CN112504193A - 一种拉绳位移传感器变角度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种拉绳位移传感器变角度测量装置及方法，属于拉绳位移传感器测试与校准技术领域，本发明转台的旋转为拉绳传感器提供转台平面内的标准角度位移；气浮平台的移动带动传感器拉绳进行直线移动，且由干涉仪给出高精度的直线位移值。本发明传感器安装机构为双向定心结构，方便将传感器进行90°翻转，所述传感器安装机构的优点是不用重新定位，即能够实现双向定心，使得传感器的双向测试既方便又简洁，同时能够减小定位误差。本发明通过拉绳位移传感器在变角度条件下实现灵敏度系数测量，且通过建立非轴线测量的误差模型将拉绳位移传感器的使用拓展至三维，能够拓宽应用范围和提高测量精度。

Description

一种拉绳位移传感器变角度测量装置及方法

技术领域

本发明属于拉绳位移传感器测试与校准技术领域，涉及一种拉绳位移传感器变角度测量装置及方法。

背景技术

拉绳传感器用于一维位移的精密测量，以电流输出类传感器为例，其测量原理是：传感器一端固定,另一端由外力沿轴线将拉绳拉出,记录拉绳的初始位移和初始电流值,此后，拉绳位移的变化量与输出电流的变化量成线性关系，其比值为灵敏度系数。但拉绳传感器在实际使用过程中，会由于被测件的变形，使拉绳的实际拉出方向与轴线不平行，由于拉绳传感器偏离了校准状态,灵敏度发生了变化,而这将直接引入拉绳传感器的测量误差,为了实现拉绳传感器三维使用时的精确测量，需要引入拉绳传感器变角度条件下灵敏度的测试校准方法,提供测试校准装置,最终得到三维使用条件下的测量误差模型。

发明内容

本发明公开的一种拉绳位移传感器变角度测量装置及方法要解决的技术问题是：通过拉绳位移传感器在拉绳位移传感器变角度条件下实现灵敏度系数测量，且通过建立非轴线测量的误差模型将拉绳位移传感器的使用拓展至三维，能够拓宽应用范围和提高测量精度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种拉绳位移传感器变角度测量装置，主要由导向机构、拉绳传感器、气浮平台、干涉仪反射镜、干涉仪、挂钩调整机构、干涉仪显示屏、转台驱动器、传感器电源及输出信号测量仪、转台、传感器安装机构组成。转台的旋转为拉绳传感器提供转台平面内的标准角度位移；气浮平台的移动带动传感器拉绳进行直线移动，且由干涉仪给出高精度的直线位移值。

为方便将传感器进行90°翻转，传感器安装机构为双向定心结构，即翻转前后拉绳传感器在互相垂直的两个测试方向上，拉绳出口位置均位于转台中心，所述传感器安装机构的优点是不用重新定位，即能够实现双向定心，使得传感器的双向测试既方便又简洁，同时减少能够测试的定位误差。

所述传感器安装机构是一种复合型机构，包括固定部分和旋转部分，拉绳传感器安装在旋转部分上，松开0°的锁紧螺丝，手动旋转，到达机械限位时旋转角度正好为90°，到位后锁紧90°位置的锁紧螺丝，即能够实现拉绳传感器的90°翻转。

