郭成

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所 河南鄭州 450000

拉繩位移傳感器，可以用于測(cè)量位移、距離、位置和應(yīng)變量等長(zhǎng)度尺寸，我所應(yīng)用于工程測(cè)試中。主要有平衡機(jī)構(gòu)、輪轂、鋼絲繩、傳感元件、信號(hào)處理部件、電纜等部件組成，是利用鋼絲繩測(cè)量位移的，鋼絲繩繞在輪轂上，輪轂內(nèi)繞有鋼制彈簧，用于保證鋼絲繩的張緊回彈力，輪轂與傳感元件（這里為多圈精密電位器）軸通過(guò)空心銷(xiāo)連接配合，輪轂旋轉(zhuǎn)通過(guò)多圈電位器輸出信號(hào)測(cè)量得出位移，主要校準(zhǔn)基本誤差因?yàn)殇摻z繩、輪轂有可能存在張緊回彈不穩(wěn)、打滑、變形等情況，還要進(jìn)行回程誤差和重復(fù)性校準(zhǔn)。校準(zhǔn)使用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備主要有：雙頻激光干涉儀、投影測(cè)長(zhǎng)機(jī)、數(shù)字電壓表、直流電源。校準(zhǔn)方法：用直流電源供電，雙頻激光干涉儀、投影測(cè)長(zhǎng)機(jī)提供位移標(biāo)準(zhǔn)值，用數(shù)字多用表讀輸出量，采用最小二乘法計(jì)算參比直線方程，計(jì)算各校準(zhǔn)點(diǎn)擬合輸出值，計(jì)算各校準(zhǔn)點(diǎn)三次正反行程誤差絕對(duì)值的最大值為各點(diǎn)的誤差值，取各點(diǎn)的誤差絕對(duì)值最大作為基本誤差。回程誤差為正反行程輸出量平均值的最大差值。重復(fù)性是各校準(zhǔn)點(diǎn)三次同向行程中差值的最大值為重復(fù)性[1]。

投影測(cè)長(zhǎng)機(jī)，是進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量的光學(xué)機(jī)械計(jì)量?jī)x器，用于直接測(cè)量精密量具，如千分尺校對(duì)桿；并可以借助高一等級(jí)的量塊以比較法檢定低一等級(jí)的量塊和測(cè)量其它精密零件。分度值為0.001mm，測(cè)量范圍為（0-1000）mm，分米刻線尺示值最大允許誤差為±（0.5μm+1/100L）。

雙頻激光干涉儀，是以激光波長(zhǎng)為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行位移、直線度、角度等幾何量測(cè)量的高精度、多功能計(jì)量?jī)x器。它是利用兩束具有微小固定額差的雙頻激光束，進(jìn)行干涉測(cè)量的儀器[2]。

1 原有校準(zhǔn)方法

使用一米投影測(cè)長(zhǎng)機(jī)在進(jìn)行拉繩位移變送器校準(zhǔn)時(shí)，因結(jié)構(gòu)原因，分米刻度尺只有（100-900）mm 九個(gè)整數(shù)尺寸，而不同規(guī)格的拉繩位移變送器其校準(zhǔn)點(diǎn)分布不僅限于這幾個(gè)整數(shù)尺寸，投影測(cè)長(zhǎng)機(jī)顯然不能滿足使用要求。

于是要把雙頻激光干涉儀放置在投影測(cè)長(zhǎng)機(jī)頭座一端，干涉鏡和反射鏡分別架設(shè)在投影測(cè)長(zhǎng)機(jī)頭、尾座上，正確定位后，將大、小兩個(gè)固定內(nèi)測(cè)勾的測(cè)頭取下，并分別固定在頭、尾管上，把拉繩位移傳感器固定在工作臺(tái)上，鋼絲繩先穿過(guò)頭管的大內(nèi)測(cè)勾，再掛在尾管的小內(nèi)測(cè)勾上，通過(guò)尾座在導(dǎo)軌上移動(dòng)，以激光干涉儀測(cè)量位移。

因激光干涉儀使用頻率較高，經(jīng)常用于機(jī)床等現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，需要反復(fù)重新拆裝定位，激光干涉儀熱機(jī)穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，工作使用不便、效率較低。

2 校準(zhǔn)方法的改進(jìn)

2.1 光柵尺選型

光柵尺是光柵線位移傳感器的簡(jiǎn)稱(chēng)，是利用光柵原理實(shí)現(xiàn)直線位移測(cè)量的傳感器，分為封閉式和敞開(kāi)式，主要應(yīng)用于直線移動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)。光柵尺由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭組成，標(biāo)尺光柵一般固定在機(jī)床固定部件上，光柵讀數(shù)頭裝在機(jī)床活動(dòng)部件上。

