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(dòng)化控制和測量中有著舉足輕重的地位。傳感器的標(biāo)定就是通過實(shí)驗(yàn)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(jìn)行比較和處理，從而得到一系列表征兩者關(guān)系的標(biāo)定曲線，對標(biāo)定傳感器的示值進(jìn)行修正，提高傳感器的精度。傳感器的標(biāo)定是設(shè)計(jì)、制造和使用傳感器的一個(gè)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(jì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。傳感器的標(biāo)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(shí)現(xiàn)
對多種位移傳感器的標(biāo)定任務(wù)。針對大量程位移傳感器標(biāo)定多采用光柵尺作為標(biāo)準(zhǔn)，而激光干涉儀相對光柵尺精度更高，利用激光干涉儀標(biāo)定位移傳感器可大幅度提升標(biāo)定精度。因此，為了完善和提高大距離位移傳感器的標(biāo)定能力，本文設(shè)計(jì)了一套基于激光干涉儀的大距離線性位移傳感器標(biāo)定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種大量程線性位移傳感器的標(biāo)定，提高了標(biāo)定能力。
2 裝置組成及原理
2. 1 系統(tǒng)組成
整個(gè)系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、長度標(biāo)準(zhǔn)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?？刂葡到y(tǒng)由計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡組成; 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服電機(jī)、電機(jī)控制器、長位移臺組成，可實(shí)現(xiàn) 1 m 長度范圍內(nèi)的位移傳感器標(biāo)定;長度標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)由 Ｒenishaw ＲLE 20 干涉儀與環(huán)境補(bǔ)償系統(tǒng)組成; 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由直流驅(qū)動(dòng)電源和高精度數(shù)字萬用表組成，可實(shí)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(shí)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(gè)自由度的調(diào)整能力。
2. 2 檢測原理
位移傳感器標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)干涉儀的測量線同軸。被測傳感器和標(biāo)準(zhǔn)干涉儀同步測量位移臺移動(dòng)距離，由標(biāo)定裝置的信號處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的比對和標(biāo)定。首先計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，運(yùn)動(dòng)控制卡接收指令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)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(shí)，通過擋板的光反射接收輸入信號; 被測傳感器為接觸式時(shí)，通過擋板推動(dòng)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(shí)輸出信號通過計(jì)算機(jī)顯示與存儲，被測傳感器輸出為電壓或電流信號時(shí)，通過多用表輸出，再通過串
口通信由計(jì)算機(jī)顯示與存儲。激光干涉儀測得位移量后，環(huán)境補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)干涉儀測得信號作為標(biāo)準(zhǔn)輸入量，由計(jì)算機(jī)顯示與存儲。對被測傳感器與標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(dá)到標(biāo)定位移傳感器的目的。
3 標(biāo)準(zhǔn)位移干涉測量系統(tǒng)
3. 1 比對方式
系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)理想測量位移面與實(shí)際位移面有角誤差 θ 時(shí)，實(shí)際測量位移與理想測量位移間的誤差是一個(gè)二次的誤差 e = ( 1 /2) ·c·θ2，這種方式減小了對位移產(chǎn)生導(dǎo)軌的依賴，這樣可以采用簡單的機(jī)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(biāo)準(zhǔn)干涉儀原理及環(huán)境補(bǔ)償
標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)態(tài)條件下，系統(tǒng)的光學(xué)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(dòng)，通過固定參考光反射鏡位移，調(diào)整干涉儀零點(diǎn)位置，將參考光反射鏡至于移動(dòng)臺中間位置，可實(shí)現(xiàn) － 500 mm 到 + 500 mm 的1 000 mm 范圍內(nèi)的檢測任務(wù)。
實(shí)驗(yàn)室溫度( 20 ± 0. 5) ℃，在測量時(shí)為減小環(huán)境對測量結(jié)果的影響，使用了 Ｒenishaw 環(huán)境補(bǔ)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(jìn)行實(shí)時(shí)測量，然后使用 Edlen 公式計(jì)算空氣折射率進(jìn)而實(shí)時(shí)修正激光波長。
4 實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)傳感器測量線在同一直線。設(shè)置運(yùn)動(dòng)控制器參數(shù)，運(yùn)動(dòng)方式為相對運(yùn)動(dòng)，根據(jù)測量間隔設(shè)置脈沖數(shù)與運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)干涉儀清零。
4. 2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)
在相同條件下，在標(biāo)定裝置上對被測傳感器進(jìn)行 10 組重復(fù)性測量，每組測量 3 次，測量間隔為45 mm，運(yùn)動(dòng)方式為相對運(yùn)動(dòng)，脈沖數(shù)為 115 220，運(yùn)動(dòng)速度為 10 kHz。將整理測量數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)干涉儀測量值作為標(biāo)準(zhǔn)，被測傳感器測量值減去干涉儀測量值為誤差值。計(jì)算 10 組 30 次實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)差 sp作為由重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差 sp 用公式( 1) 計(jì)算。
4. 3 示值誤差
根據(jù)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算傳感器在各測量點(diǎn)的示值誤差 δi。
4. 4 示值誤差修正
由 各個(gè)測量點(diǎn)的誤差平均值，獲得了各被測點(diǎn)的修正值。視兩點(diǎn)之間誤差為線性分布，測量點(diǎn)的修正值為測量點(diǎn)誤差平均值，－ Δi 為 i 測量點(diǎn)與 i + 1 測量點(diǎn)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(diǎn) i 示值。一般傳感器檢測測量 11 個(gè)點(diǎn)時(shí)，修正曲線即為 11 個(gè)點(diǎn)依次相連的折線。為檢驗(yàn)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(diǎn)位置誤差明顯修正，而新加測量點(diǎn)處誤差較大，這種多點(diǎn)差值修正方法對中間點(diǎn)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(biāo)定系統(tǒng)，提出一種多點(diǎn)差值修正方法，實(shí)現(xiàn)了對位移傳感器的高精度標(biāo)定，并以激光位移傳感器為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)本系統(tǒng)標(biāo)定后激光位移傳感器的誤差減小了 50% 以上。
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