基于激光干涉儀的線位移傳感器自動校準裝置的設(shè)計

摘 要：傳統(tǒng)的線位移傳感器校準方法在實際應(yīng)用中存在一些局限性，例如無法消除固有誤差、環(huán)境因素影響等。因此，研究設(shè)計新的校準裝置對于提高線位移傳感器的精度和可靠性至關(guān)重要。目標是設(shè)計一種高精度、可靠性強的校準裝置，以減小線位移傳感器的固有誤差并提高其測量準確性。通過對不同的校準裝置和技術(shù)的研究和比較，探索了最佳的校準方案，并進行了實驗驗證。

關(guān)鍵詞：激光干涉儀；線位移傳感器；校準裝置；設(shè)計

中圖分類號：TP212" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）06-0032-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.06.009

0" " 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中，線位移傳感器在測量和監(jiān)測物體位置和運動狀態(tài)中起著重要作用。然而，由于環(huán)境因素和儀器本身的誤差不可避免，線位移傳感器在長期使用過程中可能會發(fā)生漂移和不準確的情況。因此，對線位移傳感器進行定期校準和調(diào)整是保證測量精度和可靠性的關(guān)鍵。

激光干涉儀是一種常用的高精度測量儀器，具有非接觸式、高度精確和高靈敏度的特點。激光干涉儀在線位移傳感器的校準中應(yīng)用廣泛，它通過測量干涉信號的變化來實現(xiàn)對線位移傳感器的校準。然而，傳統(tǒng)的激光干涉儀校準方法通常需要人工干預(yù)和操作，既耗時又工作量大，限制了校準過程的自動化和實用性。

針對上述問題，研制基于激光干涉儀的線位移傳感器自動校準裝置具有重要意義。該裝置應(yīng)能實現(xiàn)對線位移傳感器的高精度校準，并具備自動化調(diào)節(jié)校準參數(shù)、實時監(jiān)測和控制的功能。這樣的裝置可以提高校準過程的效率和可靠性，減少人為誤差的引入，為工業(yè)生產(chǎn)和科學研究提供更準確可靠的測量工具。

1" " 測量裝置的原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1" " 線位移傳感器的工作原理和測量誤差的來源

線位移傳感器通常由一個可移動芯片和一個固定支撐結(jié)構(gòu)組成，當外部力作用于傳感器上時，芯片會隨之發(fā)生位移，通過測量這種位移來得到物體的線性位移信息。常見的線位移傳感器包括電阻式傳感器、電容式傳感器和磁致伸縮式傳感器等。

測量誤差的來源：

1）線位移傳感器本身的精度誤差：傳感器制造過程中尺寸、材料、加工工藝等因素會使傳感器存在固有的精度誤差，例如線位移傳感器的刻度不準確或非線性響應(yīng)。

2）環(huán)境條件的影響：溫度變化、濕度變化以及振動等環(huán)境條件變化都可能導致線位移傳感器的性能發(fā)生變化，進而引起測量誤差。

3）安裝和機械連接誤差：如果傳感器沒有正確安裝或機械連接存在松動、摩擦等問題，會引入額外的誤差。

4）電子噪聲和干擾：測量信號受到電子噪聲、電磁干擾等因素的影響，會導致測量精度下降。

1.2" " 激光干涉儀的原理

激光干涉儀是一種利用激光的干涉效應(yīng)來測量物體位移的儀器，其原理為基于干涉和相位差的概念，可以通過測量干涉條紋的變化來獲得物體的位移信息。常用的激光干涉儀包括半透鏡、分束器和反射鏡。當物體位移時，干涉圖樣會發(fā)生位移，通過檢測和分析干涉條紋的位置和形態(tài)變化，可獲得位移信息。相位差的測量可通過光程掃描法或全息法實現(xiàn)，其中光程掃描法通過改變光束光程以獲得準確的相位差值。位移測量的精度取決于條紋的密度和清晰度。探測器捕捉干涉圖樣并將其轉(zhuǎn)換為電信號，以得到位移信息。

1.3" " 線位移傳感器自動校準裝置原理分析

由線位移傳感器和激光干涉儀的工作原理以及測量誤差來源可知，基于JJF 1305—2011《線位移傳感器校準規(guī)范》的傳統(tǒng)校準方法存在一些問題。這些問題包括操作煩瑣、無法有效降低被校物和標準器的測量誤差，以及人工操作引入的測量誤差，導致測量可靠性較差。為解決這些問題，本項目研究設(shè)計了線位移傳感器自動校準裝置，旨在降低測量誤差，提供可靠的測量結(jié)果，并提高工作效率，實現(xiàn)高準確度的自動化測量。