导向机构需满足拉绳传感器的量程和测量误差要求，优选长导轨。

气浮平台是由长导轨导向、带动拉绳传感器挂钩移动的机构。

干涉仪用于拉绳的相对位移测量，保证测量方向与拉绳移动方向一致，且与导向机构移动方向一致。干涉仪优选激光干涉仪。

为避免损坏传感器，使用时拉绳传感器的测量量程不要超量程测试。

本发明公开的一种拉绳位移传感器变角度测量装置的调试方法，包括如下步骤：

步骤一：启动气泵为气浮平台供气，气浮平台沿长导轨移动或锁紧固定在长导轨上；

步骤二：将转台固定在长导轨的一端，且转台台面与导轨台面平行；

步骤三：在气浮平台上安装挂钩调整机构和干涉仪反射镜；

步骤四：拉绳位移传感器的固定端通过安装机构固定在转台上，调整传感器安装机构的位置使转台旋转的过程中拉绳传感器的出线端始终位于转台的中心；

步骤五：将传感器拉绳挂钩挂在挂钩调整机构上；

步骤六：调整挂钩调整机构的上下左右位置，使得拉绳与长导轨平行，且拉绳方向与气浮平台移动方向一致；

步骤七：将干涉仪固定于长导轨的另一端，调整气浮平台上干涉仪反射镜的位置和角度,移动气浮平台进行干涉仪光路调整，使干涉仪光路与长导轨平行。

基于上述步骤一至步骤七实现拉绳位移传感器变角度测量装置的调试。

本发明公开的一种拉绳位移传感器变角度测量装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤一，进行x向角度为零时的轴向灵敏度系数测试。

步骤1.1：使用传感器安装机构将传感器调整至x向；

步骤1.2：将转台调至零位；以拉绳传感器的出口位置作为初始原点。

步骤1.3：控制气浮平台沿长导轨拉动拉绳传感器，选择拉绳绷紧后的位置作为测试的初始位置，固定气浮平台，待其稳定后，记录传感器输出信号初始值I₀、激光干涉仪对于拉绳位置的初始测量值l₀；

步骤1.4：控制气浮平台沿长导轨进行传感器量程以内的等间隔位置移动，在各个测量位置上锁紧气浮平台，分别记录传感器的输出值I_i和激光干涉仪测量值l_i；

步骤1.5：通过拟合公式带入转台零位时x向测量值，得到灵敏度系数

作为优选，步骤1.5所述的拟合公式优选如下式所述的最小二乘拟合公式

带入转台零位时x向测量值，得到灵敏度系数

步骤二，进行x向角度θ_x时的灵敏度系数测试。

步骤2.1：将转台调至带测试角度θ_x；以拉绳传感器的出口位置作为初始原点；

步骤2.2：重复步骤一的步骤1.2、1.3、1.4，通过拟合公式代入x向角度θ_x时测量值得到该角度对应的灵敏度系数

步骤2.3：拉绳传感器往往存在左右不对称的问题，即在θ位置测得的灵敏度系数，与-θ位置并不一致，需要分别测试。

步骤三，进行y向角度为零时的灵敏度系数测试。

使用安装机构将传感器调整至y向；

重复步骤一的步骤1.2、1.3、1.5，通过拟合公式代入y向转台零位测量值，得到

步骤四，进行y向角度θ_y时时的灵敏度系数测试。

重复步骤二的步骤2.1、2.2、2.3，通过拟合公式代入y向角度θ_y时测量值，得到

步骤五，计算拉绳传感器实际使用时的测量误差模型。

拉绳传感器的校准，仅限于轴向灵敏度系数的测试，而当传感器用于非轴线测量时，而按轴线测量处理时，x、y两个方向引入的测量误差模型分别为

则总的测量误差模型为

使用该误差测量模型时，如果旋转角度在(0～θ)范围内，其变角度灵敏度与轴向灵敏度差别很小，即

并且由

求得的测量误差也在测量允许范围以内，由变角度引入的模型误差则能够忽略不计。

步骤六：基于步骤五得到的测量误差模型，对拉绳位移传感器的测量误差进行修正，实现拉绳位移传感器在拉绳位移传感器变角度条件下的灵敏度系数高精度测量。

有益效果：

1、本发明转台的旋转为拉绳传感器提供转台平面内的标准角度位移；气浮平台的移动带动传感器拉绳进行直线移动，且由干涉仪给出高精度的直线位移值。本发明通过拉绳位移传感器在拉绳位移传感器变角度条件下实现灵敏度系数测量，且通过建立非轴线测量的误差模型将拉绳位移传感器的使用拓展至三维，能够拓宽应用范围和提高测量精度。

