基于对比检测法的角位移传感器检测系统

2019-11-05李鹭翔朱维斌叶树亮

仪表技术与传感器 2019年10期

李鹭翔，朱维斌，黄垚，薛梓，叶树亮

(1.中国计量大学工业与商贸计量技术研究所，浙江杭州 310018 ；2.中国计量科学研究院，北京 100029)

0 引言

角位移传感器是基于莫尔条纹计数方法的角度测量传感器，具有高精度、高集成度、高可靠性和抗干扰能力强的优点，被广泛应用于航空航海、精密加工、生产制造等国防、工业、民生领域。受生产加工和机械部件精度影响，偏心、倾斜、轴跳等问题不可避免，这些都会降低角位移传感器[1]的设计精度，角位移传感器的检测和校准工作也因此变得格外重要[1-2]。

目前，德国PTB、日本NMIJ和俄罗斯门捷列夫实验室在角度测量领域处于领先水平，其角度基准装置精度分别达到了0.01″、0.01″和0.03″。在国内，国家计量院研发的角度基准装置精度达到了0.05″[3-6]。在角位移传感器的误差检测方面，日本国立高级工业科技研究所的检测系统不确定度为±0.05″，但是仅仅能够在实验室进行工作。

角位移传感器误差检测主要有多面棱体结合自准直仪检测和精密转台对比检测2种方式[7]。多面棱体结合自准直仪检测过程复杂，同时受到机械安装、棱体精度等因素影响[8]；对比检测法的系统相对简单，其关键为精密基准转台[9]。

本文提出了一种基于精密转台的角位移传感器自动检测系统，对转台中的光栅编码器布置多个读数头，利用自校准技术保证精密转台光栅编码器的精度。检测系统采用FPGA电路完成多路光栅读数头和角位移传感器信号的采集与处理，并实现自校准算法；在上位机通过电机完成转台自动控制，并获取测试数据，完成数据保存，输出测试报告。这个系统自动化程度高，安装要求低，能够有效提升角位移传感器的检测效率。

1 检测系统原理

本文基于对比检测法设计角位移传感器自动检测系统，以精密转台为检测过程的高精度角度基准，以圆光栅为角度测量传感器，采用自校准技术来提升转台定位精度，提供圆周360°范围内的连续、高精度角度比对检测标准。系统结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

对比检测法要求基准角度的精度最好能够优于待检角位移传感器精度一个数量级，最低要求为3倍，因此精密转台的精度保证是设计的关键，系统中采用自校准技术予以精度保证。

自校准法源于等分平均(EDA)角度测量技术，通过在圆光栅盘上多组等间距读数头优化布局，高效抑制安装偏心误差等因素带来的各阶谐波误差分量[10]。等分平均算法表示为

(1)

式中：Mn为n等分平均角度测量结果；Ri(i=1，2，3，…，n)为第i个读数头的角度测量结果。

将多组具有不同平均分布个数的读数头放置在同一圆光栅盘上，可以形成整体不等间距读数头布局方式。本系统中使用3-4的2组等距平均分布组合方式完成自校准。读数头分布如图2所示。

图2 光栅读数头位置示意图

图中，2组等间隔分布读数头共用了R1读数头，其对应自校准角度输出值为

(2)

式中：M3=(R1+R3+R5)/3；M4=(R1+R2+R4+R6)/4。

通过组合方式，图2所示读数头放置方式能够达到12个读数头等分平均效果，更有效抑制噪声，保证转台精度。

2 检测信号处理

由于精密转台中安置了6个光栅读数头，自校准算法需要传感器测量数据并行处理，系统采用FPGA芯片承担多路数据并行处理任务[11]。信号处理流程如图3所示。

图3 系统信号处理流程示意图

读数头输出经过信号预处理后，在FPGA电路中完成细分辨向和自校准算法，再经过USB通讯由上位机进行角位移传感器的功能检测。

光栅信号细分是提升测量分辨率、保证测量精度的有效手段和重要环节。在FPGA电路中，对2路正交方波数字信号进行四细分以提高测角分辨率，同时辨别方向以判断角度的增减。

圆光栅输出2路相位差为90°的方波信号A和B。其在转台顺时针和逆时针旋转时对应的状态变化顺序不同。图4(a)为转台顺时针旋转，A波形的相位会超前B波形90°，状态变化顺序为01、11、10、00；图4(b)为转台逆时针旋转，A波形的相位则会滞后B波形90°，状态变化顺序为00、10、11、01。

(a)转台顺时针旋转波形

(b)转台逆时针旋转波形

在一个周期时间内，2路信号分时呈现“00、01、11、10” 4个状态，通过判断每个方波周期内4个不同状态，利用A、B两路信号之间的状态转换为依据能够实现对信号的细分辨向计数功能，同时根据状态变化的顺序，可判断转台的旋转方向。图5为FPGA电路内完成细分辨向功能状态机，其中“+1”、“-1”分别表示计数器加、减1，“0”表示计数器不动作。

图5 A、B转移状态机示意图

3 实验

图6为检测系统装置图，待校角位移传感器通过夹持装置与精密转台同轴连接，转台由直流无刷电机驱动精密气浮轴承转动，其速度范围在5～30°/s。转台选用Micro E的R10851-HD圆光栅及配套6个M3000读数头，按照图2所示结构进行读数头布局，读数头安装误差在0.5°以内，输出一致性在±2″以内。圆光栅刻线数为16 384，光栅信号细分处理后角分辨率达到0.077″。在圆周360°范围内，在预置的位置进行转台基准角度和角位移传感器角度比对，由上位机完成数据自动处理，实现对角位移传感器的检测。

图6 检测系统装置图

3.1 系统精度测试

图7 精度测试装置

图8 精度测试误差曲线

为测试检测系统的精度，选用精度优于±0.1″的Moller3000自准直仪与24面棱体作为标准角度输出，进行测角误差标定实验。精度测试装置如图7所示，图8为测试结果。可见采用3-4组合平均的方法可有效降低测角误差，一个周期内单读数头最大测角误差从125.91″降低至4.66″。根据JJF 1115—2004《光电轴角编码器校准规范》，该转台的分度值与精度水平满足市面上一级角位移传感器检测要求。

3.2 系统功能测试

本文实验选择市面上通用的欧姆龙角位移传感器，2 000脉冲/圈，分辨率为648″。根据JJF 1115-2004《光电轴角编码器校准规范》，设置转台转速为20°/s，30°采样间隔，即1周12个检测点。当完成1圈数据测试后，数据显示界面如图9所示。

图9 数据显示界面

以自校准角度值为标准值，绘制角位移传感器误差曲线与6个读数头误差曲线。从角位移传感器误差曲线图可知，待校角位移传感器最大误差达到约900″，即该角位移传感器测量误差约为1.3个脉冲。从读数头误差曲线可知，读数头最大误差约160″，且呈现明显周期性。最后根据检测数据生成报表，用户可直接打印检验报告，根据报告判断待校角位移传感器精度是否符合标准。