激光位移傳感器工作溫度條件下的校準(zhǔn)

關(guān)鍵詞： 計量學(xué); 激光位移傳感器; 位移校準(zhǔn)裝置; 溫度條件

中圖分類號： TB9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）02–0127–05

0引言

線位移傳感器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、易于使用等特點而廣泛應(yīng)用于工程測量、先進(jìn)制造、航空航天等領(lǐng)域，已成為一種不可或缺的長度測量傳感器。激光位移傳感器作為線位移傳感器的一種，具有較高的測量精度和響應(yīng)速度，已應(yīng)用于晶圓檢測[1]、列車車輪幾何參數(shù)的在線檢測[2]、表面形貌[3]、齒輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)件幾何參數(shù)快速檢測[4-7] 等方面。

目前線位移傳感器依據(jù)JJF 1305—2011《線位移傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》要求，在溫度（20±2） ℃、溫度變化小于1 ℃/h 的環(huán)境下開展計量校準(zhǔn)。但在工程應(yīng)用領(lǐng)域，線位移傳感器的應(yīng)用工況遠(yuǎn)比實驗室環(huán)境復(fù)雜，尤其在裝備制造、國防軍工等領(lǐng)域，使用中的環(huán)境溫度通常在–70 ～ 100 ℃ 之間，且常常存在環(huán)境溫度劇烈變化的情況[8]。由于傳感器的輸出特性受溫度條件影響而變化，使得實驗室內(nèi)開展的校準(zhǔn)工作并不能充分反映傳感器在實際應(yīng)用工況下的情況[9-11]。

目前，對于計量場景下的線位移傳感器工作溫度條件下的校準(zhǔn)問題研究較少，尚未形成主流的研究成果，這主要受機(jī)械結(jié)構(gòu)熱變形規(guī)律難以描述、測量標(biāo)準(zhǔn)置于變溫場中不滿足溯源條件等因素影響。目前對于線位移傳感器在工作溫度條件下的輸出情況，仍通過常溫下校準(zhǔn)配合熱膨脹系數(shù)的修正而間接獲得。文獻(xiàn)[12] 利用高低溫箱與電機(jī)絲杠機(jī)構(gòu)設(shè)計傳感器工作溫度條件下的校準(zhǔn)系統(tǒng)，通過熱誤差預(yù)測與補(bǔ)償技術(shù)減小高低溫箱內(nèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)熱變形對傳感器校準(zhǔn)產(chǎn)生的影響。然而，機(jī)械結(jié)構(gòu)熱誤差通常難以通過理論模型進(jìn)行精確描述，隨著結(jié)構(gòu)運(yùn)行磨損等情況變化，熱補(bǔ)償模型存在失穩(wěn)或過補(bǔ)償?shù)目赡埽试摲椒ù嬖谝欢ǖ木窒扌訹13-15]。

本文利用激光干涉儀作為測量標(biāo)準(zhǔn)，通過熱膨脹系數(shù)較低的材料作為位移傳遞部件設(shè)計校準(zhǔn)裝置，實現(xiàn)對激光位移傳感器在工作溫度條件下的校準(zhǔn)。該方法中的測量標(biāo)準(zhǔn)仍置于20℃ 下，不受校準(zhǔn)環(huán)境影響，且無需進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償，易于實現(xiàn)、穩(wěn)定性好。

1校準(zhǔn)裝置設(shè)計

對激光位移傳感器實施工作溫度下的校準(zhǔn)，通?？刹捎脙煞N方案。其一，將測量標(biāo)準(zhǔn)與被校準(zhǔn)傳感器置于同一溫度場中，但該方法破壞了測量標(biāo)準(zhǔn)的溯源條件，因此在計量場景下并不采用。其二，設(shè)計位移傳遞機(jī)構(gòu)，將實驗室環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)位移傳遞至校準(zhǔn)用的溫度場中，但考慮到位移傳遞機(jī)構(gòu)自身會發(fā)生熱變形，因而一般采用熱誤差預(yù)測與補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。

由于前述的熱誤差補(bǔ)償技術(shù)自身的局限性問題，本文考慮用熱膨脹系數(shù)較低的材料設(shè)計位移傳遞機(jī)構(gòu)，以提高校準(zhǔn)裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性。校準(zhǔn)裝置如圖1所示。