2、本发明传感器安装机构为双向定心结构，方便将传感器进行90°翻转，即翻转前后拉绳传感器在互相垂直的两个测试方向上，拉绳出口位置均位于转台中心，所述传感器安装机构的优点是不用重新定位，即能够实现双向定心，使得传感器的双向测试既方便又简洁，同时减少能够测试的定位误差。

附图说明

图1为本发明的一种拉绳位移传感器变角度测量校准装置示意图。

1—导向机构、2—拉绳传感器、3—气浮平台、4—干涉仪反射镜、5—激光干涉仪、6—挂钩调整机构、7—干涉仪显示屏、8—转台驱动器、9—传感器电源及输出信号测量仪、10—转台、11—传感器安装机构。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开一种拉绳位移传感器变角度测量装置，主要由导向机构1、拉绳传感器2、气浮平台3、干涉仪反射镜4、干涉仪5、挂钩调整机构6、干涉仪显示屏7、转台驱动器8、传感器电源及输出信号测量仪9、转台10、传感器安装机构11组成。转台10的旋转为拉绳传感器2提供转台10平面内的标准角度位移；气浮平台3的移动带动传感器拉绳进行直线移动，且由干涉仪5给出高精度的直线位移值。

为方便将传感器进行90°翻转，传感器安装机构11为双向定心结构，即翻转前后拉绳传感器2在互相垂直的两个测试方向上，拉绳出口位置均位于转台10中心，所述传感器安装机构11的优点是不用重新定位，即能够实现双向定心，使得传感器的双向测试既方便又简洁，同时减少能够测试的定位误差。

所述传感器安装机构11是一种复合型机构，包括固定部分和旋转部分，拉绳传感器2安装在旋转部分上，松开0°的锁紧螺丝，手动旋转，到达机械限位时旋转角度正好为90°，到位后锁紧90°位置的锁紧螺丝，即能够实现拉绳传感器2的90°翻转。

长导轨1需满足拉绳传感器2的量程和测量误差要求。

气浮平台3是由长导轨1导向、带动拉绳传感器2挂钩移动的机构。

干涉仪5用于拉绳的相对位移测量，保证测量方向与拉绳移动方向一致，且与导向机构1移动方向一致。干涉仪5优选激光干涉仪5。

为免损坏传感器，使用时拉绳传感器2的测量量程不要超量程测试。

本发明公开的一种拉绳位移传感器变角度测量装置的调试方法，包括如下步骤：

步骤一：启动气泵为气浮平台3供气，气浮平台3沿长导轨1移动或锁紧固定在长导轨1上；

步骤二：将转台10固定在长导轨1的一端，且转台10台面与导轨台面平行；

步骤三：在气浮平台3上安装挂钩调整机构6和干涉仪反射镜4；

步骤四：拉绳位移传感器的固定端通过安装机构固定在转台10上，调整传感器安装机构11的位置使转台10旋转的过程中拉绳传感器2的出线端始终位于转台10的中心；

步骤五：拉绳将传感器拉绳挂钩挂在挂钩调整机构6上；

步骤六：调整挂钩调整机构6的上下左右位置，使得拉绳与长导轨1平行，且拉绳方向与气浮平台3移动方向一致；

步骤七：将干涉仪5固定于长导轨1的另一端，调整气浮平台3上干涉仪反射镜4的位置和角度,移动气浮平台3进行干涉仪5光路调整，使干涉仪5光路与长导轨1平行。

基于上述步骤一至步骤七实现拉绳位移传感器变角度测量装置的调试。

本实施例公开的一种拉绳位移传感器变角度测量装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤一，进行x向角度为零时的轴向灵敏度系数测试。

步骤1.1：使用传感器安装机构11将传感器调整至x向；

步骤1.2：将转台10调至零位；以拉绳传感器2的出口位置作为初始原点。

步骤1.3：控制气浮平台3沿长导轨1拉动拉绳传感器2，选择拉绳绷紧后的位置作为测试的初始位置，固定气浮平台3，待其稳定后，记录传感器输出信号初始值I₀、激光干涉仪5对于拉绳位置的初始测量值l₀；

