本發(fā)明涉及一種傳感器校準方法，特別涉及一種線位移傳感器現(xiàn)場校準方法。

背景技術：

在飛機研制中，需要做大量原理試驗、驗證試驗及綜合性試驗。大型部件的定位測量系統(tǒng)；疲勞試驗臺、燃油試驗臺、液壓操縱試驗以及鐵鳥綜合試驗臺上，都安裝使用著數(shù)十至幾百個線位移傳感器。依據(jù)武器裝備研制質(zhì)量保證相關要求，試驗中使用的傳感器(計量器具)需要定期校準。

大型部件的定位系統(tǒng)、試驗臺上使用的線位移傳感器的線性度通常在0.1％～0.5％之間，實際工作行程一般不大于500mm，其分布于試驗臺架的高處、狹窄空間等各個部位，在空間呈多角度姿態(tài)。傳感器在安裝使用前，其靜態(tài)特性指標均是在校準實驗室條件下，依據(jù)相應的國家規(guī)范、行業(yè)標準或企業(yè)標準進行校準的。然而，當傳感器安裝在大型工裝、試驗臺上以后，一部分傳感器固化在試驗臺上，存在定位關系不允許拆卸；一部分安裝在特殊部位(如：高空處、狹窄空間)不便拆卸；還有一部分缺少定位基準，拆卸后難以準確復位。由于周期性校準所導致的拆卸、安裝工作量巨大，批量送檢或當疑似傳感器故障時導致試驗中斷等等問題十分顯現(xiàn)，傳感器的安裝復位不準確，降低了試驗數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可信度，因此，試驗人員提出了現(xiàn)場在位校準傳感器的迫切需求。

國內(nèi)線位移傳感器校準技術的規(guī)范比較晚，2011年12月國家才正式頒布并實施了JJF1035-2011《線位移傳感器校準規(guī)范》。至于線位移傳感器的現(xiàn)場校準方法，目前正處于研究階段，還沒有形成一套完整的體系。

國外現(xiàn)場校準是使用激光干涉儀，由于激光干涉儀是以激光波長做標準尺寸的超精密設備，工作環(huán)境和安裝調(diào)整要求比較苛刻。從工程實際出發(fā)，大量線性度不超過0.25％的傳感器，無需使用高檔設備和復雜方法，僅需一種即滿足準確度要求又方便快捷的現(xiàn)場校準方法。

經(jīng)專利檢索，與本發(fā)明最接近的現(xiàn)有技術包括：校準采用量塊法、測長機法、光柵位移傳感器校準裝置法和激光干涉儀法。

方法一：論文《線位移傳感器的現(xiàn)場校準》公開發(fā)表于《計測技術》2013年第33卷第5期；作者：楊明君、龔偉。采用量塊法。

該論文分析了目前通常采用的定期送實驗室的校準方式的局限性，提出一種簡易的、適合現(xiàn)場使用的線位移傳感器的校準法，并通過大量的現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)驗證其正確性。

所述量塊校準法的不足在于：

1.僅實現(xiàn)了水平狀態(tài)的校準，不適宜現(xiàn)場傳感器呈任意角度安裝狀況下的校準。

2.校準時，未能保證傳感器運動部件(拉桿或拉繩)沿當前校準方向持續(xù)壓縮或拉伸。顯而易見，當安放和取出某一尺寸的量塊時，勢必會造成傳感器運動部件在被校點處的伸縮搖擺，這將使傳感器自身的回程誤差、重復性誤差帶入，這是傳感器校準的大忌(除非已知傳感器的重復性及回程誤差足夠小，相對于線性度可以忽略不計)。

3.量塊的準確度雖然很高，但運動桿或拉線(繩)與量塊工作面的垂直度和測量力測量力不易控制，實際校準準確度難保證。

方法二：論文《利用測長機校準拉線式位移傳感器的方法》刊于知網(wǎng)；作者：伍沛剛。采用測長機法，以測長機上的光柵或其它刻度尺作長度標準。

所述測長機校準法的不足在于：測長機工作時機體需處于水平，測長機底座1噸多重，即使將測長機放置在現(xiàn)場大氣環(huán)境下，也無法運抵臺架上工作，也不能在位校準。同樣，凡不便攜的設備均不能實現(xiàn)現(xiàn)場在位校準。

