王樹剛 王國民/無錫市計量檢定測試中心

角位移傳感器校準(zhǔn)裝置

王樹剛 王國民/無錫市計量檢定測試中心

介紹了角位移傳感器的工作原理。根據(jù)實際校準(zhǔn)的角位移傳感器結(jié)構(gòu)特點，研制出對其校準(zhǔn)的裝置。對裝置的主體結(jié)構(gòu)以及校準(zhǔn)過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并對該裝置校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行了不確定評定。

角位移傳感器；校準(zhǔn)；測量不確定度

0 引言

角位移傳感器是較常見的一種傳感器，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、飛機(jī)雷達(dá)天線的伺服系統(tǒng)以及電腦控制運動器械等需要準(zhǔn)確測量角位移的場合，其性能參數(shù)的可靠性、穩(wěn)定性直接關(guān)系到國防建設(shè)，故對角位移傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)是十分必要的。角位移傳感器與同步分析器和電位計等其他傳統(tǒng)角位移測量儀相比，有效提高了長期可靠性，其設(shè)計獨特，在不使用諸如滑環(huán)、葉片、接觸式游標(biāo)、電刷等易磨損活動部件的前提下仍可保證測量準(zhǔn)確度。為解決角位移傳感器量值溯源問題，研制出一種角位移傳感器校準(zhǔn)裝置。

1 角位移傳感器校準(zhǔn)裝置

該裝置具有較強(qiáng)的綜合檢測與校準(zhǔn)能力，操作簡單、方便、可靠，能快速完成校準(zhǔn)，很好地解決角位移校準(zhǔn)問題。

1.1 工作原理

本裝置采用XDFT-720A型細(xì)分多齒分度臺為主要標(biāo)準(zhǔn)器，其具有如下特點：測量范圍整分度0～360°、細(xì)分度0～30′、最小分度值整分度0.5°、細(xì)分度0.1″、整分度示值誤差≤±0.2″、綜合示值誤差≤±1″；可實現(xiàn)任意角度的測量，分度準(zhǔn)確度高，重復(fù)性好，定心準(zhǔn)確度高；利用多齒的嚙合平均效應(yīng)降低誤差，保證準(zhǔn)確度；結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。當(dāng)旋轉(zhuǎn)細(xì)分多齒分度臺時，會通過連接套及連接軸帶動角位移傳感器轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)對任意角位移進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.2 主體部分結(jié)構(gòu)

圖1 角位移傳感器校準(zhǔn)裝置主體部分結(jié)構(gòu)

如圖1所示，角位移傳感器校準(zhǔn)裝置主體部分主要由細(xì)分多齒分度臺、連接套、連接軸、壓板、上面板、底板、立柱等構(gòu)成。

1）細(xì)分多齒分度臺與連接套的連接

加工φ105的連接套與細(xì)分多齒分度臺上表面凹槽形成過盈配合。利用細(xì)分多齒分度臺上表面4×M6的螺紋孔，通過四個緊定螺絲使細(xì)分多齒分度臺帶動連接套轉(zhuǎn)動時連接套不打滑。

2）連接套與連接軸的連接及連接軸與被校準(zhǔn)角位移傳感器的連接

連接軸加工成“凸”字形，通過球頭鎖緊螺絲與連接套連接。根據(jù)被校準(zhǔn)角位移傳感器轉(zhuǎn)軸的尺寸，加工多套“凸”字形連接軸予以替換。連接軸與被校準(zhǔn)角位移傳感器通過鎖緊螺絲連接，保證被校準(zhǔn)傳感器與連接軸及連接套的同軸度。

3）被校準(zhǔn)角位移傳感器的固定

被校準(zhǔn)角位移傳感器與上面板的平行度，直接影響校準(zhǔn)結(jié)果。為了保證校準(zhǔn)準(zhǔn)確度，加工時需保證上面板的粗糙度，同時在均勻分布90°的位置上利用測長儀的壓板固定被校準(zhǔn)傳感器。此時，應(yīng)保證被校傳感器在四個方向受力均勻并大小適合。

