开发用于线性位移传感器校准的新型系统

摘要

本文介绍了一种半自动计量设备，该设备能够校准各种线性位移传感器，例如线性可变差动变压器（LVDT）、弦线电位计、激光位移传感器等。虽然已经有可用于测量各种形状和大小的物体的数据采集设备；但是，目前尚没有专门为位移传感器的校准量身定制的设备。我们正在研究和开发的这项新技术的优势有减少进行校准所需的时间、成本和人力资源。除此之外，一个可负担得起的校准设备的优点是允许在内部进行校准，而不用外包给专用设施。该项目的范围包括研究该设备是否符合ISO / IEC 17025标准，以获得国家技术评估委员会认证；设计研究以及材料和制造工艺的选择，以确保所有种类的线性位移传感器都能实现可接受的测量不确定度。这些传感器用于测量车辆和测试设备上的悬架位移，转向角和其他各种几何形状。该研究项目的成果提供了实验证据，证明了开发和制造能够产生可接受的不确定度，符合测试标准要求的设备的可行性，而成本仅为同类测量设备的一小部分。

关键字：校准；计量；测验设备; 线性位移；感应器

1 引言

尺寸计量学具有许多用于测量所有类型的几何形状的设备和装置，但没有专门设计用于校准线性位移传感器的设备。仪器的校准是一种配置过程，可根据公认的标准和范围提供测量的数值。事实证明，使用激光干涉仪进行高精度尺寸测量是获得高精度校准结果的有效方法。这些方法虽然非常准确，但由于所需的专业技术以及激光干涉仪设备的高校准成本，因此在现实世界中不易实现。

一种有趣的方法是使用无铁感应式位置传感器（I2PS）。这是一种新颖的设备，可测量高精度的线性位置，而不受辐射和外部磁场的影响，这对于国防应用而言是至关重要的，它们基于线性可变差动变压器（LVDT）构建。LVDT传感器用于液压和气动的各种机电设备中，用于测量机械力，包括力、压力或位移。该传感器具有两个通过公共磁芯的磁耦合线圈。磁路的磁阻是铁心位置（即位移）的函数。LVDT具有0.1％的误差，且成本低。这些系统可能使用复杂的模拟电子设备，难以调整和校准，但也有数学解决方案。

土地工程局认可的测试服务Monegeetta的数据采集和分析实验室（DAAL）在测试过程中使用了一系列线性位移传感器。在大多数程序中，DAAL进行的测试主要是通过NATA认证进行的。DAAL先前获得了用于线性可变差动变压器校准的NATA认证，其不确定度在0.1毫米至300毫米之间为读数的0.2％或0.06毫米（以较大者为准）。位移测量非常重要，可以使用各种系统进行。DAAL现在使用的线性位移传感器包括LVDT、线电位计和激光位移传感器，它们定期进行校准，以符合DAAL的测试要求。

除了机械串式电位器外，还有互补的金属氧化物半导体（CMOS）数字电位器或电阻式数模转换器，它们是各种混合信号电路和电子系统的重要组件。激光位移传感器由于其可靠性、刚性和非接触式操作而非常受欢迎，它们由发光器组成，例如激光二极管和光检测器，是包括微控制器和神经网络的智能电子设备。

数据采集和分析实验室以前使用的校准设备是Schaevitz CAL-1212校准器。 Schaevitz CAL-1212校准器没有足够的范围来校准DAAL中使用的弦电位计，也没有能力适应夹具或固定装置来容纳LVDT、线电位计和激光位移传感器。现在，所有校准均外包给外部公司。 串电位器的当前校准器提供0.220 mm的测量不确定度以进行校准。现在已为该项目分配了研究预算，期望的测量不确定度小于0.22 mm。

更容易获得且精度较低的测量设备可能更适合应用于传感器校准。各种自动化系统和机器人技术的比较表明，对于该应用而言，低复杂度的系统是可行的， 可以使运动线性且受单个轴约束的系统自动化。

2 初步研究

我们进行了一项市场研究活动，以确定可以用哪些商业校准设备以及这些项目的功能。研究的设备是Labconcept Nano、Pratt和Whitney激光测量机和Trimos V9， 探索了对国家测量研究所（NMI）的能力和位移计量方法的进一步研究。

