激光位移傳感器工作溫度條件下的校準

關鍵詞： 計量學; 激光位移傳感器; 位移校準裝置; 溫度條件

中圖分類號： TB9 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）02–0127–05

0引言

線位移傳感器由于具有結構簡單、易于使用等特點而廣泛應用于工程測量、先進制造、航空航天等領域，已成為一種不可或缺的長度測量傳感器。激光位移傳感器作為線位移傳感器的一種，具有較高的測量精度和響應速度，已應用于晶圓檢測[1]、列車車輪幾何參數的在線檢測[2]、表面形貌[3]、齒輪等機械結構件幾何參數快速檢測[4-7] 等方面。

目前線位移傳感器依據JJF 1305—2011《線位移傳感器校準規范》要求，在溫度（20±2） ℃、溫度變化小于1 ℃/h 的環境下開展計量校準。但在工程應用領域，線位移傳感器的應用工況遠比實驗室環境復雜，尤其在裝備制造、國防軍工等領域，使用中的環境溫度通常在–70 ～ 100 ℃ 之間，且常常存在環境溫度劇烈變化的情況[8]。由于傳感器的輸出特性受溫度條件影響而變化，使得實驗室內開展的校準工作并不能充分反映傳感器在實際應用工況下的情況[9-11]。

目前，對于計量場景下的線位移傳感器工作溫度條件下的校準問題研究較少，尚未形成主流的研究成果，這主要受機械結構熱變形規律難以描述、測量標準置于變溫場中不滿足溯源條件等因素影響。目前對于線位移傳感器在工作溫度條件下的輸出情況，仍通過常溫下校準配合熱膨脹系數的修正而間接獲得。文獻[12] 利用高低溫箱與電機絲杠機構設計傳感器工作溫度條件下的校準系統，通過熱誤差預測與補償技術減小高低溫箱內機械結構熱變形對傳感器校準產生的影響。然而，機械結構熱誤差通常難以通過理論模型進行精確描述，隨著結構運行磨損等情況變化，熱補償模型存在失穩或過補償的可能，故該方法存在一定的局限性[13-15]。

本文利用激光干涉儀作為測量標準，通過熱膨脹系數較低的材料作為位移傳遞部件設計校準裝置，實現對激光位移傳感器在工作溫度條件下的校準。該方法中的測量標準仍置于20℃ 下，不受校準環境影響，且無需進行熱誤差補償，易于實現、穩定性好。

1校準裝置設計

對激光位移傳感器實施工作溫度下的校準，通常可采用兩種方案。其一，將測量標準與被校準傳感器置于同一溫度場中，但該方法破壞了測量標準的溯源條件，因此在計量場景下并不采用。其二，設計位移傳遞機構，將實驗室環境下的標準位移傳遞至校準用的溫度場中，但考慮到位移傳遞機構自身會發生熱變形，因而一般采用熱誤差預測與補償技術進行數據修正。

由于前述的熱誤差補償技術自身的局限性問題，本文考慮用熱膨脹系數較低的材料設計位移傳遞機構，以提高校準裝置的運行穩定性。校準裝置如圖1所示。

恒溫箱作為線位移傳感器工作環境模擬裝置，被校準的激光位移傳感器置于恒溫箱艙內，并通過可調工作臺進行姿態調節，恒溫箱側面開孔將位移傳遞機構伸入其中。位移傳遞機構伸入恒溫箱內，靠近被校準的激光位移傳感器的方向，設置有傳感圓盤，作為激光位移傳感器的漫反射面。恒溫箱外，直線滑臺帶動位移傳遞機構，并在共線方向布置激光干涉儀作為測量標準以盡量滿足阿貝原則，整個校準系統置于精密空調控制的20℃恒溫實驗室內。該裝置使用Renishaw公司的激光干涉儀，型號為XL-80，測量范圍0～40m，最大允許誤差±0.5x10^-6L（測量長度L單位為m）。本文中的校準裝置的測量范圍為0～200 mm。

為避免位移傳遞機構伸入恒溫箱內的部分發生熱變形產生測量誤差，選擇線膨脹系數較小的材料進行結構設計，表1 給出了幾種線膨脹系數較小的材料。其中因瓦合金是目前已知的合金材料中線膨脹系數最小的，其制成的因瓦標尺廣泛應用于測繪類水準標尺。但由于因瓦合金材料重量較大，且加工因瓦合金需要使用特殊刀具，因而因瓦合金制成的傳動部件較為少見。微晶陶瓷是一種新型陶瓷材料，由于具有較小的線膨脹系數，且可用標準金屬加工設備進行加工，近年來開始有較多應用。

本文中分別用石英玻璃與微晶陶瓷材料設計可替換的位移傳遞機構以進行對比，考慮到石英玻璃材料的透光性對激光位移傳感器的影響，位移傳遞機構的傳感圓盤表面噴涂深色不透光涂料。

2試驗方法

利用本文所述校準裝置，將被校準的激光位移傳感器安裝于可調工作臺，驅動直線滑臺在校準裝置測量范圍內運行，調節激光位移傳感器的裝夾姿態，使得激光位移傳感器的測量方向與校準裝置的位移輸出方向共線，減小阿貝誤差。