恒溫箱作為線位移傳感器工作環(huán)境模擬裝置，被校準(zhǔn)的激光位移傳感器置于恒溫箱艙內(nèi)，并通過可調(diào)工作臺進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)，恒溫箱側(cè)面開孔將位移傳遞機(jī)構(gòu)伸入其中。位移傳遞機(jī)構(gòu)伸入恒溫箱內(nèi)，靠近被校準(zhǔn)的激光位移傳感器的方向，設(shè)置有傳感圓盤，作為激光位移傳感器的漫反射面。恒溫箱外，直線滑臺帶動位移傳遞機(jī)構(gòu)，并在共線方向布置激光干涉儀作為測量標(biāo)準(zhǔn)以盡量滿足阿貝原則，整個校準(zhǔn)系統(tǒng)置于精密空調(diào)控制的20℃恒溫實驗室內(nèi)。該裝置使用Renishaw公司的激光干涉儀，型號為XL-80，測量范圍0～40m，最大允許誤差±0.5x10^-6L（測量長度L單位為m）。本文中的校準(zhǔn)裝置的測量范圍為0～200 mm。

為避免位移傳遞機(jī)構(gòu)伸入恒溫箱內(nèi)的部分發(fā)生熱變形產(chǎn)生測量誤差，選擇線膨脹系數(shù)較小的材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，表1 給出了幾種線膨脹系數(shù)較小的材料。其中因瓦合金是目前已知的合金材料中線膨脹系數(shù)最小的，其制成的因瓦標(biāo)尺廣泛應(yīng)用于測繪類水準(zhǔn)標(biāo)尺。但由于因瓦合金材料重量較大，且加工因瓦合金需要使用特殊刀具，因而因瓦合金制成的傳動部件較為少見。微晶陶瓷是一種新型陶瓷材料，由于具有較小的線膨脹系數(shù)，且可用標(biāo)準(zhǔn)金屬加工設(shè)備進(jìn)行加工，近年來開始有較多應(yīng)用。

本文中分別用石英玻璃與微晶陶瓷材料設(shè)計可替換的位移傳遞機(jī)構(gòu)以進(jìn)行對比，考慮到石英玻璃材料的透光性對激光位移傳感器的影響，位移傳遞機(jī)構(gòu)的傳感圓盤表面噴涂深色不透光涂料。

2試驗方法

利用本文所述校準(zhǔn)裝置，將被校準(zhǔn)的激光位移傳感器安裝于可調(diào)工作臺，驅(qū)動直線滑臺在校準(zhǔn)裝置測量范圍內(nèi)運(yùn)行，調(diào)節(jié)激光位移傳感器的裝夾姿態(tài)，使得激光位移傳感器的測量方向與校準(zhǔn)裝置的位移輸出方向共線，減小阿貝誤差。

關(guān)閉恒溫箱艙門，設(shè)置溫度至目標(biāo)環(huán)境溫度，當(dāng)艙內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，整個系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行足夠時長的溫度平衡后方可開展校準(zhǔn)。以本文為例，使用激光位移傳感器進(jìn)行溫度平衡試驗，得到傳感器輸出與時間的關(guān)系如圖2 所示。具體實施中，溫度平衡時間與傳感器體積、材料等因素均有相關(guān)。

校準(zhǔn)過程對整個行程內(nèi)均勻分布取11個校準(zhǔn)點（包含首尾），以正、反兩個行程為一個測量循環(huán)，共測量三個循環(huán)。用最小二乘原理計算直線方程，其一元線性回歸方程為：

分別利用石英玻璃和微晶陶瓷兩種材料制成的位移傳遞機(jī)構(gòu)，在不同溫度下進(jìn)行試驗，并通過傳感器數(shù)據(jù)的基本誤差、線性度、回程誤差、重復(fù)性等幾個方面的指標(biāo)進(jìn)行比較。

3試驗結(jié)果及分析

3.1校準(zhǔn)實驗結(jié)果

從5 ℃開始至45 ℃，利用上文所述的校準(zhǔn)方法，每隔5 ℃ 對傳感器進(jìn)行一組包含三個測量循環(huán)的校準(zhǔn)試驗，并依據(jù)實驗數(shù)據(jù)對傳感器在各溫度點的基本誤差、線性度、回程誤差、重復(fù)性進(jìn)行評價。

3.1.1基于石英玻璃位移傳遞機(jī)構(gòu)的結(jié)果

安裝石英玻璃傳遞機(jī)構(gòu)至校準(zhǔn)裝置，對激光位移傳感器在0～200mm范圍內(nèi)實施重復(fù)測量。此外，為探究校準(zhǔn)裝置在模擬環(huán)境溫度時，對傳感器的性能是否造成負(fù)面影響，利用本校準(zhǔn)裝置，在恒溫箱不工作、艙門開啟狀態(tài)下，經(jīng)整個裝置在實驗室20 ℃充分平衡溫度后，對同一傳感器進(jìn)行一組包含三個測量循環(huán)的校準(zhǔn)實驗。

