楊勇 王亞?wèn)| 吳文峰

摘 要：針對(duì)差動(dòng)式位移傳感器，設(shè)計(jì)了一套高效率、高精度、大行程的專用線位移傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。詳細(xì)設(shè)計(jì)了校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、測(cè)控軟件，具體分析了校準(zhǔn)系統(tǒng)和校準(zhǔn)方法的測(cè)量不確定度。整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，選取光柵尺作為差動(dòng)式位移傳感器的標(biāo)準(zhǔn)位移輸入，通過(guò)分析差動(dòng)式位移傳感器的輸入輸出關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)其的自動(dòng)校準(zhǔn)。試驗(yàn)分析表明，該系統(tǒng)可以對(duì)精度等級(jí)0.01以上的直流差動(dòng)式位移傳感器進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：絕對(duì)式光柵尺；直流差動(dòng)式位移傳感器；自動(dòng)校準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)特性；測(cè)量不確定度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.108

0 引言

直流差動(dòng)變壓器式位移傳感器（LVDT）是線位移傳感器中最常見(jiàn)的一種，可用于測(cè)量位移、距離和應(yīng)變量等長(zhǎng)度尺寸，在機(jī)械制造業(yè)和工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域中占有重要地位，為保證傳感器使用的可靠性和測(cè)量精度，根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定需要對(duì)靈敏度、基本誤差、線性度、回程誤差和重復(fù)性等主要計(jì)量特性做定期校準(zhǔn)[1]。目前國(guó)內(nèi)二、三級(jí)計(jì)量室主要是利用常規(guī)測(cè)長(zhǎng)設(shè)備進(jìn)行線位移傳感器的校準(zhǔn)，國(guó)防科技工業(yè)計(jì)量測(cè)試中心是利用激光干涉比長(zhǎng)儀進(jìn)行線位移傳感器的手動(dòng)校準(zhǔn)，而西安所是使用萬(wàn)能測(cè)長(zhǎng)儀進(jìn)行線位移傳感器手動(dòng)校準(zhǔn)，成都所研制了一臺(tái)行程為1000mm、準(zhǔn)確度為0.01mm的大行程位移傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置，NPL研制了一套行程為50mm、準(zhǔn)確度為0.05μm高精度位移傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置[2]。

隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，傳感器的需求越來(lái)越多，質(zhì)量要求也越來(lái)越高。然而常規(guī)的位移傳感器手動(dòng)校準(zhǔn)裝置，工作量大，測(cè)量繁瑣且效率低，校準(zhǔn)精度也不易保證，現(xiàn)有的位移傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置又不能同時(shí)滿足大行程和高精度兩方面的要求。而且，現(xiàn)有的校準(zhǔn)裝置只進(jìn)行了位移傳感器靜態(tài)特性的測(cè)試校準(zhǔn)，而缺乏對(duì)動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試校準(zhǔn)。因此，為了提高測(cè)試效率、測(cè)試精度、測(cè)試范圍，本文設(shè)計(jì)了一套高效率、高精度、大行程的專用線位移傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以多種型號(hào)的直流差動(dòng)變壓器式位移傳感器為測(cè)試對(duì)象，對(duì)傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性都進(jìn)行了測(cè)試校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了校準(zhǔn)過(guò)程的自動(dòng)化、快速化與高精度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

位移傳感器功能是將直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。對(duì)于直流差動(dòng)變壓器位移傳感器，是基于變壓器工作原理，采用直流電源供電。其原邊有一個(gè)繞組，副邊的兩個(gè)繞組按差動(dòng)方式連接，變壓器開(kāi)口上有一活動(dòng)鐵芯，該鐵芯產(chǎn)生位移時(shí)使磁路改變，從而使輸出差動(dòng)電壓隨之改變[3]。

1.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

位移傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由激勵(lì)電源、測(cè)控軟件、測(cè)量裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置及標(biāo)準(zhǔn)器裝置五部分組成。如圖1所示。

（1）激勵(lì)電源：多功能交直流穩(wěn)壓源，為位移傳感器提供穩(wěn)定的工作電源。

（2）測(cè)控軟件：裝有win7系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，主要功能是完成對(duì)位移傳感器標(biāo)準(zhǔn)器裝置的的控制，以及對(duì)其輸出信號(hào)量存儲(chǔ)和運(yùn)算，以及最終按要求呈現(xiàn)測(cè)試結(jié)果。

