磁致伸縮位移傳感器廣泛應(yīng)用于國家振興產(chǎn)業(yè)中的汽車、航空和裝備制造領(lǐng)域中，在自動化控制和測量中有著舉足輕重的地位。傳感器的標定就是通過實驗確定傳感器輸入與輸出的關(guān)系。通過對所獲得的輸入量與輸出量進行比較和處理，從而得到一系列表征兩者關(guān)系的標定曲線，對標定傳感器的示值進行修正，提高傳感器的精度。傳感器的標定是設(shè)計、制造和使用傳感器的一個重要環(huán)節(jié)。任何傳感器在制造、裝配完畢后都必須對設(shè)計指標進行標定試驗。傳感器的標定對保證傳感器的質(zhì)量及改善傳感器的性能等都是的技術(shù)手段。位移傳感器外形多樣，輸出方式多樣，現(xiàn)有設(shè)備很難實現(xiàn)
對多種位移傳感器的標定任務(wù)。針對大量程位移傳感器標定多采用光柵尺作為標準，而激光干涉儀相對光柵尺精度更高，利用激光干涉儀標定位移傳感器可大幅度提升標定精度。因此，為了完善和提高大距離位移傳感器的標定能力，本文設(shè)計了一套基于激光干涉儀的大距離線性位移傳感器標定系統(tǒng)，實現(xiàn)多種大量程線性位移傳感器的標定，提高了標定能力。
2 裝置組成及原理
2. 1 系統(tǒng)組成
整個系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、長度標準系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳感器姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)等組成。控制系統(tǒng)由計算機、運動控制卡組成; 驅(qū)動系統(tǒng)由伺服電機、電機控制器、長位移臺組成，可實現(xiàn) 1 m 長度范圍內(nèi)的位移傳感器標定;長度標準系統(tǒng)由 ｒenishaw ｒle 20 干涉儀與環(huán)境補償系統(tǒng)組成; 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由直流驅(qū)動電源和高精度數(shù)字萬用表組成，可實現(xiàn)輸出信號為電壓或電流信號的位移傳感器的數(shù)據(jù)采集及處理; 傳感器姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)可實現(xiàn)對多種尺寸的圓柱形與矩形外殼傳感器裝卡，并具有平移、旋轉(zhuǎn)、角擺、升降 4 個自由度的調(diào)整能力。
2. 2 檢測原理
位移傳感器標定裝置測量結(jié)構(gòu)符合阿貝原則，被測傳感器的測量線與標準干涉儀的測量線同軸。被測傳感器和標準干涉儀同步測量位移臺移動距離，由標定裝置的信號處理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的比對和標定。首先計算機發(fā)出指令，運動控制卡接收指令驅(qū)動步進電機產(chǎn)生位移。產(chǎn)生的位移量由被測傳感器與激光干涉儀分別測得，被測傳感器為非接觸式時，通過擋板的光反射接收輸入信號; 被測傳感器為接觸式時，通過擋板推動接觸測頭的方式接收輸入位移量，產(chǎn)生輸出信號，被測傳感器為三角激光傳感器時輸出信號通過計算機顯示與存儲，被測傳感器輸出為電壓或電流信號時，通過多用表輸出，再通過串
口通信由計算機顯示與存儲。激光干涉儀測得位移量后，環(huán)境補償系統(tǒng)對環(huán)境的溫度、濕度、氣壓以及材料表面溫度，對測得的信號修正，將標準干涉儀測得信號作為標準輸入量，由計算機顯示與存儲。對被測傳感器與標準干涉儀采集的數(shù)據(jù)比對分析處理，獲得輸入量與輸出量的比對曲線，由比對曲線計算修正值，將修正值帶入被測傳感器的原始測量數(shù)據(jù)，達到標定位移傳感器的目的。
3 標準位移干涉測量系統(tǒng)
3. 1 比對方式
