线位移传感器自动化校准装置分析

曹洁

摘 要：线位移传感器作为计量仪表仪器装置的重要组成部分，直接与计量仪器仪表测量值的准确度挂钩，为保障质量计量工作的精确度，必须确保线位移传感器自动化校准装置的灵敏度。基于此，本文围测长仪的线位移传感器校准装置的工作原理和技术指标进行了讨论。

关键词：线位移传感器;自动化校准装置;原理

在当前的线位移传感器自动化校准装置中，测长仪线位移传感器校准装置，因其具有较强的综合检测能力和较快的校准速度，可以搭配各种类型的测头，胜任0.05级准确度及以下等级的计量仪器仪表的线位移传感器校准工作。

1.线位移传感器自动化校准装置概述

1.1工作原理

线位移传感器作为位移测量仪器的重要组成部分，主要用来测量线位移，工作原理是通过测量电感、电容以及电阻率的变化方式，将位移的变化轨迹转换为可供研究的电流或电压变化量，以此完成对位移行动的测量。在实际的质量计量工作中，线位移传感器自动化校准装置的校准水平，决定了线位移传感器和测量仪器的精准度和准确度[1]。在对线位移传感器进行校准时，主要是检位移传感器的重复性、灵敏度、线性度、回程误差等，确保校准结果的准效率。

1.2装置组成

线位移传感器自动化校准装置的组成部分有：基座、光栅尺、光栅尺读数传感器、控制面板、伺服电机、联轴器、锁紧螺母、固定拉杆、不锈钢导轨结构、电子手轮、水平调整装置等。

2.线位移传感器自动化校准装置的校准方法

为便于直观向读者展示线位移传感器自动化校准装置的校准方式，笔者在本文选了较为常见的直滑式电阻型位移传感器作为检测对象，检测用测长仪线位移传感器校准装置，具有1000 mm 的高精度光栅与一体成型的不锈钢导轨结构，能够满足后续的检测需求，计量长度L的单位是mm。

2.1校准流程

线位移传感器自动化校准装置以测长仪为基准，采用标准法对线位移传感器的精准度进行测量，在测量时，需要测量人员将检测用线位移传感器固定在检测工作台上，借助测长仪尾座侧头与传感器测量杆进行链接，按照实现设定好的测量数值对测长仪尾座和传感器测量杆进行移动，并由传感器测量杆向数据采集系统实时回传线位移传感器自动化校准装置的直线位移数据，然后借助预先设定好的计算机软件程序，采集对应的检测数据，并绘制可供研究与分析的图标或曲线图，获得线位移传感器自动化校准装置的重复性、灵敏度、线性度、回程误差等指标参数。

2.2校准前的准备工作

当被测量位移传感器的测量范围为200mm，在开始校准前，应先用传感器专用夹具或压板型夹具，将位移传感器固定到可调节高度的工作台上，然后将传感器测量杆拉到对应的测量长度，有规律的对长仪尾座进行移动，同时测量尾座测头轴线和测量杆轴线间的平行度，调整传感器固定位置，以确保其位置与实现设定的检测位置一致[2]。最后，将传感器接头与校准装置数据采集系统进行连接，以确保实验进行时，能够获得想要的测试数据。

2.3读取测量数据

等校准准备工作调试完成后，对传感器的输出范围进行调整，确保调整后的输出范围能够均匀的分布在预先设定好的11个校准点上，需要注意的是输出范围的设定，必须包含传感器测量范围的最高值和最低值，然后按照一定的顺序，对测定的出来的数据进行读取，单次测量循环必须包括正、反2个行程，至少测量3个循环。

2.4数据的计算与处理

对线位移传感器自动化校准装置检测数据进行计算和处理时，通常采用以下公式：

对位移测量的理想直线与实测特性曲线的满量程输出和最大偏差进行计算，从而得出所测系统的线性度。在这个公式中，Ef代表仪器线性度，YFS代表满量程输出，ΔLmax为理想值和实测量间的最大偏差。需要注意的是线性度（非线性误差）在计算时会将拟合直线作为基准计算的參考条件。因此，不同的基准线会得出不同的线性度。由于拟合直线有多重获取渠道，通常情况下采用的拟合直线多为理论直线，由此计算得出的检测系统线性度又被称作“理论线性度”[3]。而理论直线指的是满量程输出点和理论曲线坐标零点之间的连接直线。