方法三：論文《線位移傳感器校準的一種新裝置》公開發(fā)表于《計測技術》2008年第05期；作者：韓清華、王海英。采用光柵尺作長度標準。

該論文是本人合著，是適用于計量室環(huán)境下校準的一種新裝置，其機座采用測長機的底座，與測長機法存在同樣的不足。

方法四：論文《激光干涉儀在校準拉繩式位移傳感器的應用》公開發(fā)表于《計量與測試技術》2003年第03期；作者：李德乾。采用干涉儀法，由激光作長度標準。JJF1305-2011《線位移傳感器校準方法》，該方法是現(xiàn)有計量室校準普遍采用的方法，通過設計相應的夾具，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場校準。

所述干涉儀法的不足之處在于：

1.干涉儀線性測量精度為：±0.5ppm(μm/m)，對現(xiàn)場測量環(huán)境和安裝要求比較苛刻，特別是高空作業(yè)時，儀器的架設和操作都很困難，安裝調(diào)整費時費力。線性度低于0.25％的傳感器使用這么高精度的標準器經(jīng)濟性欠缺。

2.在校準時，必須配有1個干涉儀原廠出品的旋轉(zhuǎn)鏡才能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場校準，沒有配旋轉(zhuǎn)鏡(選配附件)的干涉儀，只能開展水平和垂直安裝傳感器的校準。

3.干涉儀發(fā)出激光束必須是始終無遮擋地到達被測目標，激光束一旦“斷光”，校準必需從新開始。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的：提供一種線位移傳感器現(xiàn)場校準方法，該方法安裝簡便、定位準確快捷、具有普遍適用性。

本發(fā)明的技術方案：一種線位移傳感器現(xiàn)場校準方法，其特征在于所述的方法包括如下步驟：

步驟一，將通用卡尺與線位移傳感器連接固定，保證通用卡尺運動方向與線位移傳感器運動方向平行；

步驟二，將通用卡尺的運動部件與線位移傳感器的運動部件連接固定；

步驟三，在通用卡尺運動部件的帶動下，線位移傳感器的運動部件同步運動，讀出通用卡尺給出的標準位移量和各校準點上的線位移傳感器輸出值，并根據(jù)上述數(shù)據(jù)對線位移傳感器進行校準。

優(yōu)選地，所述的通用卡尺為數(shù)顯容柵尺。

優(yōu)選地，根據(jù)以下方法對線位移傳感器的線性度進行校準：

步驟一，在線位移傳感器校準范圍內(nèi)選取校準點；

步驟二，在通用卡尺運動部件的帶動下，線位移傳感器的運動部件同步運動，讀出通用卡尺給出的標準位移量和各校準點上的線位移傳感器輸出值，直至達到校準位置上限；

步驟三，與步驟二方法相同進行倒序校準，直至校準范圍測量下限；

步驟四，建立通用卡尺給出的標準位移量和各校準點上的線位移傳感器輸出值的對應關系，根據(jù)該對應關系對線位移傳感器的線性度進行評定。

優(yōu)選地，所述的校準范圍包括線位移傳感器實際工作范圍，上下限各超過線位移傳感器實際工作范圍的10％。

優(yōu)選地，正序和倒序校準為1個測量循環(huán)，所述的線位移傳感器線性度校準至少包括3個測量循環(huán)。

優(yōu)選地，在線位移傳感器校準范圍內(nèi)選取的校準點至少包括6個，含上下限位置點。

優(yōu)選地，在傳感器頻繁工作段選取校準點，采用機械限位的方式，對該校準點進行一次正、反方向測量，并記錄測量結(jié)果，根據(jù)該測量結(jié)果對線位移傳感器進行回程誤差校評定。

優(yōu)選地，根據(jù)以下公式計算回程誤差h_i：

式中：g_i——傳感器在第i個校準點正行程輸出量，

b_i——傳感器在第i個校準點反行程輸出量，

Y_FS——傳感器校準上限輸出量與校準下限輸出量之差。

優(yōu)選地，在傳感器頻繁工作段選取校準點，采用機械限位的方式，對該校準點進行多次單方向重復測量，記錄測量結(jié)果，根據(jù)該測量結(jié)果對線位移傳感器的重復性進行評定。

優(yōu)選地，根據(jù)以下公式對線位移傳感器的重復性進行計算r_i：

式中：Δ_i——同一校準點中正行程或反行被校程傳感器輸出中最大值與最小值之差；

C——極差系數(shù)；

Y_FS——傳感器校準上限輸出量與校準下限輸出量之差。

本發(fā)明的有益效果：1.校準設備不同?，F(xiàn)有技術采用的是量塊、激光干涉儀、測長機及位移傳感器校準裝置，本方法采用的是容柵數(shù)顯數(shù)顯容柵尺。

