拉绳位移传感器校准方法的改进

郭成

中国船舶重工集团公司第七一三研究所 河南郑州 450000

拉绳位移传感器，可以用于测量位移、距离、位置和应变量等长度尺寸，我所应用于工程测试中。主要有平衡机构、轮毂、钢丝绳、传感元件、信号处理部件、电缆等部件组成，是利用钢丝绳测量位移的，钢丝绳绕在轮毂上，轮毂内绕有钢制弹簧，用于保证钢丝绳的张紧回弹力，轮毂与传感元件（这里为多圈精密电位器）轴通过空心销连接配合，轮毂旋转通过多圈电位器输出信号测量得出位移，主要校准基本误差因为钢丝绳、轮毂有可能存在张紧回弹不稳、打滑、变形等情况，还要进行回程误差和重复性校准。校准使用的标准设备主要有：双频激光干涉仪、投影测长机、数字电压表、直流电源。校准方法：用直流电源供电，双频激光干涉仪、投影测长机提供位移标准值，用数字多用表读输出量，采用最小二乘法计算参比直线方程，计算各校准点拟合输出值，计算各校准点三次正反行程误差绝对值的最大值为各点的误差值，取各点的误差绝对值最大作为基本误差。回程误差为正反行程输出量平均值的最大差值。重复性是各校准点三次同向行程中差值的最大值为重复性[1]。

投影测长机，是进行长度测量的光学机械计量仪器，用于直接测量精密量具，如千分尺校对杆；并可以借助高一等级的量块以比较法检定低一等级的量块和测量其它精密零件。分度值为0.001mm，测量范围为（0-1000）mm，分米刻线尺示值最大允许误差为±（0.5μm+1/100L）。

双频激光干涉仪，是以激光波长为测量标准，进行位移、直线度、角度等几何量测量的高精度、多功能计量仪器。它是利用两束具有微小固定额差的双频激光束，进行干涉测量的仪器[2]。

1 原有校准方法

使用一米投影测长机在进行拉绳位移变送器校准时，因结构原因，分米刻度尺只有（100-900）mm 九个整数尺寸，而不同规格的拉绳位移变送器其校准点分布不仅限于这几个整数尺寸，投影测长机显然不能满足使用要求。

于是要把双频激光干涉仪放置在投影测长机头座一端，干涉镜和反射镜分别架设在投影测长机头、尾座上，正确定位后，将大、小两个固定内测勾的测头取下，并分别固定在头、尾管上，把拉绳位移传感器固定在工作台上，钢丝绳先穿过头管的大内测勾，再挂在尾管的小内测勾上，通过尾座在导轨上移动，以激光干涉仪测量位移。

因激光干涉仪使用频率较高，经常用于机床等现场校准，需要反复重新拆装定位，激光干涉仪热机稳定时间较长，工作使用不便、效率较低。

2 校准方法的改进

2.1 光栅尺选型

光栅尺是光栅线位移传感器的简称，是利用光栅原理实现直线位移测量的传感器，分为封闭式和敞开式，主要应用于直线移动导轨机构。光栅尺由标尺光栅和光栅读数头组成，标尺光栅一般固定在机床固定部件上，光栅读数头装在机床活动部件上。

数显表是一种用来读取有线性编码器产生的信号的显示单元，广泛应用于各类机床、火花机，为其提供显示、定位的数显装置，数显表的手动补偿功能可以通过输入修正值对光栅尺线性误差进行补偿，其修正值计算方法如下：

修正值=（测量值-标准值）×1000000/标准值——单位（μm/m）

随着机床用光栅尺的技术不断成熟，和光栅尺质量和准确度的提高，价格也越来越便宜，对投影测长机加装光栅尺和数显表性价比较高。根据需求选择了（0-1000）mm 封闭式光栅尺，分辨力0.5μm，MPE：±1.2μm，配套两轴数显表。

使用光栅尺直接校准，最大误差远小于被校拉绳位移传感器最大误差的1/3，可以满足（0-1000）mm，MPE：±0.3%的拉绳位移传感器的校准[3]。

2.2 改装

（1）安装光栅尺。抬下测长机工作台，合理调整位置，利用全部量程。将标尺光栅固定在测长机底座背面，安装孔位置应避开光学元器件、丝杠、尾座配合间隙调整螺钉等部件。将磁力表座放置在测长机导轨上，打光栅尺固定座一端上表面，调零，再打另外一端上表面，控制安装误差在±0.05mm 以内。然后稍微旋紧固定螺钉，将磁力表座放置在测长机导轨上，用千分表打光栅尺固定座侧表面，调零，再打另外一端侧表面，调整光栅尺位置控制安装误差在±0.05mm 以内。自制角铁工装将光栅尺读数头固定在尾座背部侧面上。重复前两步，使安装误差符合要求，选择合适扭力旋紧螺钉。因底座为铸铁材质，安装过程避免多次反复用力拧紧，避免螺纹孔滑丝。光栅尺及移动头各部分相互作用良好，移动无卡滞、松旷。将数显表安装到头座微调装置基座背部侧面上，连接上电源线和通讯线，接好地线[4]。

（2）光栅尺线性修正。用测长机及激光干涉仪初步校准光栅尺，将投影测长机及激光干涉仪对零，打开数显表将光栅尺清零，预热十分钟后，对（100-900）mm 九个整数尺寸进行校准，利用数显表手动补偿功能和微调光栅尺安装位置进行线性修正，使误差在±1.2μm 以内。

然后使用激光干涉仪对光栅尺间隔1 毫米（根据需要选择间隔和尺寸），进行正返行程测量，通过数显表手动补偿功能进行线性修正，使误差在±1.2μm 以内。也可放宽要求为2 级，MPE：±2.5μm。记录各校准点误差，用于数据的修正。在进行测量结果不确定度评定时要把光栅尺最大误差计算进去。

3 结语

对投影测长机加装光栅尺和数显表性价比优异，用光栅尺代替激光干涉仪和投影测长机校准拉绳位移传感器的方法，工作效率显著提高。经过上级计量技术机构检定合格和测量结果的不确定度评定后，这种方法的改进完全满足（0-1000）mm，MPE：±0.3%的拉绳位移传感器的校准，可以适应参试时间紧、任务急、任务量大、工况恶劣须使用前标校的实际情况。