關閉恒溫箱艙門，設置溫度至目標環境溫度，當艙內溫度達到預設溫度后，整個系統應進行足夠時長的溫度平衡后方可開展校準。以本文為例，使用激光位移傳感器進行溫度平衡試驗，得到傳感器輸出與時間的關系如圖2 所示。具體實施中，溫度平衡時間與傳感器體積、材料等因素均有相關。

校準過程對整個行程內均勻分布取11個校準點（包含首尾），以正、反兩個行程為一個測量循環，共測量三個循環。用最小二乘原理計算直線方程，其一元線性回歸方程為：

分別利用石英玻璃和微晶陶瓷兩種材料制成的位移傳遞機構，在不同溫度下進行試驗，并通過傳感器數據的基本誤差、線性度、回程誤差、重復性等幾個方面的指標進行比較。

3試驗結果及分析

3.1校準實驗結果

從5 ℃開始至45 ℃，利用上文所述的校準方法，每隔5 ℃ 對傳感器進行一組包含三個測量循環的校準試驗，并依據實驗數據對傳感器在各溫度點的基本誤差、線性度、回程誤差、重復性進行評價。

3.1.1基于石英玻璃位移傳遞機構的結果

安裝石英玻璃傳遞機構至校準裝置，對激光位移傳感器在0～200mm范圍內實施重復測量。此外，為探究校準裝置在模擬環境溫度時，對傳感器的性能是否造成負面影響，利用本校準裝置，在恒溫箱不工作、艙門開啟狀態下，經整個裝置在實驗室20 ℃充分平衡溫度后，對同一傳感器進行一組包含三個測量循環的校準實驗。

將數據整理、分析后，得到傳感器在各溫度點的性能評價，結果如表2所示。表中，20 ℃（工作）表示在環境模擬溫度開啟狀態下的傳感器測量結果，20 ℃（實驗室）表示傳感器在實驗室溫度環境狀態下的測試結果。

通過對比表2的數據，可見工作溫度組的傳感器線性度等數據與實驗室溫度組基本相當，可知校準裝置環境模擬開啟對傳感器校準結果并未產生顯著負面影響。

3.1.2基于微晶陶瓷位移傳遞機構的結果

安裝微晶陶瓷傳遞機構至校準裝置，對同一激光位移傳感器實施重復測量。同樣的，利用本校準裝置，在恒溫箱不工作、艙門開啟狀態下，經整個裝置在實驗室20 ℃ 充分平衡溫度后，對同一傳感器進行一組包含三個測量循環的校準實驗。

經分析后，得到傳感器在各溫度點性能評價，結果如表3 所示。表中，20 ℃（工作）表示在環境模擬溫度開啟狀態下的傳感器測量結果，20 ℃（實驗室）表示傳感器在實驗室溫度環境狀態下的測試結果。

通過對比表3 中的數據，可見工作溫度組的傳感器線性度等數據與實驗室溫度組基本相當，可知校準裝置環境模擬開啟對傳感器校準結果并未產生顯著負面影響。

3.2時間穩定性實驗結果

由于校準裝置的位移傳遞機構含有懸臂結構，為探究校準裝置的時間穩定性，了解懸臂結構變形對校準產生的影響，利用同一激光位移傳感器進行時間穩定性實驗。將校準裝置在安裝位移傳遞機構的狀態下，靜置1個月后，再次對傳感器進行重復測量。分別對安裝有石英玻璃位移傳遞機構和微晶陶瓷位移傳遞機構的裝置進行實驗。

經過1個月后，安裝石英玻璃位移傳遞機構的校準裝置在進行測量時發現測量數據線性度明顯下降，如圖3所示為在45°時對同一傳感器進行三組重復測量，可見在20、70、100mm 處的非線性顯著。在其它溫度點的測量結果見表4。

同樣的，經過1個月后，利用安裝微晶陶瓷位移傳遞機構的校準裝置對同一位移傳感器進行測量，測量結果的線性度、重復性等參數均未見異常，詳見表5。對比表3與表5可見該裝置具有更好的時間穩定性。

考慮排除其他因素對校準裝置時間穩定性測量結果的影響，將石英位移傳遞機構的桿結構單獨拆下，并靜置于平板上若干時間后，再次安裝、測量，測量結果重新恢復正常。因而通過對比可知，微晶陶瓷材料制成的位移傳遞機構具有更好的時間穩定性。

4結束語

激光位移傳感器在使用中，存在工作溫度偏離校準溫度的情況。為了對激光傳感器工作溫度下的輸出情況進行校準，研制專用校準裝置，并利用線膨脹系數較小的石英玻璃與微晶陶瓷材料作為位移傳遞機構的主要部件，對同一激光位移傳感器在不同溫度下進行試驗對比，得到如下結論：

1）基于石英玻璃與微晶陶瓷材料的校準裝置均可以在試驗溫度點下較好得跟蹤傳感器的輸出；

2）相比于石英玻璃材料，微晶陶瓷材料作為主要位移傳遞部件的校準裝置具有更好的時間穩定性。