直流差动式位移传感器自动校准系统的设计

杨勇 王亚东 吴文峰

摘 要：针对差动式位移传感器，设计了一套高效率、高精度、大行程的专用线位移传感器自动校准系统。详细设计了校准系统的组成结构、测控软件，具体分析了校准系统和校准方法的测量不确定度。整个校准过程由计算机控制，采用伺服电机驱动精密直线运动机构，选取光栅尺作为差动式位移传感器的标准位移输入，通过分析差动式位移传感器的输入输出关系实现对其的自动校准。试验分析表明，该系统可以对精度等级0.01以上的直流差动式位移传感器进行自动校准。

关键词：绝对式光栅尺；直流差动式位移传感器；自动校准；动态特性；测量不确定度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.108

0 引言

直流差动变压器式位移传感器（LVDT）是线位移传感器中最常见的一种，可用于测量位移、距离和应变量等长度尺寸，在机械制造业和工业自动检测领域中占有重要地位，为保证传感器使用的可靠性和测量精度，根据国标规定需要对灵敏度、基本误差、线性度、回程误差和重复性等主要计量特性做定期校准[1]。目前国内二、三级计量室主要是利用常规测长设备进行线位移传感器的校准，国防科技工业计量测试中心是利用激光干涉比长仪进行线位移传感器的手动校准，而西安所是使用万能测长仪进行线位移传感器手动校准，成都所研制了一台行程为1000mm、准确度为0.01mm的大行程位移传感器自动校准装置，NPL研制了一套行程为50mm、准确度为0.05μm高精度位移传感器自动校准装置[2]。

随着自动化水平的不断提高，传感器的需求越来越多，质量要求也越来越高。然而常规的位移传感器手动校准装置，工作量大，测量繁琐且效率低，校准精度也不易保证，现有的位移传感器自动校准装置又不能同时满足大行程和高精度两方面的要求。而且，现有的校准装置只进行了位移传感器静态特性的测试校准，而缺乏对动态特性的测试校准。因此，为了提高测试效率、测试精度、测试范围，本文设计了一套高效率、高精度、大行程的专用线位移传感器自动校准系统。该系统以多种型号的直流差动变压器式位移传感器为测试对象，对传感器的静态特性和动态特性都进行了测试校准，实现了校准过程的自动化、快速化与高精度。

1 系统结构原理

位移传感器功能是将直线机械位移量转换成电信号。对于直流差动变压器位移传感器，是基于变压器工作原理，采用直流电源供电。其原边有一个绕组，副边的两个绕组按差动方式连接，变压器开口上有一活动铁芯，该铁芯产生位移时使磁路改变，从而使输出差动电压随之改变[3]。

1.1 系统组成结构

位移传感器自动校准系统主要由激励电源、测控软件、测量装置、伺服驱动装置及标准器装置五部分组成。如图1所示。

（1）激励电源：多功能交直流稳压源，为位移传感器提供稳定的工作电源。

（2）测控软件：装有win7系统的计算机，主要功能是完成对位移传感器标准器装置的的控制，以及对其输出信号量存储和运算，以及最终按要求呈现测试结果。

（3）测量装置：数字示波器和数字万用表，主要功能是用带USB接口的测量装置，可将读取的传感器输出量传输到电脑。

（4）伺服驱动装置：运动控制卡、伺服驱动器及伺服电机等，主要功能是平稳快速驱动伺服电机拉伸位移传感器完成标准要求位移。

（5）标准器装置：位移传感器、光删尺、底座、导轨、夹具等，主要功能包括试品的安装固定、位移传感器完成标准要求位移后，能对外输出要求的信号量。

1.2 系统工作原理

系统工作原理：由电脑控制整个测量系统，由步进电机发送驱动脉冲、光栅尺产生标准位移、位移传感器信号采集以及数据分析处理，结果的显示和报告的生成等[4]。如图2所示。

登录PC机上的测控软件系统，输入相应的校准信息和参数，选择测试校准的项目，系统根据选择的测试项目和输入的校准信息，生成或选择相应的伺服驱动控制逻辑、数据采集控制逻辑。PC机根据相应的测控逻辑发送命令给PCI运动控制卡，驱动伺服电机通过传动丝杆带动位移传感器的拉杆作平行于导轨的直线运动[5]。位于导轨上的绝对式光栅尺将位移信号反馈给数据采集单元，获得计量所需的标准位移量，并实现对设置位移量的闭环控制[6]。同时，数字万用表和数字示波器读取线位移传感器的输出信号并通过USB总线反馈给数据采集单元，获得传感器的实际测量值。然后，通过PC机上的测控软件，以绝对式光删尺的位移测量值作为基准，将采集到的数据按测试项目原理进行计算，实现对线位移传感器的自动校准。

