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基于激光干涉儀的位移傳感器標定技術研究

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2022-05-09 16:58

  

       磁致伸縮位移傳感器廣泛應用于國家十大振興產業中的汽車、航空和裝備制造領域中,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。傳感器的標定是設計、制造和使用傳感器的一個重要環節。任何傳感器在制造、裝配完畢后都必須對設計指標進行標定試驗。傳感器的標定對保證傳感器的質量及改善傳感器的性能等都是不可或缺的技術手段。位移傳感器外形多樣,輸出方式多樣,現有設備很難實現
對多種位移傳感器的標定任務。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,實現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 系統組成
      整個系統由控制系統、驅動系統、長度標準系統、數據采集系統、傳感器姿態調整系統等組成??刂葡到y由計算機、運動控制卡組成; 驅動系統由伺服電機、電機控制器、長位移臺組成,可實現 1 m 長度范圍內的位移傳感器標定;長度標準系統由 Renishaw RLE 20 干涉儀與環境補償系統組成; 數據采集系統由直流驅動電源和高精度數字萬用表組成,可實現輸出信號為電壓或電流信號的位移傳感器的數據采集及處理; 傳感器姿態調整系統可實現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、角擺、升降 4 個自由度的調整能力。
2. 2 檢測原理
       位移傳感器標定裝置測量結構符合阿貝原則,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實現數據的比對和標定。首先計算機發出指令,運動控制卡接收指令驅動步進電機產生位移。產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,環境補償系統對環境的溫度、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據比對分析處理,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據,達到標定位移傳感器的目的。

3 標準位移干涉測量系統
3. 1 比對方式
       系統采用標準傳感器與被測傳感器串聯的方式,由于采用共線的結構,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生導軌的依賴,這樣可以采用簡單的機械結構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,在系統中應盡量減小 c。
3. 2 標準干涉儀原理及環境補償
       標準干涉儀采用 Renishaw RLE 20 干涉儀,該干涉儀為差分干涉儀。此干涉儀能產生對稱的空間四光路,對環境因素( 溫度、濕度、氣壓) 的變化有很好的抗干擾能力,測量分辨率高。靜態條件下和動態條件下,系統的光學相位漂移都較小。采用共光路結構,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 - 500 mm 到 + 500 mm 的1 000 mm 范圍內的檢測任務。
      實驗室溫度( 20 ± 0. 5) ℃,在測量時為減小環境對測量結果的影響,使用了 Renishaw 環境補償單元,包括溫度、濕度、氣壓等多路傳感器。對環境參數進行實時測量,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 傳感器安裝調整與參數設置
       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整臺。通過調整臺調整被測傳感器姿態,使被測傳感器測量線與標準傳感器測量線在同一直線。設置運動控制器參數,運動方式為相對運動,根據測量間隔設置脈沖數與運動速度??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,脈沖數為 115 220,運動速度為 10 kHz。將整理測量數據,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 次實驗數據平均值 x 與每組 3 次的數據平均值 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
        根據重復性實驗獲得的數據,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。為檢驗修正結果,另做一組檢測,測量間隔設置為之前一半的 22. 5 mm。測量數據與修正前后結果見表 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完全修正。從整體看,修正前最大絕對誤差近 0. 250 mm,修正后絕對誤差小于0. 100 mm,傳感器絕對誤差修正了 50% 以上。
5 結 論
       搭建了基于激光干涉儀的位移傳感器標定系統,提出一種多點差值修正方法,實現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。實驗結果表明,經本系統標定后激光位移傳感器的絕對誤差減小了 50% 以上。
 


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