線位移傳感器的校準方法研究

張　豐,曾燕華,張　偉

(上海市計量測試技術研究院, 上海　201203)

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線位移傳感器的校準方法研究

張豐,曾燕華,張偉

(上海市計量測試技術研究院, 上海201203)

摘要：針對在線檢測與現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方法。研制出適用于不同型式的線位移傳感器的校準裝置,綜合不同的輸出方式設計了接線盒,同時基于C#和ACCESS軟件開發了數據處理和模擬軟件,對其基本誤差、線性度、靈敏度等參數的校準進行了實驗研究,并經比對試驗驗證了該校準方法的合理性與有效性。

關鍵詞：線位移傳感器; 線性度; 校準

引言

線位移傳感器作為各類儀器儀表和控制系統的主要組成部分,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,回程誤差等技術參數[1]。

線位移傳感器評價方式也不同于儀器,長期以來的校準工作主要以生產商為主,作為第三方的檢測機構的校準能力有限。由于目前位移傳感器尚無國際建議或國際標準,國內在2011年年底頒布的校準規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的裝置,以及長距離線位移傳感器的校準方法。

1線位移傳感器校準裝置的研制

線位移傳感器校準裝置建立在一條50 m室內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軌工作臺)、雙頻激光干涉儀、穩壓源、數字多用表、傳感器接線盒、數據處理軟件組成[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,并實現分辨率為1 μm的微調,與上層的機械式導軌工作臺形成雙層可分離式工作臺。整體結構示意圖如圖1所示。

圖1　線位移校準裝置結構示意圖

圖1中1與2構成50 m室內花崗巖氣浮式基線的固定部分,14為氣浮工作臺,上層的機械式導軌工作臺主要由分離式導軌與裝夾機構組成。為保證導軌的直線度,工藝設計時要求:先將導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,從而保證導軌重合性,然后再將導軌按照固定的安裝孔安裝在導軌的固定端與氣浮端,利用激光干涉儀直線度測量系統對導軌進行微調修正,從而保證導軌的直線度小于0.05 mm/400 mm。上層導軌平臺的固定端通過拉伸螺釘鎖緊機構3將其鎖緊,上層導軌平臺的移動端則配有摩擦鎖緊機構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構圖,工作臺采用可分離式導軌副與花崗巖的固定端和氣浮工作臺有效結合,從而將測量范圍進一步擴展。與此同時,裝夾機構采用可移動式二維可微調裝置,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,通過微調旋鈕調整X、Z方向的位移量,從而實現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],使得調整便捷、精準。

圖2　 可分離式機械工作臺結構圖

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。考慮到不同校準人員對不同接線方式的熟悉程度不同,也考慮到校準工作現場的安全性和被測樣品的安全性,以及校準的工作效率,根據實際情況設計了專用的接線盒,如圖3所示。

2線位移傳感器校準方法的實驗研究

對于模擬量輸出和數字量輸出的傳感器,其技術參數包含靈敏度、基本誤差、線性度、回程誤差和重復性五個技術參數。目前還有一定數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,此時的輸出量就是位移量,此時校準結果還應包括示值誤差,同時應記錄校準時二次儀表內設置的靈敏度。

校準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熱。

表1　傳感器裝夾判斷方式

在傳感器裝夾時應調整被校傳感器,使傳感器的位移方向與標準器的移動方向一致,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,并確定校準位移間隔。建議校準范圍應略小于實際測量范圍。以校準位移范圍的最小位移為起始點,單方向遞進,依次進行11個校準點的校準,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個校準點的校準,此為1個測回,共進行3個測回。

校準數據計算時,相同的數據不同的擬合方式其結果會略有差異,根據校準規范的推薦,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數據,采用不同的參比直線時,其結果將有所不同,結果如表2所示。

表2　不同擬合直線的計算結果

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

3數據處理軟件的編制

在線位移傳感器校準工作中,原始數據多,數據處理繁復,因此根據傳感器校準原理及方法編制相應的數據處理軟件,以簡化校準工作,軟件工作流程圖如圖4所示。

基于C#和ACCESS軟件開發了數據處理軟件,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據進行處理分析;對已進行分析的數據和結果保存到后臺數據庫,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　數據處理流程圖

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,實驗原始數據如表3所示。

經計算,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%,重復性為0.04%,回程誤差為0.03%。針對測量值,根據計量比對的方式,采用En值比對的方法進行驗證,表4為本文方法所測數據(SIMT)與中國計量科學研究院所測數據(NIM)的比對表。

表3　比對試驗原始數據及計算結果

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

表4　比對試驗比較表

5結論

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方法,解決了裝夾、調整、信號采集和數據計算的問題,提高了校準的效率和可靠性,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.位移傳感器校準技術研究[J].計測技術,2011,31(6):15-17.

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

[3]楊明君，龔偉.線位移傳感器的現場校準[J].計測技術,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].光學儀器,1989,11(6):11-17.

[5]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T18459-2001 傳感器主要靜態性能指標計算方法[S].北京:中國標準出版社，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