系統(tǒng)采用標準傳感器與被測傳感器串聯(lián)的方式，由于采用共線的結(jié)構(gòu)，當理想測量位移面與實際位移面有角誤差 θ 時，實際測量位移與理想測量位移間的誤差是一個二次的誤差 e = ( 1 /2) ·c·θ2，這種方式減小了對位移產(chǎn)生導軌的依賴，這樣可以采用簡單的機械結(jié)構(gòu)就能保證一定的測量精度。如圖 4 所示，c 為測量光反射鏡到檔板的距離，在系統(tǒng)中應(yīng)盡量減小 c。
3. 2 標準干涉儀原理及環(huán)境補償
標準干涉儀采用 ｒenishaw ｒle 20 干涉儀，該干涉儀為差分干涉儀。此干涉儀能產(chǎn)生對稱的空間四光路，對環(huán)境因素( 溫度、濕度、氣壓) 的變化有很好的抗力，測量分辨率高。靜態(tài)條件下和動態(tài)條件下，系統(tǒng)的光學相位漂移都較小。采用共光路結(jié)構(gòu)，死程誤差小。參考光反射鏡可以移動，通過固定參考光反射鏡位移，調(diào)整干涉儀零點位置，將參考光反射鏡至于移動臺中間位置，可實現(xiàn) － 500 mm 到 + 500 mm 的1 000 mm 范圍內(nèi)的檢測任務(wù)。
實驗室溫度( 20 ± 0. 5) ℃，在測量時為減小環(huán)境對測量結(jié)果的影響，使用了 ｒenishaw 環(huán)境補償單元，包括溫度、濕度、氣壓等多路傳感器。對環(huán)境參數(shù)進行實時測量，然后使用 edlen 公式計算空氣折射率進而實時修正激光波長。
4 實驗分析
4. 1 傳感器安裝調(diào)整與參數(shù)設(shè)置
選用 optoncdt 1700 三角激光傳感器作為被測傳感器進行實驗研究，該 傳 感 器 測 量 范 圍 為± 250 mm，分辨率為 30 μm。利用虎鉗夾持，虎鉗通過螺釘固定在調(diào)整臺。通過調(diào)整臺調(diào)整被測傳感器姿態(tài)，使被測傳感器測量線與標準傳感器測量線在同一直線。設(shè)置運動控制器參數(shù)，運動方式為相對運動，根據(jù)測量間隔設(shè)置脈沖數(shù)與運動速度?？刂破揭婆_置檔板( 被測激光測長儀反射面) 于被測傳感器最小量程點，標準干涉儀清零。
4. 2 重復性實驗
在相同條件下，在標定裝置上對被測傳感器進行 10 組重復性測量，每組測量 3 次，測量間隔為45 mm，運動方式為相對運動，脈沖數(shù)為 115 220，運動速度為 10 khz。將整理測量數(shù)據(jù)，標準干涉儀測量值作為標準，被測傳感器測量值減去干涉儀測量值為誤差值。計算 10 組 30 次實驗數(shù)據(jù)平均值 x 與每組 3 次的數(shù)據(jù)平均值 xj，采用合并樣本標準差 sp作為由重復性引入的標準不確定度分量，合并樣本標準差 sp 用公式( 1) 計算。
4. 3 示值誤差
根據(jù)重復性實驗獲得的數(shù)據(jù)，計算傳感器在各測量點的示值誤差 δi。
4. 4 示值誤差修正
由 各個測量點的誤差平均值，獲得了各被測點的修正值。視兩點之間誤差為線性分布，測量點的修正值為測量點誤差平均值，－ δi 為 i 測量點與 i + 1 測量點間的修正值。－ δi( x) = mi + x( mi +1 － mi ) /δx ( 2)式中: δx 為測量間隔; mi 為測量點 i 示值。一般傳感器檢測測量 11 個點時，修正曲線即為 11 個點依次相連的折線。為檢驗修正結(jié)果，另做一組檢測，測量間隔設(shè)置為之前一半的 22. 5 mm。測量數(shù)據(jù)與修正前后結(jié)果見表 3。制作修正前與修正后誤差比對圖 可知，原測量點位置誤差明顯修正，而新加測量點處誤差較大，這種多點差值修正方法對中間點誤差并未修正。從整體看，修正前誤差近 0. 250 mm，修正后誤差小于0. 100 mm，傳感器誤差修正了 50% 以上。
5 結(jié) 論
搭建了基于激光干涉儀的位移傳感器標定系統(tǒng)，提出一種多點差值修正方法，實現(xiàn)了對位移傳感器的高精度標定，并以激光位移傳感器為例進行實驗測試。實驗結(jié)果表明，經(jīng)本系統(tǒng)標定后激光位移傳感器的誤差減小了 50% 以上。
關(guān)鍵詞：傳感器 自動化控制 激光干涉儀 數(shù)據(jù)采集 伺服電機