1.3 测试项目原理

该位移传感器自动校准系统主要用于在常温条件下，测算直流差动变压器式位移传感器技术指标用。适用的测试项目范围包括多项静态指标和动态指标。

静态特性指标包括：机械行程、输出阻抗、基本误差、非线性误差、回程误差、重复性误差、零点漂移等。

1.4 测控软件系统

校准系统的测试控制软件，基于Visual Studio 2012平台和C++語言开发。由登陆界面、试验设置界面、测量界面、数据调用界面等组成。能够以word形式自动生成原始记录并导出/打印，可对原始记录格式及内容进行编辑。具有SQL Server数据库通讯功能，能够与外部软件实现数据交互。

（1）登陆界面：包含输入框信息：“请输入操作密码并按此登

入，非专业人员禁止操作”。

（2）试验设置界面：包含试品类型选择、试验项目选择、试验参数设置等；需保存前一次试验操作的参数设置，在启动时系统需进行自检，并提示操作人员目前参数设置状态，避免系统断电后反复的参数设置；可对已配置参数信息进行存储和调用。

（3）测试校准界面：自动采集、显示、记录和分析试验数据，试验过程中能够在界面上实时显示位移量、电压、电流的情况，按需求显示计算：量基本误差、线性度误差、非线性度误差、回差、重复误差等；包含报警、读数等各种设置；具有试验启停、试验次数清零、故障清零等功能。测试校准界面如图3所示。

（4）数据调用界面：对已完成的试验项目可实现数据的存储和调用，以便试后进行相关分析。

2 不确定度分析

为验证系统的适用性，需对系统进行不确定度分析。影响传感器测量结果的主要因素有光栅尺的测距误差、数字多用表的测量误差、测量重复性、回程误差、环境条件、安装误差等[10]。系统测试范围为2m，选用一个精度等级为0.01、测量范围为0～2000mm、满量程输出为+10V的线位移传感器进行分析。

2.1 标准不确定度的评定

2.2 测量不确定度评估

使用该套校准系统，对0～2000mm测量范围内，不同技术指标的直流差动式位移传感器的测量不确定度如表1[11]。

分析可知，使用这套直流差動式位移传感器自动校准系统进行测试校准工作所获得的试验结果可靠，符合《JJF 1305-2011校准规范》的基本要求。

3 试验结果与分析

以米朗LVDTC20-A-100mm型直流差动变压器式位移传感器为测试对象进行试验，其测量范围为0～100mm，标称精度为0.2。执行标准为《JJF 1305-2011线位移传感器校准规范》，三次循环测回试验数据如表2所示，测试校准结果如表3所示。

将测试校准结果与《GB/T 28857-2012直流差动变压器式位移传感器》中与准确度有关的技术指标进行比对，可知该试品合格。

4 结语

该位移传感器自动校准系统准确度为0.1μm，单向传感器测量范围为1～2000 mm，双向传感器测量范围为±1～±600mm，可对两线制电流型输出4-20mA和三线制电压输出0-5V/0-10V精度等级0.01以上的直流差动式位移传感器进行自动校准，实现了微米级高精度、大行程位移的测量。在自动控制进行试验的过程中，校准系统主要对位移传感器监测的位移量进行自动控制、对位移传感器的输出量进行自动采集、对采集到的数据进行自动计算，可通过计算机软件测控系统按照预先设定好的试验步骤选择进行单个试验项目，或连续完成多个试验项目，提高了校准的效率和可靠性。该系统不仅可以对位移传感器的静态特性进行校准，而且还可以对其动态特性进行评估，为线位移传感器的合理有效使用提供了参考。

参考文献：

[1]陶松威.拉杆式线位移传感器校准系统[J].电子世界，2014（18）：25-26.

[2]李昕.线位移传感器自动校准装置研究[D].西安：西安电子科技大学，2014：3-4.

[3]丁勇.差动变压器式位移传感器测量系统研究[D].上海：东华大学，2017：9-10.

[4]陈洪侠.基于LabVIEW的直线位移传感器校准装置[J].中国科技信息，2017（16）：60-62.

[5]黄梓劲.线位移传感器自动化校准装置的探讨[J].科技与创新， 2017（17）：139-140.

[6]左龙剑，周庆敏.基于PCI总线的全闭环交流伺服控制系统[J]. 微计算机信息，2009（10）：52-53.

[7]国家质量监督检验检疫总局.GB/T 28857-2012直流差动变压器式位移传感器[S].北京：中国标准出版社，2012：7-8.

[8]孙强.高精度绝对式光栅尺研究进展及技术难点[J].世界制造技术与装备市场，2012（05）：72-73.

[9]成晓南.差动变压器式位移传感器动态误差分析及补偿技术研究[D].武汉：武汉科技大学，2015：22-23.

[10]国家质量监督检验检疫总局.JJF 1305-2011线位移传感器校准规范[S].北京：中国标准出版社，2011：8-9.

[11]国家质量监督检验检疫总局.JJF 1059.1-2012测量不确定度评定与表示[S].北京：中国标准出版社，2012：5-6.

基金项目：上海市电站自动化技术重点实验室（13DZ2273800）

作者简介：杨勇（1992-），男，山西忻州人，硕士研究生，研究方向：电力系统先进检测技术。