在航空器的研制、試驗、生產(chǎn)過程中，運用到大量的直線位移傳感器，如飛機強度試驗中測量變形量的位移傳感器，飛機飛行地面試驗中監(jiān)測飛機作動筒的位移傳感器，測量航空發(fā)動機推力的六力素天平校準(zhǔn)裝置中采用的監(jiān)測位移傳感器等。要保證這些傳感器的正常使用，須定期進行校準(zhǔn)測試，但目前市場上還沒有成熟的位移傳感器校準(zhǔn)設(shè)備。為此，我們研制了一臺高準(zhǔn)確度、校準(zhǔn)對象廣的位移傳感器校準(zhǔn)裝置，它將滿足位移、速度測試設(shè)備傳感器的定期校準(zhǔn)需求，使測試設(shè)備保持著良好的工作狀態(tài)，為科研生產(chǎn)提供可靠的技術(shù)保證。
1 工作原理及技術(shù)指標(biāo)
位移傳感器校準(zhǔn)裝置以 633 nm 穩(wěn)頻 He － Ne 激光波長作為基準(zhǔn)，采用干涉條紋計數(shù)原理，對被測傳感器進行直接測量。該裝置通過配置多套裝夾附件，可實現(xiàn)拉桿式、拉繩式等多種類型直線位移傳感器的手動、半自動和自動校準(zhǔn)功能，包括位移傳感器的基本誤差、線性度誤差、重復(fù)性誤差、回程誤差、滿量程輸出和靈敏度等靜態(tài)特性指標(biāo)的校準(zhǔn)。主要技術(shù)指標(biāo): 測量范圍 0 ～ 1000 mm; 測量不確定度 U = ( 0. 5 + 2L) μm ( L 單位為 m，k = 2) ;分辨力 0. 1 μm; 測量速度 0. 3 m /s。
2 裝置的組成及設(shè)計
位移傳感器校準(zhǔn)裝置由大理石基座導(dǎo)軌、工作臺粗進給系統(tǒng)、微位移驅(qū)動系統(tǒng)、激光干涉系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、專用軟件、傳感器安裝座和多套附件等組成，工作臺朝傳感器安裝座一側(cè)有一傳感器固定裝夾座，通過螺紋與傳感器連接。對于小量程傳感器則直接通過彈簧復(fù)位方式連接。
2. 1 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計
要想實現(xiàn)高準(zhǔn)確度位移傳感器的校準(zhǔn)，不僅需要激光干涉儀能夠提供高準(zhǔn)確的長度基準(zhǔn)，同時需要可編程位移發(fā)生器實現(xiàn)高分辨力的定位。為此，從系統(tǒng)的驅(qū)動實現(xiàn)上，采用兩種驅(qū)動方式，即工作臺在伺服電機的驅(qū)動下實現(xiàn)粗進給、微動臺在壓電陶瓷驅(qū)動控制下實現(xiàn)微位移定位，二者可以二級聯(lián)動或者根據(jù)校準(zhǔn)需要單獨定位，從而實現(xiàn)不同準(zhǔn)確度級別的位移傳感器的校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集卡在工作臺運動過程中可按照要求不斷同步讀取干涉儀及被測傳感器讀數(shù)值，實現(xiàn)位移傳感器的自動校準(zhǔn)。在粗進給方式的實現(xiàn)上，為滿足傳動平穩(wěn)靈活、阻力小的要求，選用標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠傳動和高準(zhǔn)確度的直線運動導(dǎo)軌導(dǎo)向。微動臺采用柔性鉸鏈為運動機構(gòu)的基本組成單元，由壓電陶瓷驅(qū)動器直接驅(qū)動，實現(xiàn)高分辨力的定位。本位移傳感器校準(zhǔn)裝置設(shè)計的壓電陶瓷驅(qū)動器的有效行程范圍為 20 μm，分辨力為 1 μm。壓電陶瓷驅(qū)動器與計算機之間采用串口通訊實現(xiàn)微定位。
2. 2 位移傳感器裝夾機構(gòu)設(shè)計
為保證傳感器安裝符合阿貝原則，考慮到位移傳感器種類的多樣性及傳感器安裝調(diào)整的方便性，傳感器安裝座設(shè)計成四維調(diào)整機構(gòu)，四維調(diào)整機構(gòu)具有上下、左右平移和偏擺、俯仰調(diào)整功能，可保證位移傳感器的伸縮軸線與測量基準(zhǔn)在同一直線上。針對拉桿式位移傳感器，設(shè)計了 V 型裝夾附件; 針對拉繩位移傳感器，設(shè)計了壓板型裝夾附件。
