位移傳感器為圓柱形外形，可采用V型塊裝夾。傳感器拉桿經(jīng)安裝在運動滑座上的連接組件與滑座相連，并通過一維升降臺調(diào)整傳感器安裝高度，使得拉桿與連接組件滿足對中性要求。校準(zhǔn)時，伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠，帶動運動滑座沿導(dǎo)軌做正反行程的直線位移。光柵傳感器及其讀數(shù)頭分別安裝在直線運動機構(gòu)的導(dǎo)軌側(cè)面和運動滑座上，可實時測量運動滑座的直線位移，作為線位移傳感器的標(biāo)準(zhǔn)位移輸入。

　　2.2 傳感器信號采集

　　校準(zhǔn)系統(tǒng)使用美國NI公司USB-6229DAQ卡進行線位移傳感器和光柵傳感器的信號采集。其中被校準(zhǔn)的線位移傳感器輸出的是模擬電壓信號，范圍為 -10V～+10V。光柵傳感器輸出兩路相位差為90°的TTL方波信號和一路參考信號，采集卡中有專門的計數(shù)器用來處理這類信號。在工作時，分別將兩路增量信號和一路參考信號與計數(shù)器的Source，AUX和GATE引腳相連。計數(shù)器在工作時，一共有三種模式可供選擇，分別是X1、X2和X4編碼模式，即一倍頻、兩倍頻和四倍頻計數(shù)。

　　校準(zhǔn)系統(tǒng)采集的信號為低頻信號，對信號采集卡的采樣頻率要求并不高，采用大于1kHz即可。采集卡通過USB接口與計算機進行通訊，USB總線供電方式可以提供3.5V的直流電壓，能夠滿足信號驅(qū)動和采集的需要。

　　2.3 運動與測量控制

　　校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計了三種控制模式，可通過計算機直接選取。第一種是等間隔采點模式，即在整個行程中，等間距采集11個校準(zhǔn)點(包括上、下限)。NI數(shù)據(jù)采集卡按順序分別采集線位移傳感器輸出的電壓值U與光柵傳感器輸出的位移量L。以正、反兩個行程為一個測量循環(huán)，共測三個循環(huán)。測量完成后，計算機自動將測量數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中并計算出校準(zhǔn)結(jié)果，繪制出傳感器特性曲線。第二種為隨機采點模式，即在整個行程中，系統(tǒng)隨機采集11個校準(zhǔn)點，然后按第一種模式的后續(xù)操作進行校準(zhǔn)。第三種為自定義采點模式，即由校準(zhǔn)人員在校準(zhǔn)量程范圍內(nèi)任意指定一系列校準(zhǔn)點，記錄這些校準(zhǔn)點處線位移傳感器的輸出電壓值U與光柵傳感器輸出位移量L，再由系統(tǒng)計算得出線位移傳感器特性曲線。

　　3.校準(zhǔn)系統(tǒng)不確定度分析

　　使系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生不確定度的主要因素包括：阿貝誤差引入的不確定度分量、測量重復(fù)性引入的不確定度分量、光柵傳感器誤差引入的不確定度分量、線位移傳感器安裝誤差引入的不確定度分量、采集卡信號采集引入的不確定度分量等[7-9]。

　　3.1 阿貝誤差引入的不確定度分量u1

　　由于光柵傳感器與被校準(zhǔn)的線位移傳感器所測量的位移量不處在同一直線上，直線導(dǎo)軌存在的直線度誤差會導(dǎo)致校準(zhǔn)過程中產(chǎn)生阿貝誤差。在校準(zhǔn)量程范圍內(nèi)，運動機構(gòu)中導(dǎo)軌的最大直線度誤差為15μm，光柵傳感器標(biāo)尺與線位移傳感器拉桿中心線之間的有效距離為90mm，由此計算出的兩者之間的最大夾角為，因此阿貝誤差引入的不確定度分量為： 　　(1)

　　3.2 測量重復(fù)性引入的不確定度分量u2

　　測量重復(fù)性引入的不確定度分量采用 A類評估法。對線位移傳感器在200mm點處重復(fù)測量10次，得到的傳感器輸出電壓(單位：V)分別為4.0001、4.0005、3.9998、 4.0003、3.9994、3.9999、4.0001、4.0004、3.9996、4.0008，對應(yīng)的位移量示值(單位：mm)分別為 200.005、200.025、199.990、200.015、199.980、199.995、200.005、200.020、199.970、 200.040，算術(shù)平均值mm。由貝塞爾公式計算得到單次測量標(biāo)準(zhǔn)差s為：

　　(2)

　　測量重復(fù)性引入的不確定度分量為：

　　(3)

　　3.3 光柵傳感器誤差引入的不確定度分量u3

　　本校準(zhǔn)系統(tǒng)選用的是海德漢LS477增量式直線光柵傳感器，其測量不確定度e3為±3μm。令該誤差服從正態(tài)分布，k3取3，由此產(chǎn)生的不確定度分量為：

　　(4)

　　3.4 線位移傳感器安裝誤差引入的不確定度分量u4

　　線位移傳感器的安裝誤差將導(dǎo)致拉桿與滑座的運動方向不一致，兩者存在夾角θ，從而產(chǎn)生線位移傳感器的測量誤差，表現(xiàn)為余弦誤差。為此，校準(zhǔn)系統(tǒng)在線位移傳感器安裝時采用千分表校核，確保夾角θ值很小，經(jīng)計算此項誤差引起的不確定度分量可忽略不計。

　　3.5 采集卡信號采集誤差引入的不確定度分量u5

　　此項誤差主要來源于采集卡在采集線位移傳感器輸出電壓值的量化誤差，USB-6229DAQ數(shù)據(jù)采集卡的采集精度為16bits。由于線位移傳感器輸出電壓值為0～10V，對應(yīng)的位移量為0～500mm。按最大量化誤差計算出的不確定度分量為：

　　(5)

　　3.6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

　　假設(shè)上述計算的各不確定度分量彼此相互獨立，則合成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

　　(6)

　　3.7 擴展不確定度U

　　校準(zhǔn)系統(tǒng)擴展不確定度：

　　，(k=2) (7)

　　4.結(jié)論

　　本文針對現(xiàn)有的拉桿式線位移傳感器校準(zhǔn)周期長、成本高的缺點，提出了一種基于光柵傳感器的校準(zhǔn)方法，并在此基礎(chǔ)上研制出適用于拉桿式線位移傳感器的高精度自動校準(zhǔn)系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)校準(zhǔn)過程中的直線運動和位移測量完全由計算機控制，校準(zhǔn)不確定度為34.2μm，可實現(xiàn)0～500mm量程拉桿式線位移傳感器的高精度自動校準(zhǔn)。本校準(zhǔn)系統(tǒng)降低了拉桿式線位移傳感器的檢定成本，提高了傳感器的使用效率，同時也為其它類型線位移傳感器的校準(zhǔn)提供了借鑒。

　　參考文獻

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