線位移傳感器自動化校準裝置分析

曹潔

摘 要：線位移傳感器作為計量儀表儀器裝置的重要組成部分，直接與計量儀器儀表測量值的準確度掛鉤，為保障質量計量工作的精確度，必須確保線位移傳感器自動化校準裝置的靈敏度。基于此，本文圍測長儀的線位移傳感器校準裝置的工作原理和技術指標進行了討論。

關鍵詞：線位移傳感器;自動化校準裝置;原理

在當前的線位移傳感器自動化校準裝置中，測長儀線位移傳感器校準裝置，因其具有較強的綜合檢測能力和較快的校準速度，可以搭配各種類型的測頭，勝任0.05級準確度及以下等級的計量儀器儀表的線位移傳感器校準工作。

1.線位移傳感器自動化校準裝置概述

1.1工作原理

線位移傳感器作為位移測量儀器的重要組成部分，主要用來測量線位移，工作原理是通過測量電感、電容以及電阻率的變化方式，將位移的變化軌跡轉換為可供研究的電流或電壓變化量，以此完成對位移行動的測量。在實際的質量計量工作中，線位移傳感器自動化校準裝置的校準水平，決定了線位移傳感器和測量儀器的精準度和準確度[1]。在對線位移傳感器進行校準時，主要是檢位移傳感器的重復性、靈敏度、線性度、回程誤差等，確保校準結果的準效率。

1.2裝置組成

線位移傳感器自動化校準裝置的組成部分有：基座、光柵尺、光柵尺讀數傳感器、控制面板、伺服電機、聯軸器、鎖緊螺母、固定拉桿、不銹鋼導軌結構、電子手輪、水平調整裝置等。

2.線位移傳感器自動化校準裝置的校準方法

為便于直觀向讀者展示線位移傳感器自動化校準裝置的校準方式，筆者在本文選了較為常見的直滑式電阻型位移傳感器作為檢測對象，檢測用測長儀線位移傳感器校準裝置，具有1000 mm 的高精度光柵與一體成型的不銹鋼導軌結構，能夠滿足后續的檢測需求，計量長度L的單位是mm。

2.1校準流程

線位移傳感器自動化校準裝置以測長儀為基準，采用標準法對線位移傳感器的精準度進行測量，在測量時，需要測量人員將檢測用線位移傳感器固定在檢測工作臺上，借助測長儀尾座側頭與傳感器測量桿進行鏈接，按照實現設定好的測量數值對測長儀尾座和傳感器測量桿進行移動，并由傳感器測量桿向數據采集系統實時回傳線位移傳感器自動化校準裝置的直線位移數據，然后借助預先設定好的計算機軟件程序，采集對應的檢測數據，并繪制可供研究與分析的圖標或曲線圖，獲得線位移傳感器自動化校準裝置的重復性、靈敏度、線性度、回程誤差等指標參數。

2.2校準前的準備工作

當被測量位移傳感器的測量范圍為200mm，在開始校準前，應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節高度的工作臺上，然后將傳感器測量桿拉到對應的測量長度，有規律的對長儀尾座進行移動，同時測量尾座測頭軸線和測量桿軸線間的平行度，調整傳感器固定位置，以確保其位置與實現設定的檢測位置一致[2]。最后，將傳感器接頭與校準裝置數據采集系統進行連接，以確保實驗進行時，能夠獲得想要的測試數據。

2.3讀取測量數據

等校準準備工作調試完成后，對傳感器的輸出范圍進行調整，確保調整后的輸出范圍能夠均勻的分布在預先設定好的11個校準點上，需要注意的是輸出范圍的設定，必須包含傳感器測量范圍的最高值和最低值，然后按照一定的順序，對測定的出來的數據進行讀取，單次測量循環必須包括正、反2個行程，至少測量3個循環。

2.4數據的計算與處理

對線位移傳感器自動化校準裝置檢測數據進行計算和處理時，通常采用以下公式：

對位移測量的理想直線與實測特性曲線的滿量程輸出和最大偏差進行計算，從而得出所測系統的線性度。在這個公式中，Ef代表儀器線性度，YFS代表滿量程輸出，ΔLmax為理想值和實測量間的最大偏差。需要注意的是線性度（非線性誤差）在計算時會將擬合直線作為基準計算的參考條件。因此，不同的基準線會得出不同的線性度。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，由此計算得出的檢測系統線性度又被稱作“理論線性度”[3]。而理論直線指的是滿量程輸出點和理論曲線坐標零點之間的連接直線。