2.測量原理不同?，F(xiàn)有量塊法是模擬量比較測量；激光干涉儀法是干涉測距原理；測長機及位移傳感器校準裝置采用的是光柵測量原理。本方法是容柵測距原理。

3.校準方法不同?，F(xiàn)有方法不是現(xiàn)場在位校準，本方法是現(xiàn)場在位校準，傳感器不拆卸?，F(xiàn)有校準方法不結(jié)合使用因素，一律滿量程校準；本方法考慮使用因素，著重對使用段進行校準。現(xiàn)有方法是通過有限個測量點(全量程的10％，包括首尾共11個校準點)的3次測量結(jié)果評價測量重復性，重復性與其它特性校準同時進行；本方法是針對重要工作段、使用頻繁部位進行足夠多次(5次以上)的測量。本方法結(jié)合工程應用，更加科學。

4.找正方式不同?，F(xiàn)有量塊法通過機械基準找正；激光干涉儀法是通過旋轉(zhuǎn)鏡瞄準靶標鏡找正；測長機和位移傳感器校準裝置均采用裝置上的已有定位裝置找正。本方法是利用傳感器的殼體配合檢測和微調(diào)進行找正。

5.數(shù)據(jù)處理方法不同，現(xiàn)有方法是基本誤差、線性度、回程誤差、重復性校準同時進行的，3個校準校準循環(huán)(正反為一個校準循環(huán))完成后，用校準數(shù)據(jù)通過計算得到基本誤差、線性度、回程誤差、重復性。重復性、回程誤差由固定校準點(全量程的10％，包括首尾共11個校準點)處3次循環(huán)數(shù)據(jù)計算，缺少針對性。本方法是根據(jù)需要，隨機或重點選取校準點，通過隨機測量計算基本誤差、線性度；對使用頻繁部位和重要部位進行重復5次以上的單獨測量進行傳感器重復性評定，使傳感器的靜態(tài)特性評定更趨真實合理。

附圖說明

圖1校準方法示意圖；

圖2基準塊與傳感器定位關系圖；

圖3通用卡尺與牽引件連接關系圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實例對本發(fā)明做詳細描述。

一種校準方法。參考圖1，其特征在于：使用通用卡尺2作為長度標準器，將通用卡尺2與線位移傳感器1連接固定，保證通用卡尺2運動方向與線位移傳感器1的運動方向平行。將通用卡尺2的運動部件與線位移傳感器1的運動部件連接并固定，當通用卡尺2運動部件被外力驅(qū)動，傳感器1運動部件可隨之產(chǎn)生同步運動。從通用卡尺2的數(shù)顯窗口讀取通用卡尺給出的標準位移量和線位移傳感器各校準點上的輸出值，根據(jù)上述標準量與測量值，采取相應的計算公式，對線位移傳感器的線性度、回程誤差、重復性等靜態(tài)特性進行評定。該方法包括如下步驟：

步驟1.將通用卡尺與線位移傳感器連接固定，保證通用卡尺運動方向與線位移傳感器運動方向平行。

參見圖1，將尺寸能夠覆蓋校準范圍的通用卡尺2的尺框5的下表面與帶“V”型槽的基準塊3的上平面貼合，使用壓板4及通用卡尺2的量爪6上制造的圓孔將尺框5壓緊并固定在基準塊3上。

參見圖2，將基準塊3下表面的條狀“V”型槽沿傳感器軸線方向騎跨在被校傳感器1的外圓柱表面上，再通過基準塊3上的四個耳片10，采用螺釘連接方式，把通用卡尺2與傳感器1壓緊固定連接在試驗臺實體上，使用杠桿百分表“打表”測量，配合使用可撕墊片加以調(diào)整修正，將通用卡尺2主尺內(nèi)側(cè)的固有基準邊與傳感器1運動軸線平行,夾角θ不超過±0.002rad。

步驟2.將通用卡尺的運動部件與線位移傳感器的運動部件連接固定。

參見圖3，在通用卡尺2主尺前端安裝一牽引件9，通過旋動頂絲7作用于彈簧片8上，將鑲套在通用卡尺2主尺前端的牽引件9固定在主尺上。將傳感器運動部件14與試驗驅(qū)動系統(tǒng)斷開，使牽引件9與被校傳感器的運動部件14可靠連接。

步驟3.校準。

在通用卡尺的運動部件的帶動下，線位移傳感器的運動部件同步運動，從通用卡尺上讀取標準位移量和各校準點上的線位移傳感器輸出值，并根據(jù)上述數(shù)據(jù)對線位移傳感器的靜態(tài)特性進行評定。