国家测量研究所的几何测量设备和市场上现有的几何测量设备突出了设计功能的一致性。所有设备之间的主要一致性是：

bull;保持对准的直线导轨；

bull;位移测量装置（通常是激光干涉仪）；

bull;提供轴向位移的丝杠（CNC或手动控制）；

bull;温度采样；

bull;带有集成PC软件的专用工作台。

通过使用这些基本的设计功能并调整零件以适应所需的预算，使用知名零件制造商的已知值制定了具有95％置信区间的初步不确定性预算。表1中列出了从先前的校准报告中得出的合理预期值，其中U_i=不确定性估计值，k_i=降低因子，u（x_i）=标准不确定性，c_i=转换因子，v_i=自由度，u_c =组合标准不确定性，V_eff=有效自由度，k=覆盖因子，U₉₅=不确定性扩大。

表1 初步不确定性预算

不确定性的主要成分如图1所示。

从该比较可以看出，线性导轨和测量设备之间的平行度是最影响系统不确定性的。平行度未对准是由于测量设备和轨道不平行而引起的，从而导致测量误差。 为了缓解此问题，建议使用坐标测量机校正可能导致平行度未对准的组件。

要符合AS ISO / IEC 17025:2018，需要制定符合AS / NZS ISO 9001：2016质量管理体系–要求的认可测试服务认证的质量程序和文件。

图1 不确定因素的比较

3 系统说明

新的综合测量系统集成了机械，电气计算机和软件子系统，该系统的主要组件是：

bull;机械

○线性直线导轨，基板，传感器夹具，传感器直线导轨接口

bull;电气

○线性刻度尺（对于这种新颖的方法，选择了线性刻度尺作为测量设备），数字万用表，步进电机，电源

bull; 硬件

○NI DAQmx

bull;软件

○将使用LabVIEW软件连接数字万用表、线性刻度、步进电机驱动器，并使用.xls或.csv文件中的数据进行编译。

步进电机驱动的丝杠上的直线导轨将为传感器提供轴向位移。各种传感器将需要特定的夹具来轴向限制传感器并防止平行度误差。在开始每个校准程序之前，可以通过使用激光对准设备，对准夹具占位器和传感器-直线导轨接口来进一步减少平行误差。传感器与校准系统的连接，上电和复位是操作员需要采取的初始措施。此后，安装程序系统操作是自主的。

新型校准系统的组件如图2所示，该系统还连接到PC、数字万用表和电源，该图中未显示。

图2 新型校准系统结构图

系统的硬件和传感器配置如图3所示，系统软件在LabVIEW中编写，并且可执行版本将被加载到专用PC上。NI DAQmx用于连接步进电机、数字万用表和LabVIEW vi的数字读数，美国国家仪器公司的硬件和软件平台广泛用于数据采集，校准和控制。

图3 传感器和硬件配置

LabVIEW System.vi程序用于从用于配置校准参数设计的前面板开始执行系统， LabVIEW vi随后将执行校准，将步进电机驱动至第一个校准间隔。通过DAQmx硬件的LabVIEW vi将访问数字万用表和数字读数值，并将它们编译成数组，然后输出为文本文件或电子表格格式。LabVIEW将数据存储在用户定义的文件路径中，并针对每个传感器，LabVIEW代码的这一段如图4所示。

图4 保存测量数据控制程序的一部分

图5显示了主要LabVIEW vi执行校准的整个逻辑过程。完成校准测量过程的所有迭代后，LabVIEW将从线性刻度输出和数字万用表读数中收集数据，以创建数据点的曲线图和散点图。然后，应用程序分析确定系数，以定义测量的线性度。校准传感器后，软件会保存数据并将其编译为用户报告。

图5 系统功能流程图

4 可行性分析

并行度未对准调整和总体系统布局的要求将不需要常规工程实践之外的制造公差。该设备将在温度控制严格的实验室中使用，因此不需要温度采样。

为了确定设备的不确定性，需要进行校准。在线性刻度尺上进行了初步校准。 线性刻度尺的数字读数显示100.01毫米，进行了三项测量。

样本均值由式1得到：

（1）

样本标准差由式2得到：

（2）

均值的实验标准差（ESDM）（）由式3得到：

（3）

初步校准的结果在该项目可接受的不确定性范围内。

5 结论

提出了一种新颖的系统，以使校准设备能够以最少的资源在内部校准位移传感器。本报告中完成的可行性研究和初步不确定性预算的完成，使得该设备达到其预期的校准不确定性在技术上是可行的。需要进一步开发该系统，以使所有传感器类型都采用故障安全校准程序并确保整个系统符合AS ISO/IEC 17025:2018。

