线位移传感器作为各类仪器仪表和控制系统的主要组成部分,在自动化控制和测量中有着举足轻重的地位。但由于线位移传感器的外形多样,输出方式多样,其计量性能的优劣直接影响到各种测量的线性度,灵敏度,基本误差,回程误差等技术参数^[1]。

线位移传感器评价方式也不同于仪器,长期以来的校准工作主要以生产商为主,作为第三方的检测机构的校准能力有限。由于目前位移传感器尚无国际建议或国际标准,国内在2011年年底颁布的校准规范也只提及了各种位移传感器安装原则,却没有具体的实施方案。本文介绍了一种适合长距离位移传感器校准的装置,以及长距离线位移传感器的校准方法。

线位移传感器校准装置建立在一条50 m室内花岗岩气浮式基线的平台上,由双层可分离式工作台(气浮工作台与机械式导轨工作台)、双频激光干涉仪、稳压源、数字多用表、传感器接线盒、数据处理软件组成^[2]。气浮工作台的气隙厚度控制在5 μm以下,气隙均匀性小于0.5 μm,运动直线度小于5 μm,并实现分辨率为1 μm的微调,与上层的机械式导轨工作台形成双层可分离式工作台。整体结构示意图如图 1所示。

图 1

Fig. 1

图 1 线位移校准装置结构示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the line displacement calibration device

图 1中1与2构成50 m室内花岗岩气浮式基线的固定部分,14为气浮工作台,上层的机械式导轨工作台主要由分离式导轨与装夹机构组成。为保证导轨的直线度,工艺设计时要求:先将导轨副安装在加工研磨好的基座(平板)上,按下层工作台的比例进行线切割,线切割模式采用梯形齿状,从而保证导轨重合性,然后再将导轨按照固定的安装孔安装在导轨的固定端与气浮端,利用激光干涉仪直线度测量系统对导轨进行微调修正,从而保证导轨的直线度小于0.05 mm/400 mm。上层导轨平台的固定端通过拉伸螺钉锁紧机构3将其锁紧,上层导轨平台的移动端则配有摩擦锁紧机构12,可在任意位置将平台固定。

图 2为可分离式机械工作台结构图,工作台采用可分离式导轨副与花岗岩的固定端和气浮工作台有效结合,从而将测量范围进一步扩展。与此同时,装夹机构采用可移动式二维可微调装置,将位移传感器的移动部件通过传感器锁紧螺栓固定在装置上,通过微调旋钮调整X、Z方向的位移量,从而实现传感器的运动方向与激光干涉仪的方向平行^[3],从而尽可能地减小阿贝误差^[4],使得调整便捷、精准。

图 2

Fig. 2

图 2 可分离式机械工作台结构图 Fig. 2 Structure of separable mechanical working table

传感器的输出方式最常见的是模拟量输出和位移量输出。对于模拟量输出的传感器,通常有下述接线方式:两线制、三线制、四线制和六线制。模拟量输出时通常会采用4～20 mA直流电流输出或0～10 V直流电压输出。考虑到不同校准人员对不同接线方式的熟悉程度不同,也考虑到校准工作现场的安全性和被测样品的安全性,以及校准的工作效率,根据实际情况设计了专用的接线盒,如图 3所示。

图 3

Fig. 3

图 3 接线盒原理图 Fig. 3 Schematic diagram of wiring box

对于模拟量输出和数字量输出的传感器,其技术参数包含灵敏度、基本误差、线性度、回程误差和重复性五个技术参数。目前还有一定数量的位移传感器使用方会要求在使用二次仪表的情况下进行校准,此时的输出量就是位移量,此时校准结果还应包括示值误差,同时应记录校准时二次仪表内设置的灵敏度。

校准前先将被校传感器安装在装夹工作台上,并检查是否牢固、可靠,将被校传感器与模拟量信号采集装置可靠连接,根据被校传感器的接线信息输入电压及选择万用表的档位。确认上述工作无误后,接通电源,并按被校传感器的要求进行预热。

在传感器装夹时应调整被校传感器,使传感器的位移方向与标准器的移动方向一致,不同的传感器可参考表 1提示方式进行判断。

表 1Table 1)

表 1 传感器装夹判断方式 Tab. 1 Judgment mode of sensor clamping 传感器型式 判断方式 拉绳式 在最大位移时输出值最小 磁致伸缩式 近远点时与磁环(块)的相对位置不变 激光式 近远点时光斑中心均对准圆形靶标

表 1 传感器装夹判断方式 Tab. 1 Judgment mode of sensor clamping

安装完毕后,在传感器最大位移范围内移动3次,同时观察传感器的实际输出范围,确认被校传感器的实际测量范围,并确定校准位移间隔。建议校准范围应略小于实际测量范围。以校准位移范围的最小位移为起始点,单方向递进,依次进行11个校准点的校准,到达测量范围的最大位移后越程,并反方向单方向递减,依次进行11个校准点的校准,此为1个测回,共进行3个测回。

校准数据计算时,相同的数据不同的拟合方式其结果会略有差异,根据校准规范的推荐,使用最小二乘法计算参比直线方程计算灵敏度、基本误差,而线性度的参比直线则用最小二乘法计算或采用最佳直线,推荐最佳直线。最小二乘法计算参比直线的公式^[5]如下:

当每次行程中第i个输入值相同时,则式(2)和式(3)可简化如下:

