位移传感器校准技术研究

位移传感器校准技术研究
作者：唐志锋；何小妹；王晓梅





       在航空器的研制、试验、生产过程中，运用到大量的直线位移传感器，如飞机强度试验中测量变形量的位移传感器，飞机飞行地面试验中监测飞机作动筒的位移传感器，测量航空发动机推力的六力素天平校准装置中采用的监测位移传感器等。要保证这些传感器的正常使用，须定期进行校准测试，但目前市场上还没有成熟的位移传感器校准设备。为此，我们研制了一台高准确度、校准对象广的位移传感器校准装置，它将满足位移、速度测试设备传感器的定期校准需求，使测试设备保持着良好的工作状态，为科研生产提供可靠的技术保证。

1 工作原理及技术指标

      位移传感器校准装置以 633 nm 稳频 He － Ne 激光波长作为基准，采用干涉条纹计数原理，对被测传感器进行直接测量。该装置通过配置多套装夹附件，可实现拉杆式、拉绳式等多种类型直线位移传感器的手动、半自动和自动校准功能，包括位移传感器的基本误差、线性度误差、重复性误差、回程误差、满量程输出和灵敏度等静态特性指标的校准。主要技术指标: 测量范围 0 ～ 1000 mm; 测量不确定度 U = ( 0. 5 + 2L) μm ( L 单位为 m，k = 2) ;分辨力 0. 1 μm; 测量速度 0. 3 m /s。

2 装置的组成及设计

     位移传感器校准装置由大理石基座导轨、工作台粗进给系统、微位移驱动系统、激光干涉系统、电机驱动系统、专用软件、传感器安装座和多套附件等组成，工作台朝传感器安装座一侧有一传感器固定装夹座，通过螺纹与传感器连接。对于小量程传感器则直接通过弹簧复位方式连接。

2. 1 驱动系统设计

     要想实现高准确度位移传感器的校准，不仅需要激光干涉仪能够提供高准确的长度基准，同时需要可编程位移发生器实现高分辨力的定位。为此，从系统的驱动实现上，采用两种驱动方式，即工作台在伺服电机的驱动下实现粗进给、微动台在压电陶瓷驱动控制下实现微位移定位，二者可以二级联动或者根据校准需要单独定位，从而实现不同准确度级别的位移传感器的校准。数据采集卡在工作台运动过程中可按照要求不断同步读取干涉仪及被测传感器读数值，实现位移传感器的自动校准。在粗进给方式的实现上，为满足传动平稳灵活、阻力小的要求，选用标准滚珠丝杠传动和高准确度的直线运动导轨导向。微动台采用柔性铰链为运动机构的基本组成单元，由压电陶瓷驱动器直接驱动，实现高分辨力的定位。本位移传感器校准装置设计的压电陶瓷驱动器的有效行程范围为 20 μm，分辨力为 1 μm。压电陶瓷驱动器与计算机之间采用串口通讯实现微定位。
2. 2 位移传感器装夹机构设计

    为保证传感器安装符合阿贝原则，考虑到位移传感器种类的多样性及传感器安装调整的方便性，传感器安装座设计成四维调整机构，四维调整机构具有上下、左右平移和偏摆、俯仰调整功能，可保证位移传感器的伸缩轴线与测量基准在同一直线上。针对拉杆式位移传感器，设计了 V 型装夹附件; 针对拉绳位移传感器，设计了压板型装夹附件。

2. 3 干涉测量系统设计

    为提高系统稳定性，采用光纤将光源引入集成干涉单元，系统机械布局上只需考虑干涉单元和反射镜的安装，而激光头和电路单元可独立安装定位，仅需单独调整反射镜即可实现原本复杂的干涉测量系统搭建。利用屏幕对李沙育圆的形状进行监控，不断地设置修改相位和幅值  ，以保证干涉信号细分精度。

3 应用软件设计

     软件采用 VC + + 编程语言模块化设计，利用DELTA TAU 公司提供的 Pcomm32Pro 动态链接库进行软件开发，实现位移发生装置的可编程控制。软件可以实现被校传感器信息的录入、校准控制参数的设置、校准过程数据的自动采集和校准信息的自动处理，最后生成校准原始记录和校准证书。主要包括控制调整模块、位移传感器校准模块、证书记录查询打印模块、系统参数设置模块、数据库管理模块、帮助模块。

1) 控制调整模块

    控制调整模块可以实现工作台粗进给、精进给的调整功能，干涉仪数据的实时显示功能及干涉信号的实时调整监控功能。

2) 位移传感器校准模块

    位移传感器校准模块可以输入证书信息和计量器具信息，设定运动平台的采样点、速度、采数方式依据采样点设定信息和模式设置信息等，按照位移传感器的校准规范要求，实现位移传感器的手/自动校准; 对采集到的数据进行处理、分析和比较，得到一系列采样点的测量误差及其曲线，对直线位移传感器的线性度做出评价。

3) 证书记录查询打印模块

    实现原始校准记录的数据库检索，校准数据的编辑和原始记录、校准证书的自动编辑打印功能。

4) 系统参数设置模块

    提供用户密码修改设置功能、记录证书编号规则设计和记录证书格式设计模板。

5) 数据库管理模块

    对被校传感器的检测数据按照数据库管理方式进行存储，以利于用户的查询比较，同时提供数据库的维护功能。

6) 帮助模块提供软件操作的详细说明和在线帮助。

4 校准装置的准确度试验

    为验证系统的实用性，采用线性度为 0. 2% 的拉绳位移传感器、线性度为 0. 5% 的拉杆式位移传感器进行传感器的校准测试，并与国家线纹工作基准装置———激光干涉比长仪进行了相关数据的比对。数据表明，运用位移传感器校准装置检测后的校准数据具有可信度，可以用于实际应用。

5 结论

    位移传感器校准装置的研制成功，填补了国内长期以来无位移传感器专用测量仪器的空白，满足了直线位移传感器的校准需求。位移传感器校准装置可广泛用于位移传感器的实验室校准和位移传感器生产检测需要，提升了我所在位移传感器校准和检测方面的能力。






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