直流差動式位移傳感器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計

楊勇 王亞東 吳文峰

摘 要：針對差動式位移傳感器，設(shè)計了一套高效率、高精度、大行程的專用線位移傳感器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)。詳細(xì)設(shè)計了校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、測控軟件，具體分析了校準(zhǔn)系統(tǒng)和校準(zhǔn)方法的測量不確定度。整個校準(zhǔn)過程由計算機控制，采用伺服電機驅(qū)動精密直線運動機構(gòu)，選取光柵尺作為差動式位移傳感器的標(biāo)準(zhǔn)位移輸入，通過分析差動式位移傳感器的輸入輸出關(guān)系實現(xiàn)對其的自動校準(zhǔn)。試驗分析表明，該系統(tǒng)可以對精度等級0.01以上的直流差動式位移傳感器進行自動校準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：絕對式光柵尺；直流差動式位移傳感器；自動校準(zhǔn)；動態(tài)特性；測量不確定度

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

0 引言

直流差動變壓器式位移傳感器（LVDT）是線位移傳感器中最常見的一種，可用于測量位移、距離和應(yīng)變量等長度尺寸，在機械制造業(yè)和工業(yè)自動檢測領(lǐng)域中占有重要地位，為保證傳感器使用的可靠性和測量精度，根據(jù)國標(biāo)規(guī)定需要對靈敏度、基本誤差、線性度、回程誤差和重復(fù)性等主要計量特性做定期校準(zhǔn)[1]。目前國內(nèi)二、三級計量室主要是利用常規(guī)測長設(shè)備進行線位移傳感器的校準(zhǔn)，國防科技工業(yè)計量測試中心是利用激光干涉比長儀進行線位移傳感器的手動校準(zhǔn)，而西安所是使用萬能測長儀進行線位移傳感器手動校準(zhǔn)，成都所研制了一臺行程為1000mm、準(zhǔn)確度為0.01mm的大行程位移傳感器自動校準(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校準(zhǔn)裝置[2]。

隨著自動化水平的不斷提高，傳感器的需求越來越多，質(zhì)量要求也越來越高。然而常規(guī)的位移傳感器手動校準(zhǔn)裝置，工作量大，測量繁瑣且效率低，校準(zhǔn)精度也不易保證，現(xiàn)有的位移傳感器自動校準(zhǔn)裝置又不能同時滿足大行程和高精度兩方面的要求。而且，現(xiàn)有的校準(zhǔn)裝置只進行了位移傳感器靜態(tài)特性的測試校準(zhǔn)，而缺乏對動態(tài)特性的測試校準(zhǔn)。因此，為了提高測試效率、測試精度、測試范圍，本文設(shè)計了一套高效率、高精度、大行程的專用線位移傳感器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以多種型號的直流差動變壓器式位移傳感器為測試對象，對傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性都進行了測試校準(zhǔn)，實現(xiàn)了校準(zhǔn)過程的自動化、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械位移量轉(zhuǎn)換成電信號。對于直流差動變壓器位移傳感器，是基于變壓器工作原理，采用直流電源供電。其原邊有一個繞組，副邊的兩個繞組按差動方式連接，變壓器開口上有一活動鐵芯，該鐵芯產(chǎn)生位移時使磁路改變，從而使輸出差動電壓隨之改變[3]。

1.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

位移傳感器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由激勵電源、測控軟件、測量裝置、伺服驅(qū)動裝置及標(biāo)準(zhǔn)器裝置五部分組成。如圖1所示。

（1）激勵電源：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）測控軟件：裝有win7系統(tǒng)的計算機，主要功能是完成對位移傳感器標(biāo)準(zhǔn)器裝置的的控制，以及對其輸出信號量存儲和運算，以及最終按要求呈現(xiàn)測試結(jié)果。

（3）測量裝置：數(shù)字示波器和數(shù)字萬用表，主要功能是用帶USB接口的測量裝置，可將讀取的傳感器輸出量傳輸?shù)诫娔X。

（4）伺服驅(qū)動裝置：運動控制卡、伺服驅(qū)動器及伺服電機等，主要功能是平穩(wěn)快速驅(qū)動伺服電機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，能對外輸出要求的信號量。

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理：由電腦控制整個測量系統(tǒng)，由步進電機發(fā)送驅(qū)動脈沖、光柵尺產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)位移、位移傳感器信號采集以及數(shù)據(jù)分析處理，結(jié)果的顯示和報告的生成等[4]。如圖2所示。