致谢

这项研究得到了位于澳大利亚蒙尼埃埃塔（Monegeetta）和澳大利亚墨尔本皇家墨尔本理工大学（RMIT University）的土地工程局认可测试服务部门的数据采集与分析实验室的支持。

基于激光干涉的电容式位移传感器校准方法

摘要

为了满足微推力测量前多次进行现场校准的要求，提出了一种基于激光干涉的新校准方法。在普通光学元件的基础上可以建立干涉光路，并且以532nm波长的可见光为光源可以简化光路的调整过程。校准原理是电容式位移传感器和激光干涉仪同步测量调整位移表后可移动金字塔棱镜的位置发生变化，并将激光干涉仪的测量结果作为参考位移进行传感器的校准。通过与传感器输出进行比较，分析计算与光程差相对应的条纹数的方法。通过实验验证该校准装置的实用性和准确性，最后对校准结果和相对误差进行分析。

关键字：位移传感器，激光干扰，校准，微推力测量

1 引言

为了确保航天器太空任务的有效完成，有必要在工程应用之前准确测量卫星微推力器的推力^[1]。满足微卫星指向和定位精度的推力通常约为mu;N-mN^[2-4]。当前的测量方法主要基于推力的基本动力效应，将推力转换为振动幅度或旋转位移^[5]。高精度位移测量是微推力测量的关键技术之一^[6]。

电容式位移传感器是微推力测量中常用的位移传感器之一^[7]。但是由于生产、加工和运输等因素的影响，电容式位移传感器的实际和理论特性之间会有一些偏差^[8]。因此，在微推力测量之前经常需要校准位移传感器。但是这些传感器目前主要是在严格的环境中进行校准的，成本高昂且仪器复杂，通常需要很长的时间^[7-9]。因此，有必要研究一种常规条件下快速简便的校准方法。

本文提出了一种基于激光干涉仪的位移传感器校准方法，并进一步确定了相应的数据处理和误差分析方法。

2校准原理

激光干涉仪具有测量速度快、精度高、无接触等优点，因此被广泛用作国际标准^[10]。基于分析电容式位移传感器原理，我们确定了校准方案。

2.1电容式位移传感器的原理

电容式位移传感器是基于理想的平板电容器设计的，如图1所示，探头作为一个电极工作，被测导电物体作为另一对电极工作，电容值因两者之间的距离变化而相应地变化。屏蔽电极能克服边缘效应的影响，并确保被测电场具有较高的均匀稳定性^[11]。

图1 电容式位移传感器的位移测量原理

不考虑边缘效应，平板电容器C的电容值为：

（1）

在电容器上施加交流电压时，电容器的阻抗为：

（2）

电容的电流和电压的关系为：

（3）

如果I保持恒定，则U和d呈线性关系，并且可以通过U获得d。 最后d通过传感器控制器中的电路数字输出。

2.2校准方案

校准原理是在相同位移d下同时保存激光干涉仪d_r的测量结果和传感器d_s的结果，并将d_r作为参考。

图2为测量d_r的光干涉原理，该原理基于迈克尔逊干涉仪原理，由激光、光阑、金字塔棱镜、分束器和光电二极管组成。金字塔棱镜固定在铝块中，由可移动棱镜和参考棱镜组成。两个干涉光束的光强转换为电压信号，由数据采集卡记录该电压信号。

沿入射激光的方向可以调整可移动金字塔棱镜的位置，若调整位移为Delta;L₁，则对应于两个干涉光束相位差的光程差为

（4）

对应于Delta;ϕ的光强度I的变化为

（5）

如果Delta;L₁改变lambda;/ 2，则光强度I会随着周期变化。若测量到干涉条纹的数量为Delta;N，则可以计算出Delta;L₁为

（6）

图2 基于光干涉的校准结构示意图

以步长为50mu;m，用前后过程调节方法调节L₁，在位置d_s=50k（k=1,2，...,20）（单位：mu;m）处记录激光干涉仪的位移结果d_r。在每个位置记录5次，因此总共可以获得100个组（d_r，d_{s 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

资料编号：[238343]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word