2. 3 干涉測量系統(tǒng)設(shè)計
為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用光纖將光源引入集成干涉單元，系統(tǒng)機械布局上只需考慮干涉單元和反射鏡的安裝，而激光頭和電路單元可獨立安裝定位，僅需單獨調(diào)整反射鏡即可實現(xiàn)原本復(fù)雜的干涉測量系統(tǒng)搭建。利用屏幕對李沙育圓的形狀進行監(jiān)控，不斷地設(shè)置修改相位和幅值 ，以保證干涉信號細分精度。
3 應(yīng)用軟件設(shè)計
軟件采用 VC + + 編程語言模塊化設(shè)計，利用DELTA TAU 公司提供的 Pcomm32Pro 動態(tài)鏈接庫進行軟件開發(fā)，實現(xiàn)位移發(fā)生裝置的可編程控制。軟件可以實現(xiàn)被校傳感器信息的錄入、校準(zhǔn)控制參數(shù)的設(shè)置、校準(zhǔn)過程數(shù)據(jù)的自動采集和校準(zhǔn)信息的自動處理，最后生成校準(zhǔn)原始記錄和校準(zhǔn)證書。主要包括控制調(diào)整模塊、位移傳感器校準(zhǔn)模塊、證書記錄查詢打印模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、幫助模塊。
1) 控制調(diào)整模塊
控制調(diào)整模塊可以實現(xiàn)工作臺粗進給、精進給的調(diào)整功能，干涉儀數(shù)據(jù)的實時顯示功能及干涉信號的實時調(diào)整監(jiān)控功能。
2) 位移傳感器校準(zhǔn)模塊
位移傳感器校準(zhǔn)模塊可以輸入證書信息和計量器具信息，設(shè)定運動平臺的采樣點、速度、采數(shù)方式依據(jù)采樣點設(shè)定信息和模式設(shè)置信息等，按照位移傳感器的校準(zhǔn)規(guī)范要求，實現(xiàn)位移傳感器的手/自動校準(zhǔn); 對采集到的數(shù)據(jù)進行處理、分析和比較，得到一系列采樣點的測量誤差及其曲線，對直線位移傳感器的線性度做出評價。
3) 證書記錄查詢打印模塊
實現(xiàn)原始校準(zhǔn)記錄的數(shù)據(jù)庫檢索，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的編輯和原始記錄、校準(zhǔn)證書的自動編輯打印功能。
4) 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊
提供用戶密碼修改設(shè)置功能、記錄證書編號規(guī)則設(shè)計和記錄證書格式設(shè)計模板。
5) 數(shù)據(jù)庫管理模塊
對被校傳感器的檢測數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)庫管理方式進行存儲，以利于用戶的查詢比較，同時提供數(shù)據(jù)庫的維護功能。
6) 幫助模塊提供軟件操作的詳細說明和在線幫助。
4 校準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度試驗
為驗證系統(tǒng)的實用性，采用線性度為 0. 2% 的拉繩位移傳感器、線性度為 0. 5% 的拉桿式位移傳感器進行傳感器的校準(zhǔn)測試，并與國家線紋工作基準(zhǔn)裝置———激光干涉比長儀進行了相關(guān)數(shù)據(jù)的比對。數(shù)據(jù)表明，運用位移傳感器校準(zhǔn)裝置檢測后的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)具有可信度，可以用于實際應(yīng)用。
5 結(jié)論
位移傳感器校準(zhǔn)裝置的研制成功，國內(nèi)長期以來無位移傳感器專用測量儀器的空白，滿足了直線位移傳感器的校準(zhǔn)需求。位移傳感器校準(zhǔn)裝置可廣泛用于位移傳感器的實驗室校準(zhǔn)和位移傳感器生產(chǎn)檢測需要，提升了我所在位移傳感器校準(zhǔn)和檢測方面的能力。