步驟3.1線性度校準。根據(jù)以下方法對線位移傳感器的線性度進行校準。

步驟3.1.1在線位移傳感器校準范圍內(nèi)選取校準點；在線位移傳感器校準范圍內(nèi)選取校準點至少包括6個，含上下限位置點。所述的校準范圍包括線位移傳感器實際工作范圍，上下限各超過線位移傳感器實際工作范圍的10％。

步驟3.1.2在通用卡尺的運動部件的帶動下，線位移傳感器的運動部件同步運動，讀出通用卡尺給出的標準位移量和各校準點上的線位移傳感器輸出值，直至達到校準范圍上限；

步驟3.1.3與步驟二方法相同進行倒序校準，直至校準范圍測量下限，正序和倒序校準為1個測量循環(huán)，所述的線位移傳感器校準至少包括3個測量循環(huán)。

步驟3.1.4建立通用卡尺給出的標準位移量和各校準點上的線位移傳感器輸出值的對應關系，根據(jù)該對應關系對線位移傳感器的線性度進行評定。線性度依據(jù)最小二乘法、端點法、參比直線法進行評定。

步驟3.2回程誤差校準。

步驟3.2.1確定回程誤差校準點。在傳感器頻繁使用的100mm工作范圍內(nèi)，任意均勻選取三個位置做為回程誤差校準點。

步驟3.2.2回程誤差校準測量。在三個校準點處各進行一次正、反方向測量。記錄三處正、反方向的測量結(jié)果。

步驟3.2.3回程誤差數(shù)據(jù)處理。根據(jù)下列公式計算被校傳感器回程誤差h_i。

式中：g_i——傳感器在第i個校準點正行程輸出量；

b_i——傳感器在第i個校準點反行程輸出量；

Y_FS——傳感器校準上限輸出量與校準下限輸出量之差。

步驟3.3重復性校準。

步驟3.3.1確定重復性校準點。在傳感器頻繁使用的100mm工作范圍內(nèi)，任意均勻選取三個位置做為重復性校準點。

步驟3.3.2重復性校準測量。在三個校準點處，采用定位銷或限位塊等機械限位的方式，分別進行不少于6次的單方向重復測量，記錄同方向的6次測量結(jié)果。

步驟3.3.3重復性數(shù)據(jù)處理。根據(jù)以下公式計算重復性誤差r_i。

式中：Δ_i——同一校準點中正行程或反行被校程傳感器輸出中最大值與最小值之差；

C——極差系數(shù)；

Y_FS——傳感器校準上限輸出量與校準下限輸出量之差。

實施例

對某型飛機“鐵鳥”綜合試驗臺上的線位移傳感器進行現(xiàn)場校準。選擇試驗臺機翼部位安裝的一根工作范圍(0～100)mm的LVDT拉桿式線位移傳感器，對其線性度、回程誤差、重復性進行校準。解決方案及具體步驟如下:

參見附圖1，該方法的主要器具有：被校傳感器1、數(shù)顯深度尺2、帶“V”型槽基準塊3、壓板4、尺框5、尺爪6、頂絲7、簧片8、牽引件9、耳片10、導線11、數(shù)字多用表12、激勵電源13、測桿14。以數(shù)顯深度尺為主要測量元件。

解決方案及具體步驟:

步驟1.校準前準備。

步驟1.1確定校準量程。根據(jù)實際需要，確定使用頻繁且重要部位的實際工作范圍為(0～100)mm，校準量程確定為120mm，即校準量程上、下限各超過實際工作范圍10％。

步驟1.2在保證覆蓋校準范圍的前提條件下，將測量范圍(0～200)mm的數(shù)顯深度尺2與線位移傳感器1連接固定，保證數(shù)顯深度尺2運動方向與線位移傳感1器運動方向平行。具體方法為：參見圖1，將數(shù)顯深度尺的尺框5的下表面與帶“V”型槽的基準塊3的上平面貼合，使用壓板4及數(shù)顯深度尺基座6上的圓孔將尺框5壓緊并固定在基準塊3上。參見圖2，將基準塊3下表面的條狀“V”型槽沿傳感器軸線方向騎跨在被校傳感器1的圓柱外表面上，通過基準塊3上的四個耳片10，采用螺釘固定方式，將數(shù)顯深度尺2與傳感器1壓緊固定，使用杠桿百分表“打表”測量，配合使用可撕墊片調(diào)整修正，將數(shù)顯深度尺2主尺上的固有基準與傳感器1運動軸線平行,水平與俯仰方向夾角θ均不超過±0.002rad。

