基于對比檢測法的角位移傳感器檢測系統(tǒng)

李鷺翔，朱維斌，黃 垚，薛 梓，葉樹亮

(1.中國計量大學(xué)工業(yè)與商貿(mào)計量技術(shù)研究所，浙江杭州 310018 ；2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

0 引言

角位移傳感器是基于莫爾條紋計數(shù)方法的角度測量傳感器，具有高精度、高集成度、高可靠性和抗干擾能力強的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航海、精密加工、生產(chǎn)制造等國防、工業(yè)、民生領(lǐng)域。受生產(chǎn)加工和機械部件精度影響，偏心、傾斜、軸跳等問題不可避免，這些都會降低角位移傳感器[1]的設(shè)計精度，角位移傳感器的檢測和校準工作也因此變得格外重要[1-2]。

目前，德國PTB、日本NMIJ和俄羅斯門捷列夫?qū)嶒炇以诮嵌葴y量領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，其角度基準裝置精度分別達到了0.01″、0.01″和0.03″。在國內(nèi)，國家計量院研發(fā)的角度基準裝置精度達到了0.05″[3-6]。在角位移傳感器的誤差檢測方面，日本國立高級工業(yè)科技研究所的檢測系統(tǒng)不確定度為±0.05″，但是僅僅能夠在實驗室進行工作。

角位移傳感器誤差檢測主要有多面棱體結(jié)合自準直儀檢測和精密轉(zhuǎn)臺對比檢測2種方式[7]。多面棱體結(jié)合自準直儀檢測過程復(fù)雜，同時受到機械安裝、棱體精度等因素影響[8]；對比檢測法的系統(tǒng)相對簡單，其關(guān)鍵為精密基準轉(zhuǎn)臺[9]。

本文提出了一種基于精密轉(zhuǎn)臺的角位移傳感器自動檢測系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)臺中的光柵編碼器布置多個讀數(shù)頭，利用自校準技術(shù)保證精密轉(zhuǎn)臺光柵編碼器的精度。檢測系統(tǒng)采用FPGA電路完成多路光柵讀數(shù)頭和角位移傳感器信號的采集與處理，并實現(xiàn)自校準算法；在上位機通過電機完成轉(zhuǎn)臺自動控制，并獲取測試數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)保存，輸出測試報告。這個系統(tǒng)自動化程度高，安裝要求低，能夠有效提升角位移傳感器的檢測效率。

1 檢測系統(tǒng)原理

本文基于對比檢測法設(shè)計角位移傳感器自動檢測系統(tǒng)，以精密轉(zhuǎn)臺為檢測過程的高精度角度基準，以圓光柵為角度測量傳感器，采用自校準技術(shù)來提升轉(zhuǎn)臺定位精度，提供圓周360°范圍內(nèi)的連續(xù)、高精度角度比對檢測標準。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

對比檢測法要求基準角度的精度最好能夠優(yōu)于待檢角位移傳感器精度一個數(shù)量級，最低要求為3倍，因此精密轉(zhuǎn)臺的精度保證是設(shè)計的關(guān)鍵，系統(tǒng)中采用自校準技術(shù)予以精度保證。

自校準法源于等分平均(EDA)角度測量技術(shù)，通過在圓光柵盤上多組等間距讀數(shù)頭優(yōu)化布局，高效抑制安裝偏心誤差等因素帶來的各階諧波誤差分量[10]。等分平均算法表示為

(1)

式中：Mn為n等分平均角度測量結(jié)果；Ri(i=1，2，3，…，n)為第i個讀數(shù)頭的角度測量結(jié)果。

將多組具有不同平均分布個數(shù)的讀數(shù)頭放置在同一圓光柵盤上，可以形成整體不等間距讀數(shù)頭布局方式。本系統(tǒng)中使用3-4的2組等距平均分布組合方式完成自校準。讀數(shù)頭分布如圖2所示。

圖2 光柵讀數(shù)頭位置示意圖

圖中，2組等間隔分布讀數(shù)頭共用了R1讀數(shù)頭，其對應(yīng)自校準角度輸出值為

(2)

式中：M3=(R1+R3+R5)/3；M4=(R1+R2+R4+R6)/4。

通過組合方式，圖2所示讀數(shù)頭放置方式能夠達到12個讀數(shù)頭等分平均效果，更有效抑制噪聲，保證轉(zhuǎn)臺精度。

2 檢測信號處理

由于精密轉(zhuǎn)臺中安置了6個光柵讀數(shù)頭，自校準算法需要傳感器測量數(shù)據(jù)并行處理，系統(tǒng)采用FPGA芯片承擔(dān)多路數(shù)據(jù)并行處理任務(wù)[11]。信號處理流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)信號處理流程示意圖

讀數(shù)頭輸出經(jīng)過信號預(yù)處理后，在FPGA電路中完成細分辨向和自校準算法，再經(jīng)過USB通訊由上位機進行角位移傳感器的功能檢測。