（3）測(cè)量裝置：數(shù)字示波器和數(shù)字萬(wàn)用表，主要功能是用帶USB接口的測(cè)量裝置，可將讀取的傳感器輸出量傳輸?shù)诫娔X。

（4）伺服驅(qū)動(dòng)裝置：運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)等，主要功能是平穩(wěn)快速驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)拉伸位移傳感器完成標(biāo)準(zhǔn)要求位移。

（5）標(biāo)準(zhǔn)器裝置：位移傳感器、光刪尺、底座、導(dǎo)軌、夾具等，主要功能包括試品的安裝固定、位移傳感器完成標(biāo)準(zhǔn)要求位移后，能對(duì)外輸出要求的信號(hào)量。

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理：由電腦控制整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，由步進(jìn)電機(jī)發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖、光柵尺產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)位移、位移傳感器信號(hào)采集以及數(shù)據(jù)分析處理，結(jié)果的顯示和報(bào)告的生成等[4]。如圖2所示。

登錄PC機(jī)上的測(cè)控軟件系統(tǒng)，輸入相應(yīng)的校準(zhǔn)信息和參數(shù)，選擇測(cè)試校準(zhǔn)的項(xiàng)目，系統(tǒng)根據(jù)選擇的測(cè)試項(xiàng)目和輸入的校準(zhǔn)信息，生成或選擇相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)控制邏輯、數(shù)據(jù)采集控制邏輯。PC機(jī)根據(jù)相應(yīng)的測(cè)控邏輯發(fā)送命令給PCI運(yùn)動(dòng)控制卡，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)絲桿帶動(dòng)位移傳感器的拉桿作平行于導(dǎo)軌的直線運(yùn)動(dòng)[5]。位于導(dǎo)軌上的絕對(duì)式光柵尺將位移信號(hào)反饋給數(shù)據(jù)采集單元，獲得計(jì)量所需的標(biāo)準(zhǔn)位移量，并實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)置位移量的閉環(huán)控制[6]。同時(shí)，數(shù)字萬(wàn)用表和數(shù)字示波器讀取線位移傳感器的輸出信號(hào)并通過(guò)USB總線反饋給數(shù)據(jù)采集單元，獲得傳感器的實(shí)際測(cè)量值。然后，通過(guò)PC機(jī)上的測(cè)控軟件，以絕對(duì)式光刪尺的位移測(cè)量值作為基準(zhǔn)，將采集到的數(shù)據(jù)按測(cè)試項(xiàng)目原理進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)線位移傳感器的自動(dòng)校準(zhǔn)。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目原理

該位移傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)主要用于在常溫條件下，測(cè)算直流差動(dòng)變壓器式位移傳感器技術(shù)指標(biāo)用。適用的測(cè)試項(xiàng)目范圍包括多項(xiàng)靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。

靜態(tài)特性指標(biāo)包括：機(jī)械行程、輸出阻抗、基本誤差、非線性誤差、回程誤差、重復(fù)性誤差、零點(diǎn)漂移等。

1.4 測(cè)控軟件系統(tǒng)

校準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)試控制軟件，基于Visual Studio 2012平臺(tái)和C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。由登陸界面、試驗(yàn)設(shè)置界面、測(cè)量界面、數(shù)據(jù)調(diào)用界面等組成。能夠以word形式自動(dòng)生成原始記錄并導(dǎo)出/打印，可對(duì)原始記錄格式及內(nèi)容進(jìn)行編輯。具有SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)通訊功能，能夠與外部軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

（1）登陸界面：包含輸入框信息：“請(qǐng)輸入操作密碼并按此登

入，非專業(yè)人員禁止操作”。

（2）試驗(yàn)設(shè)置界面：包含試品類型選擇、試驗(yàn)項(xiàng)目選擇、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置等；需保存前一次試驗(yàn)操作的參數(shù)設(shè)置，在啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)需進(jìn)行自檢，并提示操作人員目前參數(shù)設(shè)置狀態(tài)，避免系統(tǒng)斷電后反復(fù)的參數(shù)設(shè)置；可對(duì)已配置參數(shù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)用。

（3）測(cè)試校準(zhǔn)界面：自動(dòng)采集、顯示、記錄和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)過(guò)程中能夠在界面上實(shí)時(shí)顯示位移量、電壓、電流的情況，按需求顯示計(jì)算：量基本誤差、線性度誤差、非線性度誤差、回差、重復(fù)誤差等；包含報(bào)警、讀數(shù)等各種設(shè)置；具有試驗(yàn)啟停、試驗(yàn)次數(shù)清零、故障清零等功能。測(cè)試校準(zhǔn)界面如圖3所示。