步驟1.3參見圖3，將數(shù)顯深度尺2的主尺與線位移傳感器1的測桿連接固定。具體方法為：在數(shù)顯深度尺2主尺前端安裝一牽引件9，通過旋動頂絲7作用于簧片8上，將鑲套在數(shù)顯深度尺2主尺前端的牽引件9固定在主尺上，將傳感器測桿14與試驗驅(qū)動系統(tǒng)斷開，使牽引件9與被校傳感器的測桿14可靠螺接。

步驟1.4手動試驗。在120mm的校準量程范圍內(nèi)反復推拉數(shù)顯深度尺2的主尺，調(diào)整其帶動傳感器測桿14至平穩(wěn)運動、直至無明顯的機械阻滯時停止。

步驟1.5接線。按照傳感器接線定義，通過導線11，將被校線位移傳感器的輸入端正確連接至直流激勵電源13；輸出端正確連接至數(shù)字多用表12。檢查接線和電路，確定無誤后接通+24V DC激勵，使傳感器預熱待校準。

步驟2.校準。

步驟2.1線性度校準。

步驟2.1.1確定線性度校準點。以校準范圍內(nèi)以校準范圍的10％設置校準點，包括上下限，共選取11個校準點。

步驟2.1.2線性度校準測量。在數(shù)顯深度尺2的主尺帶動下，線位移傳感器1的測桿14同步運動，將傳感器沿當前校準方向移動至測量下限，調(diào)整好傳感器零位后，將數(shù)顯深度尺清零。校準從測量下限開始，按選取的校準點逐點至校準的測量上限，按順序分別讀出數(shù)顯深度尺給出的線位移值L_i和各校準點上的電信號輸出值y_i。正行程到達測量上限后，繼續(xù)前行(1～10)mm停止，返回至測量上限。與正行程方法相同倒序校準，直至測量下限，記錄并建立對應關系數(shù)據(jù)列表，參見表1。

表1線性輸入輸出對應關系列表

步驟2.1.3線性度數(shù)據(jù)處理。采用最小二乘法，通過正向、反向的6次測量數(shù)據(jù)，評定得到6個單方向的線性度分別為：-0.24％、-0.20％、-0.21％、-0.20％、-0.20％、-0.21％，取絕對值最大的-0.24％做為該傳感器的線性度評定結(jié)果。

步驟2.2回程誤差校準。

步驟2.2.1確定回程誤差校準點。在傳感器頻繁使用的100mm工作范圍內(nèi)，任意均勻選取三個位置做為回程誤差校準點。

步驟2.2.2回程誤差校準測量。在三個校準點處各進行一次正、反方向測量。記錄三處正、反方向的測量結(jié)果，參見表2。

表2回程輸入輸出對應關系列表

步驟2.2.3回程誤差數(shù)據(jù)處理。根據(jù)下列公式計算被校傳感器回程誤差h_i為0.11％。

式中：g_i——傳感器在第i個校準點正行程輸出量；

b_i——傳感器在第i個校準點反行程輸出量；

Y_FS——傳感器校準上限輸出量與校準下限輸出量之差。

步驟2.3重復性校準。

步驟2.3.1確定重復性校準點。在傳感器頻繁使用的100mm工作范圍內(nèi)，任意均勻選取三個位置做為重復性校準點。

步驟2.3.2重復性校準測量。在三個校準點處，通過在外部施加限位銷、定位塊等方式的機械限位，分別進行不少于6次的單方向重復測量，記錄同方向的6次測量結(jié)果，參見表3。

表3重復性輸入輸出對應關系列表

步驟2.2.3重復性數(shù)據(jù)處理。根據(jù)以下公式計算重復性誤差r_i為0.035％。

式中：Δ_i——同一校準點中正行程或反行被校程傳感器輸出中最大值與最小值之差；

C——極差系數(shù)；

Y_FS——傳感器校準上限輸出量與校準下限輸出量之差。

為驗證本發(fā)明方法的正確性，將該傳感器拆下，送至計量實驗室進行校準，采用JJF1305-2011《線位移傳感器校準方法》中所列最小二乘等方法評定，該傳感器計量實驗室校準結(jié)果:線性度：-0.22％；回程誤差：0.11％；重復性：0.033％。通過計量實驗室條件下和本發(fā)明方法數(shù)據(jù)對比分析，說明本方法可行。