線位移傳感器自動化校準裝置的探討

黃梓勁

（廣東省肇慶市質量計量監督檢測所，廣東 肇慶 526000）

線位移傳感器自動化校準裝置的探討

黃梓勁

（廣東省肇慶市質量計量監督檢測所，廣東 肇慶 526000）

隨著質量計量工作的蓬勃發展，儀器儀表裝置的質量控制、校準技術及方法也受到了更高程度的重視。主要針對線位移傳感器自動化校準裝置的相關技術展開了分析，通過對校準裝置的組成、主要技術指標及位移傳感器校準方法的介紹，對測長儀工作的原理作了詳細的闡述，以期能為有關方面提供參考和借鑒。

測長儀；線位移傳感器；自動化校準；校準方法

為了適應現代各行各業儀器儀表及傳感器的質量控制，線位移傳感器已經被廣泛應用到航天器材的研制生產、各類載體的姿態控制、對接機構的定位控制等質量控制體系中。測長儀的線位移傳感器校準裝置綜合檢測能力強、校準速度快，搭配不同測頭可以實現對大部分線位移傳感器的校準工作，能夠很好地處理準確度為0.05級及以下等級的線位移傳感器校準工作。

1 工作原理和校準流程

校準裝置以測長儀為基準，采用比較標準法的工作原理對被測傳感器進行直接測量。將被測傳感器固定在測長儀可調工作臺上，傳感器測量桿與測長儀尾座測頭可靠連接，移動測長儀尾座即可帶動傳感器測量桿一起運動，產生同步同量的直線位移；數據采集處理系統同時記錄下相應測量點的輸出值；計算機通過軟件對采集到的數據進行處理，最后獲得并輸出傳感器的基本誤差、線性誤差、靈敏度、重復性誤差等特性指標。

2 校準裝置的組成和主要技術指標

在校準線位移傳感器工作中，首要任務是實現高準確度的位移變動量，結合實驗室條件，選擇測長儀作為位移基準。其1000mm的高精度光柵及一體成型的不銹鋼導軌結構能夠提供足夠的測量范圍，測長儀系統自身（0.2＋L/1000μm，L單位為“mm”）的技術指標充分保證了位移輸出定位準確度，有效控制了系統的輸出誤差。

3 位移傳感器的校準方法

本文以最為常見的直滑式電阻型位移傳感器為例，闡述利用校準裝置開展誤差項目校準的方法。

圖1所示為直滑式電阻型位移傳感器工作原理圖。直線位移傳感器的工作原理大致可以簡單地描述為軸從1端到3端角度旋轉或直線位移時阻值發生變化，由2端按線性規律高精度輸出，同時通過變換電路將阻值變化轉換為信號顯示。

圖1 直滑式電阻型位移傳感器工作原理圖

3.1 校準工作前的準備

以測量范圍為300mm的位移傳感器為例，將傳感器專用夾具（此類結構傳感器可使用壓板型夾具）固定在可調工作臺上，手動拉出傳感器測量桿，隨后移動測長儀尾座并檢查測量桿軸線與尾座測頭軸線的平行度，使用工作臺可調機構調整傳感器，以滿足阿貝原則。最后按照傳感器的接頭定義將其接入到校準裝置的數據采集部分，以獲取輸出量。

3.2 測量數據的讀取

完成事前的調整工作后，調整傳感器的輸出范圍，在其輸出范圍內大致均勻地分布11個校準點（包括傳感器測量范圍的上、下限），按順序分別讀取測長儀給出的位移值及各個校準點上的輸出值。以正、反2個行程為一個測量循環，共測量3個循環。

3.3 數據的統計與處理

根據實測的輸入—輸出特性曲線與理想直線之間最大偏差與滿量程輸出的百分比來表示所測系統的線性度，即為：

式（1）中：Ef為儀器線性度；ΔLmax為實測量與理想值的最大偏差；YFS為滿量程輸出。

由于線性度（非線性誤差）是以所參考的擬合直線為基準計算得的，所以基準線不同，所得線性度就不同。擬合直線的選取方法很多，一般來說采用理論直線作為擬合直線，確定的檢測系統線性度稱作“理論線性度”。理論直線通常取連接理論曲線坐標零點和滿量程輸出點的直線。