1.3 結(jié)構(gòu)特點

該裝置可較好完成角位移傳感器基本誤差、線性誤差、重復(fù)性誤差等計量特性的校準(zhǔn)。且該裝置操作簡單、方便，校準(zhǔn)效率高，可實施現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境下角位移傳感器的校準(zhǔn)。

2 校準(zhǔn)過程及不確定度分析

2.1 校準(zhǔn)過程

1）如圖1所示，對型號為ALI 12.200、編號為MT20048-23的角位移傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。將角位移傳感器通過鎖緊螺絲與連接軸連接，再將連接軸和連接套固定。安裝時應(yīng)使傳感器轉(zhuǎn)動軸與多齒分度臺的回轉(zhuǎn)中心同軸。

2）將直流穩(wěn)壓源的輸出電壓值設(shè)定為傳感器所要求值，如10 V 或20 V。傳感器的輸出端接數(shù)字電壓表輸入端，傳感器供電電源線接直流穩(wěn)壓源的輸出端，直流穩(wěn)壓源、數(shù)字電壓表接穩(wěn)壓源。

3）轉(zhuǎn)動分度臺，滿量程轉(zhuǎn)動三個測回，觀察數(shù)據(jù)的變化情況。各起始點、終點位置輸出電壓值變化量不大于允許基本誤差的絕對值時便可以測量。

4）校準(zhǔn)時依次按所取測量點進(jìn)行測量，同時記下多齒分度臺的讀數(shù)及數(shù)字電壓表讀數(shù)。要求從起點到終點往返測量、讀數(shù)，校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

表1 角位移傳感器校準(zhǔn)結(jié)果

2.2 不確定度評定

該型號的角位移傳感器最大允許示值誤差MPE：±0.5%，為了驗證該校準(zhǔn)裝置的可行性，作如下測量不確定度評定。

2.2.1 多齒分度臺引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u1

多齒分度臺檢定規(guī)程規(guī)定，1級多齒分度臺最大分度間隔誤差為±0.5″，設(shè)其服從均勻分布，則其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1為

2.2.2 數(shù)字電壓表引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u2

采用34401A數(shù)字多用表，其最大允許誤差為±0.06%，則在量程為10 V檔位上，測量范圍為60°內(nèi)所帶來的角度誤差為

設(shè)其服從均勻分布，則其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2為

2.2.3 測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u3

在相同條件下，對被校準(zhǔn)角位移傳感器重復(fù)測量6次，由貝塞爾公式計算出單次實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差

2.2.4 傳感器安裝不同軸引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u4

校準(zhǔn)過程中，其不同軸度ΔL =0.20 mm，該型號的角位移傳感器半徑R = 22.5 mm，連接軸高度h = 20 mm，則其帶來的角度誤差為

設(shè)其服從均勻分布，則其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4為

2.2.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

2.2.6 擴(kuò)展不確定度

本次校準(zhǔn)的最小角度值為±15°，按照被校角位移傳感器的最大允許誤差MPE：±5%計算，±15°時的MPE為270″。校準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度22″（k = 2）小于最大允許誤差270″的1/5，說明此校準(zhǔn)裝置具有可行性。

3 結(jié)語

試驗結(jié)果表明，新研制的角位移傳感器校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠，完全可以開展對角位移傳感器的校準(zhǔn)，具有很高的實用價值。

[1]周駿，戚麗紅.一種新型四輪定位檢測儀校準(zhǔn)裝置的研究[J].計量與測試技術(shù)，2015(02)：24-25.

[2]全國法制計量管理計量技術(shù)委員會.JJF 1059-2012[S].北京：中國質(zhì)檢出版社,2012.

[3]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局計量司. 測量不確定度評定與表示指南[M].北京：中國計量出版社,2013.

A calibration device for angular displacement sensors

Wang Shugang , Wang Guomin
（Wuxi Metrological Verification & Testing Center）

This paper introduces the working principle of the angular displacement sensor. According to the structure characteristics of the angular displacement sensor, a calibration device for it has been developed. The main structure of the device and the calibration procedure are described in detail. The measure uncertainty is evaluated.

angular displacement sensor; calibration; measurement uncertainty