數(shù)顯表是一種用來(lái)讀取有線性編碼器產(chǎn)生的信號(hào)的顯示單元，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)機(jī)床、火花機(jī)，為其提供顯示、定位的數(shù)顯裝置，數(shù)顯表的手動(dòng)補(bǔ)償功能可以通過(guò)輸入修正值對(duì)光柵尺線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償，其修正值計(jì)算方法如下：

修正值=（測(cè)量值-標(biāo)準(zhǔn)值）×1000000/標(biāo)準(zhǔn)值——單位（μm/m）

隨著機(jī)床用光柵尺的技術(shù)不斷成熟，和光柵尺質(zhì)量和準(zhǔn)確度的提高，價(jià)格也越來(lái)越便宜，對(duì)投影測(cè)長(zhǎng)機(jī)加裝光柵尺和數(shù)顯表性價(jià)比較高。根據(jù)需求選擇了（0-1000）mm 封閉式光柵尺，分辨力0.5μm，MPE：±1.2μm，配套兩軸數(shù)顯表。

使用光柵尺直接校準(zhǔn)，最大誤差遠(yuǎn)小于被校拉繩位移傳感器最大誤差的1/3，可以滿足（0-1000）mm，MPE：±0.3%的拉繩位移傳感器的校準(zhǔn)[3]。

2.2 改裝

（1）安裝光柵尺。抬下測(cè)長(zhǎng)機(jī)工作臺(tái)，合理調(diào)整位置，利用全部量程。將標(biāo)尺光柵固定在測(cè)長(zhǎng)機(jī)底座背面，安裝孔位置應(yīng)避開(kāi)光學(xué)元器件、絲杠、尾座配合間隙調(diào)整螺釘?shù)炔考?。將磁力表座放置在測(cè)長(zhǎng)機(jī)導(dǎo)軌上，打光柵尺固定座一端上表面，調(diào)零，再打另外一端上表面，控制安裝誤差在±0.05mm 以內(nèi)。然后稍微旋緊固定螺釘，將磁力表座放置在測(cè)長(zhǎng)機(jī)導(dǎo)軌上，用千分表打光柵尺固定座側(cè)表面，調(diào)零，再打另外一端側(cè)表面，調(diào)整光柵尺位置控制安裝誤差在±0.05mm 以內(nèi)。自制角鐵工裝將光柵尺讀數(shù)頭固定在尾座背部側(cè)面上。重復(fù)前兩步，使安裝誤差符合要求，選擇合適扭力旋緊螺釘。因底座為鑄鐵材質(zhì)，安裝過(guò)程避免多次反復(fù)用力擰緊，避免螺紋孔滑絲。光柵尺及移動(dòng)頭各部分相互作用良好，移動(dòng)無(wú)卡滯、松曠。將數(shù)顯表安裝到頭座微調(diào)裝置基座背部側(cè)面上，連接上電源線和通訊線，接好地線[4]。

（2）光柵尺線性修正。用測(cè)長(zhǎng)機(jī)及激光干涉儀初步校準(zhǔn)光柵尺，將投影測(cè)長(zhǎng)機(jī)及激光干涉儀對(duì)零，打開(kāi)數(shù)顯表將光柵尺清零，預(yù)熱十分鐘后，對(duì)（100-900）mm 九個(gè)整數(shù)尺寸進(jìn)行校準(zhǔn)，利用數(shù)顯表手動(dòng)補(bǔ)償功能和微調(diào)光柵尺安裝位置進(jìn)行線性修正，使誤差在±1.2μm 以內(nèi)。

然后使用激光干涉儀對(duì)光柵尺間隔1 毫米（根據(jù)需要選擇間隔和尺寸），進(jìn)行正返行程測(cè)量，通過(guò)數(shù)顯表手動(dòng)補(bǔ)償功能進(jìn)行線性修正，使誤差在±1.2μm 以內(nèi)。也可放寬要求為2 級(jí)，MPE：±2.5μm。記錄各校準(zhǔn)點(diǎn)誤差，用于數(shù)據(jù)的修正。在進(jìn)行測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定時(shí)要把光柵尺最大誤差計(jì)算進(jìn)去。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)投影測(cè)長(zhǎng)機(jī)加裝光柵尺和數(shù)顯表性價(jià)比優(yōu)異，用光柵尺代替激光干涉儀和投影測(cè)長(zhǎng)機(jī)校準(zhǔn)拉繩位移傳感器的方法，工作效率顯著提高。經(jīng)過(guò)上級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定合格和測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定后，這種方法的改進(jìn)完全滿足（0-1000）mm，MPE：±0.3%的拉繩位移傳感器的校準(zhǔn)，可以適應(yīng)參試時(shí)間緊、任務(wù)急、任務(wù)量大、工況惡劣須使用前標(biāo)校的實(shí)際情況。