線位移傳感器自動校準裝置按功能劃分主要部分包括測量操作平臺、激光干涉儀測長系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和測量驅(qū)動系統(tǒng)。激光干涉儀測長系統(tǒng)除了激光干涉儀，還包括溫濕度、氣壓傳感器，可以實時檢測環(huán)境參量，減小實驗誤差。測量驅(qū)動系統(tǒng)能精確控制測量操作平臺的移動，使激光干涉儀利用激光的干涉效應(yīng)實現(xiàn)高精度、高靈敏度的位移測量。軟件系統(tǒng)作為整個裝置的“大腦”，可以向測量驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)送指令，并接收所有信號進行集中處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[1]。

1.4" " 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2所示，校準裝置主體按結(jié)構(gòu)模塊劃分可分為被校準傳感器固定模塊、傳感器活動部件驅(qū)動模塊、主標準器模塊三部分。

1.4.1" " 被校準傳感器固定模塊

傳統(tǒng)的線位移傳感器校準方法中，一直存在著對被校傳感器固定難、調(diào)節(jié)難等問題。被校準傳感器固定模塊不僅設(shè)計了多種夾具以及不同結(jié)構(gòu)參數(shù)V型槽的成套蓋板和底板，充分滿足了各種線位移傳感器的固定和安裝需求，還配備了多自由度微調(diào)平臺，能夠提供五個方向的微調(diào)，從而有效降低因被校位移傳感器裝夾傾斜、偏移引入的不確定度，提升實驗的準確度。

1.4.2" " 傳感器活動部件驅(qū)動模塊

傳感器活動部件驅(qū)動模塊是實現(xiàn)校準實驗的一個重要模塊，結(jié)構(gòu)部件包括運動臺支撐座、位移運動臺、反射鏡連接板等，置于等級為0級的大理石平臺上。位移運動臺可由功能模塊測量驅(qū)動系統(tǒng)控制，提供多個方向的位移移動，使線位移傳感器活動測桿與激光干涉儀發(fā)射的激光平行，能最大程度減少阿貝測量誤差和實施校準時的測量誤差。

1.4.3" " 主標準器模塊

主標準器為雙頻激光干涉儀，設(shè)置了專用的安裝臺和支撐座，方便激光干涉儀的調(diào)節(jié)。此設(shè)計充分體現(xiàn)了模塊化設(shè)計方法，各個結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊能夠很好地適配被校線位移傳感器、運動平臺和主標準器，為后續(xù)的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)[2-4]。

1.5" " 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)使用C#編程語言進行模塊化開發(fā)，界面簡潔，操作簡單，主要模塊包括：溫濕度環(huán)境參數(shù)采集模塊、傳感器設(shè)置模塊、測量驅(qū)動控制系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)的采集和處理模塊、數(shù)據(jù)報表自動生成模塊等。可以實現(xiàn)溫濕度等環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測；可以對激光波長進行修正，自動采集激光干涉儀和數(shù)字多用表數(shù)據(jù)并顯示；可以設(shè)置測量參數(shù)，發(fā)送指令控制電機的驅(qū)動，生成數(shù)據(jù)報表并打印等[5]。

2" " 校準方法

第一步，將被校線位移傳感器固定在裝置臺上，用多自由度微調(diào)裝置初步調(diào)節(jié)，保證線位移傳感器的安裝符合阿貝原則。將線位移傳感器輸出端正確連接至電源和校準裝置的數(shù)字多用表上。

第二步，打開所有裝置的電源，進入軟件系統(tǒng)輸入被校線位移傳感器相關(guān)信息參數(shù)，待激光干涉儀光源穩(wěn)定，各傳感器參數(shù)顯示正常，軟件系統(tǒng)上顯示激光干涉儀和被校傳感器的位移數(shù)據(jù)后，進入下一步。

第三步，啟動軟件中的位移傳感器標定功能，測量驅(qū)動系統(tǒng)會控制位移運動臺移動，移動到位移傳感器最大行程位置停止。標定結(jié)束后，根據(jù)標定數(shù)據(jù)分析，若傳感器線性度超差，則重新調(diào)整線位移傳感器位置。

