基于激光干涉仪的位移传感器标定技术研究
作者：刘俊亨；孙双花；田明；叶孝佑；高宏堂；刘香斌；




       磁致伸缩位移传感器广泛应用于国家十大大阳城娱乐产业中的汽车、航空和装备制造领域中，在自动化控制和测量中有着举足轻重的地位。传感器的标定就是通过实验确定传感器输入与输出的关系。通过对所获得的输入量与输出量进行比较和处理，从而得到一系列表征两者关系的标定曲线，对标定传感器的示值进行修正，提高传感器的精度。传感器的标定是设计、制造和使用传感器的一个重要环节。任何传感器在制造、装配完毕后都必须对设计指标进行标定试验。传感器的标定对保证传感器的质量及改善传感器的性能等都是不可或缺的技术手段。位移传感器外形多样，输出方式多样，现有设备很难实现

对多种位移传感器的标定任务。针对大量程位移传感器标定多采用光栅尺作为标准，而激光干涉仪相对光栅尺精度更高，利用激光干涉仪标定位移传感器可大幅度提升标定精度。因此，为了完善和提高大距离位移传感器的标定能力，本文设计了一套基于激光干涉仪的大距离线性位移传感器标定系统，实现多种大量程线性位移传感器的标定，提高了标定能力。

2 装置组成及原理

2. 1 系统组成

      整个系统由控制系统、驱动系统、长度标准系统、数据采集系统、传感器姿态调整系统等组成。控制系统由计算机、运动控制卡组成; 驱动系统由伺服电机、电机控制器、长位移台组成，可实现 1 m 长度范围内的位移传感器标定;长度标准系统由 Ｒenishaw ＲLE 20 干涉仪与环境补偿系统组成; 数据采集系统由直流驱动电源和高精度数字万用表组成，可实现输出信号为电压或电流信号的位移传感器的数据采集及处理; 传感器姿态调整系统可实现对多种尺寸的圆柱形与矩形外壳传感器装卡，并具有平移、旋转、角摆、升降 4 个自由度的调整能力。

2. 2 检测原理

       位移传感器标定装置测量结构符合阿贝原则，被测传感器的测量线与标准干涉仪的测量线同轴。被测传感器和标准干涉仪大阳城娱乐测量位移台移动距离，由标定装置的信号处理系统实现数据的比对和标定。首先计算机发出指令，运动控制卡接收指令驱动步进电机产生位移。产生的位移量由被测传感器与激光干涉仪分别测得，被测传感器为非接触式时，通过挡板的光反射接收输入信号; 被测传感器为接触式时，通过挡板推动接触测头的方式接收输入位移量，产生输出信号，被测传感器为三角激光传感器时输出信号通过计算机显示与存储，被测传感器输出为电压或电流信号时，通过多用表输出，再通过串

口通信由计算机显示与存储。激光干涉仪测得位移量后，环境补偿系统对环境的温度、湿度、气压以及材料表面温度，对测得的信号修正，将标准干涉仪测得信号作为标准输入量，由计算机显示与存储。对被测传感器与标准干涉仪采集的数据比对分析处理，获得输入量与输出量的比对曲线，由比对曲线计算修正值，将修正值带入被测传感器的原始测量数据，达到标定位移传感器的目的。

3 标准位移干涉测量系统

3. 1 比对方式

       系统采用标准传感器与被测传感器串联的方式，由于采用共线的结构，当理想测量位移面与实际位移面有角误差 θ 时，实际测量位移与理想测量位移间的误差是一个二次的误差 e = ( 1 /2) ·c·θ2，这种方式减小了对位移产生导轨的依赖，这样可以采用简单的机械结构就能保证一定的测量精度。如图 4 所示，c 为测量光反射镜到档板的距离，在系统中应尽量减小 c。

3. 2 标准干涉仪原理及环境补偿

       标准干涉仪采用 Ｒenishaw ＲLE 20 干涉仪，该干涉仪为差分干涉仪。此干涉仪能产生对称的空间四光路，对环境因素( 温度、湿度、气压) 的变化有很好的抗干扰能力，测量分辨率高。静态条件下和动态条件下，系统的光学相位漂移都较小。采用共光路结构，死程误差小。参考光反射镜可以移动，通过固定参考光反射镜位移，调整干涉仪零点位置，将参考光反射镜至于移动台中间位置，可实现 － 500 mm 到 + 500 mm 的1 000 mm 范围内的检测任务。

      实验室温度( 20 ± 0. 5) ℃，在测量时为减小环境对测量结果的影响，使用了 Ｒenishaw 环境补偿单元，包括温度、湿度、气压等多路传感器。对环境参数进行实时测量，然后使用 Edlen 公式计算空气折射率进而实时修正激光波长。

4 实验分析

4. 1 传感器安装调整与参数设置

       选用 optoNCDT 1700 三角激光传感器作为被测传感器进行实验研究，该 传 感 器 测 量 范 围 为± 250 mm，分辨率为 30 μm。利用虎钳夹持，虎钳通过螺钉固定在调整台。通过调整台调整被测传感器姿态，使被测传感器测量线与标准传感器测量线在同一直线。设置运动控制器参数，运动方式为相对运动，根据测量间隔设置脉冲数与运动速度。控制平移台置档板( 被测激光测长仪反射面) 于被测传感器最小量程点，标准干涉仪清零。

4. 2 重复性实验

       在相同条件下，在标定装置上对被测传感器进行 10 组重复性测量，每组测量 3 次，测量间隔为45 mm，运动方式为相对运动，脉冲数为 115 220，运动速度为 10 kHz。将整理测量数据，标准干涉仪测量值作为标准，被测传感器测量值减去干涉仪测量值为误差值。计算 10 组 30 次实验数据平均值 x 与每组 3 次的数据平均值 xj，采用合并样本标准差 sp作为由重复性引入的标准不确定度分量，合并样本标准差 sp 用公式( 1) 计算。

4. 3 示值误差

        根据重复性实验获得的数据，计算传感器在各测量点的示值误差 δi。

4. 4 示值误差修正

由       各个测量点的误差平均值，获得了各被测点的修正值。视两点之间误差为线性分布，测量点的修正值为测量点误差平均值，－ Δi 为 i 测量点与 i + 1 测量点间的修正值。－ Δi( x) = mi + x( mi +1 － mi ) /Δx ( 2)式中: Δx 为测量间隔; mi 为测量点 i 示值。一般传感器检测测量 11 个点时，修正曲线即为 11 个点依次相连的折线。为检验修正结果，另做一组检测，测量间隔设置为之前一半的 22. 5 mm。测量数据与修正前后结果见表 3。制作修正前与修正后误差比对图 可知，原测量点位置误差明显修正，而新加测量点处误差较大，这种多点差值修正方法对中间点误差并未完全修正。从整体看，修正前最大绝对误差近 0. 250 mm，修正后绝对误差小于0. 100 mm，传感器绝对误差修正了 50% 以上。

5 结 论

       搭建了基于激光干涉仪的位移传感器标定系统，提出一种多点差值修正方法，实现了对位移传感器的高精度标定，并以激光位移传感器为例进行实验测试。实验结果表明，经本系统标定后激光位移传感器的绝对误差减小了 50% 以上。

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