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拉桿式線位移傳感器校準系統2
來源：拿度科技
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時間：2023-05-12 08:55
拉桿式線位移傳感器校準系統
作者：李 季 張 濤 權伊明
線位移傳感器作為測量直線位移的精密器件，廣泛應用于航空航天、電力、水利等多個行業的測試任務。拉桿式線位移傳感器通過拉桿伸縮將直線位移變化轉化為相應的電信號輸出，是最為常見的線位移傳感器，其計量性能優劣直接影響到整個測試系統的性能及測試數據的有效性。為確保傳感器的精度和可靠性，需定期對其進行校準，根據具體情況，選擇合理的校準手段。
本文介紹一種基于激光干涉儀和數字多用表作為標準器搭建的拉桿式線位移傳感器校準系統，采用一米萬能工具顯微鏡作為導軌及位移粗定位裝置，激光干涉儀記錄傳感器在各個校準點的位移值，同時利用數字多用表讀取傳感器輸出電信號，獲得輸入 － 輸出關系，進而計算得出被校傳感器的靈敏度、基本誤差、線性度、回程誤差、重復性等主要計量特性。經實驗驗證，該系統精度高、重復性好，適用于小批量、高精度拉桿式線位移傳感器的校準工作。
1 校準系統構成及校準方法
本系統采用 API 公司 DS5LS 型激光干涉儀作為長度標準器，將激光干涉儀 5 － D 傳感單元和被校拉桿式線位移傳感器的測桿固定在萬工顯的主顯微鏡臂架上，傳感器的外殼裝夾在萬工顯的玻璃工作臺上。激光頭安裝在測量運動方向的延長線上，傳感單元與激光頭之間采用電纜連接，接通傳感器電源并與數字多用表連接。
進行校準工作之前應調節傳感器、傳感單元及激光頭的安裝位置，使傳感器測桿直線運動方向與萬工顯縱軸一致，移動時測桿不與外殼發生干涉，激光干涉儀在傳感器的整個量程中均有有效示值。按照說明書連接傳感器電源，并選擇數字多用表的測量檔位。開展校準工作，移動萬工顯縱軸調整位移傳感器輸出范圍，在其輸出范圍內大致均布取 11 個校準點，通過萬工顯粗定位到各個校準點，按順序分別記錄激光干涉儀給出的位移值和各校準點上的信號輸出值，以正、反兩個行程為一個測量循環，共測量三個循環。
2 校準結果測量不確定度評定
以準確度等級 0. 1 的直流差動變壓式線位移傳感器為例進行測量不確定度評定。傳感器測量范圍上限為 100mm，滿量程輸出為 10V，基本誤差要求為± 0. 1% 。
2. 1 不確定度來源
影響傳感器基本誤差測量結果的主要因素有標準器( 激光干涉儀的測距誤差、數字多用表的測量誤差) 、測量重復性、回程誤差、環境條件、安裝誤差等。
2. 2 標準不確定度評定
2. 2. 1 激光干涉儀測距誤差引入的不確定度分量 u1
激光干涉儀測距的最大允許誤差為 ± ( 0. 03 +0. 5L) μm，忽略固有誤差，只考慮與測量距離有關的相對誤差。由于被校準傳感器 100mm 的測量上限對應于滿量程 10V 的輸出，因此相對于滿量程輸出而言，激光干涉儀測距誤差引入的不確定度分量由下式估算，按均勻分布處理。
2. 2. 2 數字多用表引起的不確定度分量 u2
數字多用表測量時，分辨力引起的不確定度可以忽略不計，測量量程選擇為 10V，按均勻分布處理。
2.2. 3 安裝誤差引入的不確度分量
安裝誤差主要有阿貝誤差和余弦誤差。實際安裝時，合理布局激光干涉儀和傳感器，調整測頭運動方向與一米萬能工具顯微鏡的導軌方向一致，以便消除阿貝誤差和余弦誤差的影響，這樣安裝誤差引入的不確定度分量可以忽略不計。
2. 2. 4 重復性引入的不確定度分量 u3
測量重復性引入的不確定度分量采用 A 類評定法。對被校傳感器正行程 100mm 點在重復性條件下重復測量 10 次。由貝塞爾公式計算得出單次實驗標準偏差 s 為0. 00028%，由測量重復性引入的不確定度分量。
2. 2. 5 回程誤差引入的不確定度分量 u4
計算出被校傳感器的回程誤差為 0. 01% ，按均勻分布處理。
2. 2. 6 環境條件的影響
環境條件的影響主要表現為室溫的變化，即被校準傳感器與儀器的溫度差異等方面。只要在校準規范規定的環境條件下進行校準，以上因素的影響可以忽略不計。
2. 3 合成標準不確定度
2. 4 擴展不確定度
取包含因子 k = 2，擴展不確定度為: U = kuc = 2 × 0. 0061% ≈0. 013%
3 結論
本文搭建的校準系統精度高、重復性好，可以滿足量程 1000mm 以內的高精度拉桿式線位移傳感器校準工作，滿足了該類傳感器量值溯源的需要，提升了筆者所在線位移傳感器校準方面的能力，同時也為其它類型線位移傳感器的校準提供了思路。
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