以某直滑式位移傳感器為例，其技術指標為：測量行程為200mm，獨立線形度為0.5%.在全量程范圍內，均勻分布11個測量點，分別采集11個對應的輸出電壓值。

測量結果修約后可獲得所測傳感器的基本誤差為-0.2%，線性誤差為-0.1%，靈敏度為20.1V/mm。

4 測量不確定度評定

為了更好地開展線位移傳感器的誤差校準工作，需要對校準工作進行測量結果不確定度分析，以便對校準結果的分散性有定量的認識，驗證系統的適用性，使用一個基本誤差±（0.05～5.0）%、測量范圍為0≤L≤1000mm的線位移傳感器進行分析。

4.1 數學模型

式（2）中：δ為線位移傳感器的基本誤差；yij為線位移傳感器在第j次行程中第i個校準點的輸出值；yi為線位移傳感器在第i個校準點處輸出量的擬合輸出值；YFS為滿量程輸出值。當位移傳感器安裝位置與環境條件確定后，式（2）校準點處輸出量的擬合輸出值和滿量程輸出值YFS可當作常量來處理。該式中只有校準點實測的輸出量yij一個變量，只考慮影響該實際測量值的相對不確定度。

4.2 標準不確定度的評定

以測量上限L＝500mm，滿量程輸出+10V，基本誤差±0.2%為例，進行不確定度評定。

4.2.1 相對標準不確定度分量u1

u1為測長儀示值誤差引入的相對標準不確定度分量。測長儀的最大允許誤差為±（0.15＋L/1500）μm，在L＝500mm處測量點上，按均勻分布處理，，其誤差引入的相對不確定度分量為：

4.2.2 相對標準不確定度分量u2

u2為數字多用表讀數引入的相對標準不確定度分量。數字多用表實際讀數時，采用的分辨力為0.0001V，則分辨力引起的不確定度可以忽略不計。數字多用表直流測量的相對示值誤差限為DCV±0.03%，該表由選擇量程引入的相對誤差為DCV±0.004%，測量量程選擇為10V，按均勻分布處理，，因此數字多用表讀數引入的不確定度分量為：

4.2.3 相對標準不確定度分量u3

u3為傳感器重復性引入的相對標準不確定度分量。對于基本誤差要求為±0.2%的拉線式位移傳感器，其重復性的要求應不超過0.03%，傳感器重復性引人的相對不確定度為u3＝0.03%.

4.2.4 相對標準不確定度分量u4

u4為傳感器回程誤差引入的相對標準不確定度分量。對于基本誤差要求為±0.2%的位移傳感器來說，其回程誤差要求應不超過0.03%，按均勻分布處理，傳感器回程誤差引入的相對不確定度為

4.3 合成標準不確定度計算

以上各項不確定度分量互不相關，所以合成標準不確定度uc＝0.039%.

4.4 擴展不確定度計算

取P＝95%時，包含因子k＝2，則U＝kuc＝2×0.039%≈0.08%.

4.5 本校準方法的測量不確定預評估

使用整套校準裝置，在0～1000mm測量范圍內，不同技術指標的線位移傳感器測量不確定度如表1所示。

表1 線位移傳感器測量不確定度

上述數據表明，運用本套位移傳感器校準裝置開展工作所獲得的校準數據可靠，符合JF1305—2011校準規范中的各項要求，可以用于日常實驗室工作中。

5 結束語

總而言之，在質量計量監督工作中，位移傳感器校準裝置的組建和校準技術的成功實現有著重大的意義，不僅能充分利用現有的設備合理搭建的校準平臺為實驗室節省采購專項測量設備的開支，還能有效提高計量的效率和結果的準確性。因此，靈活運用位移傳感器校準裝置的組建和校準技術，進一步提升企業實驗室對科研生產校準技術的保障能力。

［1］陳洪俠.直線位移傳感器校準裝置的設計［J］.儀器儀表標準化與計量，2016（2）：46-48.

［2］張豐，曾燕華，張偉.線位移傳感器的校準方法研究［J］.光學儀器，2016，38（1）：63-68.

〔編輯：劉曉芳〕

TP216

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.17.139

2095－6835（2017）17－0139－02