本文所選用的觀察對象-直滑式電阻型位移傳感器的技術參數指標為：獨立線性度0.5%，測量行程200mm。該測量范圍內共有11各監測點，檢測人員需要對這11各監測點的電壓進行分別讀取。按照公式（1）進行計算后，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不確定度評定

為更好地對線位移傳感器的誤差進行校準，檢測人員需要對校準工作的測量結果的不確定性進行測量，從而定量校準結果的分散性，驗證線位移傳感器自動化校準裝置的適用范圍。此次測定不確定度所選用的直滑式電阻型位移傳感器的測量范圍為0mm～1000mm，基本誤差為±0.055%。

2.5.1基本誤差值計算

該公式中，yi代表傳感器在第i個校準點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個校準點的實際輸出值;YFS代表滿量程輸出值，δ代表計算得出的移傳感器基本誤差值，當被檢測用線位移傳感器的使用環境條件和安裝測量距離確定后，公式（2）中的yi和YFS可以按作常量來計算，整個公式中只有yij屬于變量，在計算時需要會影響測量結果的相對不確定度。

2.5.2標準不確定度

該數據計算所選的線位移傳感器自動化校準裝置的測量范圍為0mm～500mm，滿量程輸出值為10V，基本誤差值為±0.2%，以此進行標準不確定度的測量。根據測量對象的不同，相對標準不確定度分量又分為u1、u2、u3、u4，其中：

u1是以測長儀示值誤差來計算的相對標準不確定度分量;

u2是以數字多用表讀數來計算的相對標準不確定度分量;

u3是以傳感器重復性來計算的相對標準不確定度;

u4是以傳感器回程誤差來計算的相對標準不確定度。

它們的計算方法如下：

（1）以測長儀示值誤差來計算引入的相對標準不確定度分量u1

標準不確定度分量u1在計算時所允許的最大測量誤差為±（0.15+L/1500）μm，當實際測量距離為500mm時，假設所有測量點都屬于均勻分布狀態，k=3，其計算公式如下圖所示：

u1 =0.0001%

（2）以數字多用表讀數來計算引入的相對標準不確定度分量u2

標準不確定度分量u2在計算時的分辨力是0.0001V，由于分辨力偏小，能夠引起的不確定度數值較小，在計算時可以忽略不計;該測量方法使用的數字多用表的測量量程是10V、引入相對誤差是DCV±0.004%、直流測量相對示值誤差限是DCV±0.03%，假設所有測量點都屬于均勻分布狀態，k=3，其計算公式如下圖所示：

u2 =0.0175%

（3）以傳感器重復性來計算引入的相對標準不確定度u3

標準不確定度分量u3的在計算時，要求重復性不得高于0.03%，據此得出的相對不確定度

u3=0.03%。

（4）以傳感器回程誤差來計算引入的相對標準不確定度u4

標準不確定度分量u4在計算時，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%，假設所有測量點都屬于均勻分布狀態，k=3，得出的相對不確定度

u＼=0.03%/3=0.0173%。

2.6合成標準不確定度的計算

合成標準不確定度的計算與不確定度分量的各項影響數據互不相關，所得出的合成標準不確定度為

3.結束語

綜上所述，線位移傳感器自動化校準裝置的問世，能夠有效解決當前測量校準中存在的校準精度不高問題，為科研人員提供一種簡單、高校、快捷的校準方法。因此，提高線位移傳感器自動化校準裝置的校準精準度，能夠在現有技術水平上，將質量計量工作測試結果的準確度提到最高，為我國的尖端科技的研發奠定良好基礎。

參考文獻：

[1]楊勇，吳文峰，夏坤.位移傳感器自動校準平臺的設計與實現[J].電子測試，2019，000（008）：5-8.

[2]楊勇，王亞東，吳文峰，等.直流差動式位移傳感器自動校準系統的設計[J].山東工業技術，2018，278（24）：129-131.

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

（常州檢驗檢測標準認證研究院 ?江蘇 ?常州 ?213164）