光柵信號細分是提升測量分辨率、保證測量精度的有效手段和重要環(huán)節(jié)。在FPGA電路中，對2路正交方波數(shù)字信號進行四細分以提高測角分辨率，同時辨別方向以判斷角度的增減。

圓光柵輸出2路相位差為90°的方波信號A和B。其在轉(zhuǎn)臺順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)時對應(yīng)的狀態(tài)變化順序不同。圖4(a)為轉(zhuǎn)臺順時針旋轉(zhuǎn)，A波形的相位會超前B波形90°，狀態(tài)變化順序為01、11、10、00；圖4(b)為轉(zhuǎn)臺逆時針旋轉(zhuǎn)，A波形的相位則會滯后B波形90°，狀態(tài)變化順序為00、10、11、01。

(a)轉(zhuǎn)臺順時針旋轉(zhuǎn)波形

(b)轉(zhuǎn)臺逆時針旋轉(zhuǎn)波形

在一個周期時間內(nèi)，2路信號分時呈現(xiàn)“00、01、11、10” 4個狀態(tài)，通過判斷每個方波周期內(nèi)4個不同狀態(tài)，利用A、B兩路信號之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為依據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的細分辨向計數(shù)功能，同時根據(jù)狀態(tài)變化的順序，可判斷轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)方向。圖5為FPGA電路內(nèi)完成細分辨向功能狀態(tài)機，其中“+1”、“-1”分別表示計數(shù)器加、減1，“0”表示計數(shù)器不動作。

圖5 A、B轉(zhuǎn)移狀態(tài)機示意圖

3 實驗

圖6為檢測系統(tǒng)裝置圖，待校角位移傳感器通過夾持裝置與精密轉(zhuǎn)臺同軸連接，轉(zhuǎn)臺由直流無刷電機驅(qū)動精密氣浮軸承轉(zhuǎn)動，其速度范圍在5～30°/s。轉(zhuǎn)臺選用Micro E的R10851-HD圓光柵及配套6個M3000讀數(shù)頭，按照圖2所示結(jié)構(gòu)進行讀數(shù)頭布局，讀數(shù)頭安裝誤差在0.5°以內(nèi)，輸出一致性在±2″以內(nèi)。圓光柵刻線數(shù)為16 384，光柵信號細分處理后角分辨率達到0.077″。在圓周360°范圍內(nèi)，在預(yù)置的位置進行轉(zhuǎn)臺基準角度和角位移傳感器角度比對，由上位機完成數(shù)據(jù)自動處理，實現(xiàn)對角位移傳感器的檢測。

圖6 檢測系統(tǒng)裝置圖

3.1 系統(tǒng)精度測試

圖7 精度測試裝置

圖8 精度測試誤差曲線

為測試檢測系統(tǒng)的精度，選用精度優(yōu)于±0.1″的Moller3000自準直儀與24面棱體作為標準角度輸出，進行測角誤差標定實驗。精度測試裝置如圖7所示，圖8為測試結(jié)果?？梢姴捎?-4組合平均的方法可有效降低測角誤差，一個周期內(nèi)單讀數(shù)頭最大測角誤差從125.91″降低至4.66″。根據(jù)JJF 1115—2004《光電軸角編碼器校準規(guī)范》，該轉(zhuǎn)臺的分度值與精度水平滿足市面上一級角位移傳感器檢測要求。

3.2 系統(tǒng)功能測試

本文實驗選擇市面上通用的歐姆龍角位移傳感器，2 000脈沖/圈，分辨率為648″。根據(jù)JJF 1115-2004《光電軸角編碼器校準規(guī)范》，設(shè)置轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為20°/s，30°采樣間隔，即1周12個檢測點。當完成1圈數(shù)據(jù)測試后，數(shù)據(jù)顯示界面如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)顯示界面

以自校準角度值為標準值，繪制角位移傳感器誤差曲線與6個讀數(shù)頭誤差曲線。從角位移傳感器誤差曲線圖可知，待校角位移傳感器最大誤差達到約900″，即該角位移傳感器測量誤差約為1.3個脈沖。從讀數(shù)頭誤差曲線可知，讀數(shù)頭最大誤差約160″，且呈現(xiàn)明顯周期性。最后根據(jù)檢測數(shù)據(jù)生成報表，用戶可直接打印檢驗報告，根據(jù)報告判斷待校角位移傳感器精度是否符合標準。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用對比檢測法，利用精密轉(zhuǎn)臺定位角作為比對基準，采用多讀數(shù)頭分組等分自校準方法提高轉(zhuǎn)臺精度，采用FPGA電路完成多路光柵讀數(shù)頭和角位移傳感器信號的同步采集，并行實現(xiàn)信號的細分辨向和自校準算法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，配置靈活，具有較高的精度水平，能夠完成高等級角位移傳感器的自動檢測任務(wù)。