登錄PC機上的測控軟件系統(tǒng)，輸入相應(yīng)的校準(zhǔn)信息和參數(shù)，選擇測試校準(zhǔn)的項目，系統(tǒng)根據(jù)選擇的測試項目和輸入的校準(zhǔn)信息，生成或選擇相應(yīng)的伺服驅(qū)動控制邏輯、數(shù)據(jù)采集控制邏輯。PC機根據(jù)相應(yīng)的測控邏輯發(fā)送命令給PCI運動控制卡，驅(qū)動伺服電機通過傳動絲桿帶動位移傳感器的拉桿作平行于導(dǎo)軌的直線運動[5]。位于導(dǎo)軌上的絕對式光柵尺將位移信號反饋給數(shù)據(jù)采集單元，獲得計量所需的標(biāo)準(zhǔn)位移量，并實現(xiàn)對設(shè)置位移量的閉環(huán)控制[6]。同時，數(shù)字萬用表和數(shù)字示波器讀取線位移傳感器的輸出信號并通過USB總線反饋給數(shù)據(jù)采集單元，獲得傳感器的實際測量值。然后，通過PC機上的測控軟件，以絕對式光刪尺的位移測量值作為基準(zhǔn)，將采集到的數(shù)據(jù)按測試項目原理進行計算，實現(xiàn)對線位移傳感器的自動校準(zhǔn)。

1.3 測試項目原理

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

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

1.4 測控軟件系統(tǒng)

校準(zhǔn)系統(tǒng)的測試控制軟件，基于Visual Studio 2012平臺和C++語言開發(fā)。由登陸界面、試驗設(shè)置界面、測量界面、數(shù)據(jù)調(diào)用界面等組成。能夠以word形式自動生成原始記錄并導(dǎo)出/打印，可對原始記錄格式及內(nèi)容進行編輯。具有SQL Server數(shù)據(jù)庫通訊功能，能夠與外部軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

（1）登陸界面：包含輸入框信息：“請輸入操作密碼并按此登

入，非專業(yè)人員禁止操作”。

（2）試驗設(shè)置界面：包含試品類型選擇、試驗項目選擇、試驗參數(shù)設(shè)置等；需保存前一次試驗操作的參數(shù)設(shè)置，在啟動時系統(tǒng)需進行自檢，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；可對已配置參數(shù)信息進行存儲和調(diào)用。

（3）測試校準(zhǔn)界面：自動采集、顯示、記錄和分析試驗數(shù)據(jù)，試驗過程中能夠在界面上實時顯示位移量、電壓、電流的情況，按需求顯示計算：量基本誤差、線性度誤差、非線性度誤差、回差、重復(fù)誤差等；包含報警、讀數(shù)等各種設(shè)置；具有試驗啟停、試驗次數(shù)清零、故障清零等功能。測試校準(zhǔn)界面如圖3所示。

（4）數(shù)據(jù)調(diào)用界面：對已完成的試驗項目可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用，以便試后進行相關(guān)分析。

2 不確定度分析

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

2.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

2.2 測量不確定度評估

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

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

3 試驗結(jié)果與分析

以米朗LVDTC20-A-100mm型直流差動變壓器式位移傳感器為測試對象進行試驗，其測量范圍為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)測回試驗數(shù)據(jù)如表2所示，測試校準(zhǔn)結(jié)果如表3所示。

將測試校準(zhǔn)結(jié)果與《GB/T 28857-2012直流差動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)進行比對，可知該試品合格。

4 結(jié)語

該位移傳感器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)準(zhǔn)確度為0.1μm，單向傳感器測量范圍為1～2000 mm，雙向傳感器測量范圍為±1～±600mm，可對兩線制電流型輸出4-20mA和三線制電壓輸出0-5V/0-10V精度等級0.01以上的直流差動式位移傳感器進行自動校準(zhǔn)，實現(xiàn)了微米級高精度、大行程位移的測量。在自動控制進行試驗的過程中，校準(zhǔn)系統(tǒng)主要對位移傳感器監(jiān)測的位移量進行自動控制、對位移傳感器的輸出量進行自動采集、對采集到的數(shù)據(jù)進行自動計算，可通過計算機軟件測控系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定好的試驗步驟選擇進行單個試驗項目，或連續(xù)完成多個試驗項目，提高了校準(zhǔn)的效率和可靠性。該系統(tǒng)不僅可以對位移傳感器的靜態(tài)特性進行校準(zhǔn)，而且還可以對其動態(tài)特性進行評估，為線位移傳感器的合理有效使用提供了參考。

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基金項目：上海市電站自動化技術(shù)重點實驗室（13DZ2273800）

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