第四步，標定成功后，確定了零位，輸入校準點參數(shù)和校準次數(shù)，啟動自動校準。

第五步，自動校準結(jié)束后，軟件系統(tǒng)會對數(shù)據(jù)進行處理，確認結(jié)果后生成原始記錄并打印。

第六步，校準結(jié)束后，退出軟件系統(tǒng)，關(guān)閉所有裝置電源，取下被校的線位移傳感器。

3" " 實驗驗證

實驗將依據(jù)JJF 1305—2011校準規(guī)范，對被測物的靈敏度、基本誤差、線性度、回程誤差和重復性進行測量，本校準系統(tǒng)選擇標稱范圍為0～250 mm、型號為PA-10-70394的線位移傳感器進行校準測量，記錄其測量數(shù)據(jù)并繪制曲線圖。

3.1" " 靈敏度

靈敏度是輸出變化與其對應(yīng)的輸入變化的比值，采用JJF 1305—2011校準規(guī)范中計算靈敏度的最小二乘法可知所校傳感器的靈敏度為0.5。

3.2" " 基本誤差

基本誤差是在各行程中取誤差最大點的輸出值與擬合輸出值之差與滿量程之比，基本誤差的公式如下：

式中：Yi為在第i個校準點上被測物的擬合輸出值；Yij為被測物第j次校準進程中第i個校準點的輸出值；YFS為被測物量程的最大范圍。

測得基本誤差計算中最大值為0.079 5%，基本誤差測量數(shù)據(jù)分布圖如圖3所示。

3.3" " 線性度

線性度是指全程最大輸出值與滿量程之比，線性度的公式如下：

式中：i為被測物第i個校準點的正反行程的平均值。

測得線性度計算中最大值為0.074 4%，線性度測量數(shù)據(jù)分布圖如圖4所示。

3.4" " 回程誤差

回程誤差是指各校準點正反行程中最大值與滿量程之比，回程誤差的公式如下：

測得回程誤差計算中最大值為0.004 9%，回程誤差測量數(shù)據(jù)分布圖如圖5所示。

3.5" " 重復性

重復性是指在同一方向同一個校準點i進行多次測量的結(jié)果的一致程度，用貝塞爾公式計算各點的重復性si，可知重復性公式為：

測得重復性計算中最大值為0.002 6%，重復性測量數(shù)據(jù)分布圖如圖6所示。

將實驗測得各項數(shù)據(jù)的校準結(jié)果與校準規(guī)范的相關(guān)技術(shù)指標進行比對，可以得出該線位移傳感器性能符合校準規(guī)范要求[6]。

4" " 結(jié)束語

本文研究了基于激光干涉儀的線位移傳感器自動校準裝置。通過實驗結(jié)果的分析和討論，該裝置的可靠性和準確性得到了驗證。相比傳統(tǒng)手動校準方法，自動校準裝置能夠提供更準確的校準結(jié)果，并消除了人為誤差的影響。筆者觀察到校準曲線存在一定的非線性問題，但通過數(shù)據(jù)分析和修正取得了較好的效果。此外，筆者評估的實驗裝置表現(xiàn)出高精度、高穩(wěn)定性的特點，滿足實際應(yīng)用的需求。本次研究設(shè)計的線位移傳感器自動校準裝置具有重要的實際意義，為提高線位移傳感器的測量精度和可靠性提供了一種有效的解決方案。未來工作可以繼續(xù)優(yōu)化和改進校準裝置，推動該技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

[參考文獻]

[1] 勞嫦娟，曹潔，孫駿棲，等.基于激光干涉比長的大范圍線位移動態(tài)校準系統(tǒng)研究[J].中國測試，2021，47（增刊1）：12-18.

[2] 張擁軍，楊璐，陳勇.拉線位移傳感器校準方式研究[J].計量與測試技術(shù)，2021，48（2）：66-68.

[3] 鄧玉湖，鄭振強，林燮佳，等.線位移傳感器綜合校準臺的研制[J].中國計量，2021（4）：83-86.

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

[5] 楊青春.位移傳感器校準裝置自動采集軟件的設(shè)計[J].今日制造與升級，2021（6）：26-27.

[6] 線位移傳感器校準規(guī)范：JJF 1305—2011[S].

收稿日期：2023-11-23

作者簡介：萬凌鋒（1998—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，助理工程師，主要從事長度計量研究工作。

基金項目：高精度線位移傳感器動態(tài)溯源關(guān)鍵技術(shù)研究（2022JJ90049）