本文所选用的观察对象-直滑式电阻型位移传感器的技术参数指标为：独立线性度0.5%，测量行程200mm。该测量范围内共有11各监测点，检测人员需要对这11各监测点的电压进行分别读取。按照公式（1）进行计算后，得出该滑式电阻型位移传感器的灵敏度是20.1V/mm，基本误差值是-0.2%，线性度是-0.1%，

2.5不确定度评定

为更好地对线位移传感器的误差进行校准，检测人员需要对校准工作的测量结果的不确定性进行测量，从而定量校准结果的分散性，验证线位移传感器自动化校准装置的适用范围。此次测定不确定度所选用的直滑式电阻型位移传感器的测量范围为0mm～1000mm，基本误差为±0.055%。

2.5.1基本误差值计算

该公式中，yi代表传感器在第i个校准点的输出量拟合输出值，yij代表传感器在第j次行程中处于第i个校准点的实际输出值;YFS代表满量程输出值，δ代表计算得出的移传感器基本误差值，当被检测用线位移传感器的使用环境条件和安装测量距离确定后，公式（2）中的yi和YFS可以按作常量来计算，整个公式中只有yij属于变量，在计算时需要会影响测量结果的相对不确定度。

2.5.2标准不确定度

该数据计算所选的线位移传感器自动化校准装置的测量范围为0mm～500mm，满量程输出值为10V，基本误差值为±0.2%，以此进行标准不确定度的测量。根据测量对象的不同，相对标准不确定度分量又分为u1、u2、u3、u4，其中：

u1是以测长仪示值误差来计算的相对标准不确定度分量;

u2是以数字多用表读数来计算的相对标准不确定度分量;

u3是以传感器重复性来计算的相对标准不确定度;

u4是以传感器回程误差来计算的相对标准不确定度。

它們的计算方法如下：

（1）以测长仪示值误差来计算引入的相对标准不确定度分量u1

标准不确定度分量u1在计算时所允许的最大测量误差为±（0.15+L/1500）μm，当实际测量距离为500mm时，假设所有测量点都属于均匀分布状态，k=3，其计算公式如下图所示：

u1 =0.0001%

（2）以数字多用表读数来计算引入的相对标准不确定度分量u2

标准不确定度分量u2在计算时的分辨力是0.0001V，由于分辨力偏小，能够引起的不确定度数值较小，在计算时可以忽略不计;该测量方法使用的数字多用表的测量量程是10V、引入相对误差是DCV±0.004%、直流测量相对示值误差限是DCV±0.03%，假设所有测量点都属于均匀分布状态，k=3，其计算公式如下图所示：

u2 =0.0175%

（3）以传感器重复性来计算引入的相对标准不确定度u3

标准不确定度分量u3的在计算时，要求重复性不得高于0.03%，据此得出的相对不确定度

u3=0.03%。

（4）以传感器回程误差来计算引入的相对标准不确定度u4

标准不确定度分量u4在计算时，要求位移传感器的基本误差为±0.2%，回程误差不得高于0.03%，假设所有测量点都属于均匀分布状态，k=3，得出的相对不确定度

u＼=0.03%/3=0.0173%。

2.6合成标准不确定度的计算

合成标准不确定度的计算与不确定度分量的各项影响数据互不相关，所得出的合成标准不确定度为

3.结束语

综上所述，线位移传感器自动化校准装置的问世，能够有效解决当前测量校准中存在的校准精度不高问题，为科研人员提供一种简单、高校、快捷的校准方法。因此，提高线位移传感器自动化校准装置的校准精准度，能够在现有技术水平上，将质量计量工作测试结果的准确度提到最高，为我国的尖端科技的研发奠定良好基础。

参考文献：

[1]杨勇，吴文峰，夏坤.位移传感器自动校准平台的设计与实现[J].电子测试，2019，000（008）：5-8.

[2]杨勇，王亚东，吴文峰，等.直流差动式位移传感器自动校准系统的设计[J].山东工业技术，2018，278（24）：129-131.

[3]郑西洋，许益民.一种差动变压器式位移传感器的建模仿真分析[J].自动化与仪表，2019，034（005）：90-94.

（常州检验检测标准认证研究院  江苏  常州  213164）