將數(shù)據(jù)整理、分析后，得到傳感器在各溫度點的性能評價，結(jié)果如表2所示。表中，20 ℃（工作）表示在環(huán)境模擬溫度開啟狀態(tài)下的傳感器測量結(jié)果，20 ℃（實驗室）表示傳感器在實驗室溫度環(huán)境狀態(tài)下的測試結(jié)果。

通過對比表2的數(shù)據(jù)，可見工作溫度組的傳感器線性度等數(shù)據(jù)與實驗室溫度組基本相當(dāng)，可知校準(zhǔn)裝置環(huán)境模擬開啟對傳感器校準(zhǔn)結(jié)果并未產(chǎn)生顯著負(fù)面影響。

3.1.2基于微晶陶瓷位移傳遞機(jī)構(gòu)的結(jié)果

安裝微晶陶瓷傳遞機(jī)構(gòu)至校準(zhǔn)裝置，對同一激光位移傳感器實施重復(fù)測量。同樣的，利用本校準(zhǔn)裝置，在恒溫箱不工作、艙門開啟狀態(tài)下，經(jīng)整個裝置在實驗室20 ℃ 充分平衡溫度后，對同一傳感器進(jìn)行一組包含三個測量循環(huán)的校準(zhǔn)實驗。

經(jīng)分析后，得到傳感器在各溫度點性能評價，結(jié)果如表3 所示。表中，20 ℃（工作）表示在環(huán)境模擬溫度開啟狀態(tài)下的傳感器測量結(jié)果，20 ℃（實驗室）表示傳感器在實驗室溫度環(huán)境狀態(tài)下的測試結(jié)果。

通過對比表3 中的數(shù)據(jù)，可見工作溫度組的傳感器線性度等數(shù)據(jù)與實驗室溫度組基本相當(dāng)，可知校準(zhǔn)裝置環(huán)境模擬開啟對傳感器校準(zhǔn)結(jié)果并未產(chǎn)生顯著負(fù)面影響。

3.2時間穩(wěn)定性實驗結(jié)果

由于校準(zhǔn)裝置的位移傳遞機(jī)構(gòu)含有懸臂結(jié)構(gòu)，為探究校準(zhǔn)裝置的時間穩(wěn)定性，了解懸臂結(jié)構(gòu)變形對校準(zhǔn)產(chǎn)生的影響，利用同一激光位移傳感器進(jìn)行時間穩(wěn)定性實驗。將校準(zhǔn)裝置在安裝位移傳遞機(jī)構(gòu)的狀態(tài)下，靜置1個月后，再次對傳感器進(jìn)行重復(fù)測量。分別對安裝有石英玻璃位移傳遞機(jī)構(gòu)和微晶陶瓷位移傳遞機(jī)構(gòu)的裝置進(jìn)行實驗。

經(jīng)過1個月后，安裝石英玻璃位移傳遞機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)裝置在進(jìn)行測量時發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)線性度明顯下降，如圖3所示為在45°時對同一傳感器進(jìn)行三組重復(fù)測量，可見在20、70、100mm 處的非線性顯著。在其它溫度點的測量結(jié)果見表4。

同樣的，經(jīng)過1個月后，利用安裝微晶陶瓷位移傳遞機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)裝置對同一位移傳感器進(jìn)行測量，測量結(jié)果的線性度、重復(fù)性等參數(shù)均未見異常，詳見表5。對比表3與表5可見該裝置具有更好的時間穩(wěn)定性。

考慮排除其他因素對校準(zhǔn)裝置時間穩(wěn)定性測量結(jié)果的影響，將石英位移傳遞機(jī)構(gòu)的桿結(jié)構(gòu)單獨拆下，并靜置于平板上若干時間后，再次安裝、測量，測量結(jié)果重新恢復(fù)正常。因而通過對比可知，微晶陶瓷材料制成的位移傳遞機(jī)構(gòu)具有更好的時間穩(wěn)定性。

4結(jié)束語

激光位移傳感器在使用中，存在工作溫度偏離校準(zhǔn)溫度的情況。為了對激光傳感器工作溫度下的輸出情況進(jìn)行校準(zhǔn)，研制專用校準(zhǔn)裝置，并利用線膨脹系數(shù)較小的石英玻璃與微晶陶瓷材料作為位移傳遞機(jī)構(gòu)的主要部件，對同一激光位移傳感器在不同溫度下進(jìn)行試驗對比，得到如下結(jié)論：

1）基于石英玻璃與微晶陶瓷材料的校準(zhǔn)裝置均可以在試驗溫度點下較好得跟蹤傳感器的輸出；

2）相比于石英玻璃材料，微晶陶瓷材料作為主要位移傳遞部件的校準(zhǔn)裝置具有更好的時間穩(wěn)定性。