（4）數(shù)據(jù)調(diào)用界面：對(duì)已完成的試驗(yàn)項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用，以便試后進(jìn)行相關(guān)分析。

2 不確定度分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的適用性，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不確定度分析。影響傳感器測(cè)量結(jié)果的主要因素有光柵尺的測(cè)距誤差、數(shù)字多用表的測(cè)量誤差、測(cè)量重復(fù)性、回程誤差、環(huán)境條件、安裝誤差等[10]。系統(tǒng)測(cè)試范圍為2m，選用一個(gè)精度等級(jí)為0.01、測(cè)量范圍為0～2000mm、滿量程輸出為+10V的線位移傳感器進(jìn)行分析。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

2.2 測(cè)量不確定度評(píng)估

使用該套校準(zhǔn)系統(tǒng)，對(duì)0～2000mm測(cè)量范圍內(nèi)，不同技術(shù)指標(biāo)的直流差動(dòng)式位移傳感器的測(cè)量不確定度如表1[11]。

分析可知，使用這套直流差動(dòng)式位移傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試校準(zhǔn)工作所獲得的試驗(yàn)結(jié)果可靠，符合《JJF 1305-2011校準(zhǔn)規(guī)范》的基本要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以米朗LVDTC20-A-100mm型直流差動(dòng)變壓器式位移傳感器為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，其測(cè)量范圍為0～100mm，標(biāo)稱精度為0.2。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《JJF 1305-2011線位移傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》，三次循環(huán)測(cè)回試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，測(cè)試校準(zhǔn)結(jié)果如表3所示。

將測(cè)試校準(zhǔn)結(jié)果與《GB/T 28857-2012直流差動(dòng)變壓器式位移傳感器》中與準(zhǔn)確度有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，可知該試品合格。

4 結(jié)語(yǔ)

該位移傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)準(zhǔn)確度為0.1μm，單向傳感器測(cè)量范圍為1～2000 mm，雙向傳感器測(cè)量范圍為±1～±600mm，可對(duì)兩線制電流型輸出4-20mA和三線制電壓輸出0-5V/0-10V精度等級(jí)0.01以上的直流差動(dòng)式位移傳感器進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)高精度、大行程位移的測(cè)量。在自動(dòng)控制進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，校準(zhǔn)系統(tǒng)主要對(duì)位移傳感器監(jiān)測(cè)的位移量進(jìn)行自動(dòng)控制、對(duì)位移傳感器的輸出量進(jìn)行自動(dòng)采集、對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，可通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件測(cè)控系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定好的試驗(yàn)步驟選擇進(jìn)行單個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，或連續(xù)完成多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，提高了校準(zhǔn)的效率和可靠性。該系統(tǒng)不僅可以對(duì)位移傳感器的靜態(tài)特性進(jìn)行校準(zhǔn)，而且還可以對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)估，為線位移傳感器的合理有效使用提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶松威.拉桿式線位移傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)[J].電子世界，2014（18）：25-26.

[2]李昕.線位移傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2014：3-4.

[3]丁勇.差動(dòng)變壓器式位移傳感器測(cè)量系統(tǒng)研究[D].上海：東華大學(xué)，2017：9-10.

[4]陳洪俠.基于LabVIEW的直線位移傳感器校準(zhǔn)裝置[J].中國(guó)科技信息，2017（16）：60-62.

[5]黃梓勁.線位移傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置的探討[J].科技與創(chuàng)新， 2017（17）：139-140.

[6]左龍劍，周慶敏.基于PCI總線的全閉環(huán)交流伺服控制系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2009（10）：52-53.

[7]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 28857-2012直流差動(dòng)變壓器式位移傳感器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012：7-8.

[8]孫強(qiáng).高精度絕對(duì)式光柵尺研究進(jìn)展及技術(shù)難點(diǎn)[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2012（05）：72-73.

[9]成曉南.差動(dòng)變壓器式位移傳感器動(dòng)態(tài)誤差分析及補(bǔ)償技術(shù)研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2015：22-23.

[10]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF 1305-2011線位移傳感器校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011：8-9.

[11]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF 1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012：5-6.

基金項(xiàng)目：上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（13DZ2273800）

作者簡(jiǎn)介：楊勇（1992-），男，山西忻州人，碩士研究生，研究方向：電力系統(tǒng)先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)。