基本误差计算公式如下:

取|δ_ij|_max为基本误差的结果。

线性度计算公式如下:

取|l_i|_max为线性度测量结果。

当参比直线选用最小二乘法时,Y_i的值由式(1)、式(4)、式(5)计算得到。当选用最佳直线为参比直线时,用以下方法计算得到:

对于一组相同的校准数据,采用不同的参比直线时,其结果将有所不同,结果如表 2所示。

表 2Table 2)

表 2 不同拟合直线的计算结果 Tab. 2 Results of different fitting lines 序号 输入位移 L i/mm 输出平均值 y—/V 偏差值/V 最佳直线 最小二乘法 1 -50.000 5 -2.017 3 0.002 406 0.003 0 2 -40.000 3 -1.617 5 -0.001 799 0.001 3 3 -30.000 4 -1.213 3 -0.001 591 0.001 3 4 -20.000 2 -0.808 4 -0.000 696 0.000 6 5 -10.000 3 -0.404 0 -0.000 288 0.000 4 6 0.000 2 0.002 6 0.002 295 0.002 0 7 10.000 3 0.401 9 -0.002 406 0.002 9 8 20.000 0 0.807 9 -0.000 390 0.001 0 9 30.000 2 1.214 7 0.002 406 0.001 6 10 40.000 1 1.617 3 0.001 013 0.000 0 11 50.000 1 2.022 4 0.002 117 0.000 9 线性度 0.06% 0.08%

表 2 不同拟合直线的计算结果 Tab. 2 Results of different fitting lines

由于最佳直线的拟合比较繁琐,因此在日常校准工作中若无明确要求,则采用最小二乘法拟合参比直线,根据不确定度评定可得到校准值的扩展不确定度为U=0.03%(扩展因子k=2)。

在线位移传感器校准工作中,原始数据多,数据处理繁复,因此根据传感器校准原理及方法编制相应的数据处理软件,以简化校准工作,软件工作流程图如图 4所示。

图 4

Fig. 4

图 4 数据处理流程图 Fig. 4 Flow chart of data processing

基于C#和ACCESS软件开发了数据处理软件,该软件支持使用者对传感器的型号、用户信息等基本参数进行增、删、改、查等基本功能。在对传感器进行性能评价时,支持使用者选择简易计算模式或完整计算模式来对数据进行处理分析;对已进行分析的数据和结果保存到后台数据库,方便使用者进行按模式、人员、时间进行模糊查询等。软件界面如图 5所示。

图 5

Fig. 5

图 5 软件使用实例 Fig. 5 Example of software use

比对试验以YF-YJA03型位移传感器为例,试验时测量范围为50~1 000 mm,实验原始数据如表 3所示。

表 3Table 3)

表 3 比对试验原始数据及计算结果 Tab. 3 Comparison of raw data and calculated results 序号 受校位置/mm 标准值/mm 被测传感器示值/m 第一测回 第二测回 第三测回 进程 回程 进程 回程 进程 回程 1 0 0.000 0.050 4 0.050 4 0.050 3 0.050 1 0.050 9 0.050 4 2 95 95.000 0.145 2 0.145 3 0.145 4 0.145 0 0.145 7 0.145 1 3 190 190.000 0.240 6 0.240 4 0.240 5 0.240 4 0.240 3 0.240 7 4 285 285.000 0.335 5 0.335 8 0.335 6 0.335 7 0.336 1 0.335 8 5 380 380.000 0.430 8 0.430 4 0.430 5 0.430 2 0.431 0 0.430 3 6 475 475.000 0.526 2 0.526 2 0.525 7 0.526 1 0.525 6 0.525 8 7 570 570.000 0.621 1 0.620 8 0.620 6 0.620 8 0.620 7 0.620 7 8 665 665.000 0.706 0 0.716 1 0.716 2 0.715 9 0.716 0 0.715 6 9 760 760.000 0.811 1 0.811 1 0.811 1 0.811 3 0.810 8 0.811 3 10 855 855.000 0.905 9 0.905 7 0.905 6 0.906 0 0.905 8 0.905 7 11 950 950.000 1.001 6 1.001 5 1.001 3 1.001 2 1.001 2 1.001 0

表 3 比对试验原始数据及计算结果 Tab. 3 Comparison of raw data and calculated results

经计算,该传感器的灵敏度为1.000 86 mm/mm,基本误差为0.06%,线性度为0.03%,重复性为0.04%,回程误差为0.03%。针对测量值,根据计量比对的方式,采用En值比对的方法进行验证,表 4为本文方法所测数据(SIMT)与中国计量科学研究院所测数据(NIM)的比对表。

表 4Table 4)

表 4 比对试验比较表 Tab. 4 Comparison of tests 校准项目 比对值 SIMT NIM 基本误差 0.06% 0.11% 测量不确定度 0.08% 0.06% En值 0.5

表 4 比对试验比较表 Tab. 4 Comparison of tests

通过上述比较试验可得:在不同的标准器上对同一被测传感器进行测量,En值 < 1,比对结果满意,说明校准装置可靠,校准方法合理。

线位移传感器外形尺寸大小不一,外观形状各不相同,通过对不同线位移传感器的工作特点的分析,确定了长距离线位移传感器的校准方法,解决了装夹、调整、信号采集和数据计算的问题,提高了校准的效率和可靠性,为线位移传感器的合理有效使用提供了参考。