步骤1.4：控制气浮平台3沿长导轨1进行传感器量程以内的等间隔位置移动，在各个测量位置上锁紧气浮平台3，分别记录传感器的输出值I_i和激光干涉仪5测量值l_i；

步骤1.5：通过如下式所述的拟合公式带入转台10零位时x向测量值，得到灵敏度系数

带入转台10零位时x向测量值，得到灵敏度系数

步骤二，进行x向角度θ_x时的灵敏度系数测试。

步骤2.1：将转台10调至带测试角度θ_x；以拉绳传感器2的出口位置作为初始原点；

步骤2.2：重复步骤一的步骤1.2、1.3、1.4，通过拟合公式代入x向角度θ_x时测量值得到该角度对应的灵敏度系数

步骤2.3：拉绳传感器2往往存在左右不对称的问题，即在θ位置测得的灵敏度系数，与-θ位置并不一致，需要分别测试。

步骤三，进行y向角度为零时的灵敏度系数测试。

使用安装机构将传感器调整至y向；

重复步骤一的步骤1.2、1.3、1.4，通过拟合公式代入y向转台10零位测量值，得到

步骤四，进行y向角度θ_y时时的灵敏度系数测试。

重复步骤二的步骤2.1、2.2、2.3，通过拟合公式代入y向角度θ_y时测量值，得到

步骤五，计算拉绳传感器2实际使用时的测量误差模型。

拉绳传感器2的校准，仅限于轴向灵敏度系数的测试，而当传感器用于非轴线测量时，而按轴线测量处理时，x、y两个方向引入的测量误差模型分别为

则总的测量误差模型为

使用该误差测量模型时，如果旋转角度在(0～θ)范围内，其变角度灵敏度与轴向灵敏度差别很小，即

并且由

求得的测量误差也在测量允许范围以内，由变角度引入的模型误差则能够忽略不计。

步骤六：基于步骤五得到的测量误差模型，对拉绳位移传感器的测量误差进行修正，实现拉绳位移传感器在拉绳位移传感器变角度条件下的灵敏度系数高精度测量。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种拉绳位移传感器变角度测量装置，其特征在于：主要由导向机构(1)、拉绳传感器(2)、气浮平台(3)、干涉仪反射镜(4)、干涉仪(5)、挂钩调整机构(6)、干涉仪显示屏(7)、转台驱动器(8)、传感器电源及输出信号测量仪(9)、转台(10)、传感器安装机构(11)组成；转台(10)的旋转为拉绳传感器(2)提供转台(10)平面内的标准角度位移；气浮平台(3)的移动带动传感器拉绳进行直线移动，且由干涉仪(5)给出高精度的直线位移值。

2.如权利要求1所述的一种拉绳位移传感器变角度测量装置，其特征在于：为方便将传感器进行90°翻转，传感器安装机构(11)为双向定心结构，即翻转前后拉绳传感器(2)在互相垂直的两个测试方向上，拉绳出口位置均位于转台(10)中心，所述传感器安装机构(11)的优点是不用重新定位，即能够实现双向定心，使得传感器的双向测试既方便又简洁，同时减小定位误差。

3.如权利要求2所述的一种拉绳位移传感器变角度测量装置，其特征在于：所述传感器安装机构(11)是一种复合型机构，包括固定部分和旋转部分，拉绳传感器(2)安装在旋转部分上，松开0°的锁紧螺丝，手动旋转，到达机械限位时旋转角度正好为90°，到位后锁紧90°位置的锁紧螺丝，即能够实现拉绳传感器(2)的90°翻转。

4.如权利要求3所述的一种拉绳位移传感器变角度测量装置，其特征在于：导向机构(1)需满足拉绳传感器(2)的量程和测量误差要求，选用长导轨(1)。

5.如权利要求4所述的一种拉绳位移传感器变角度测量装置，其特征在于：气浮平台(3)是由长导轨(1)导向、带动拉绳传感器(2)挂钩移动的机构。

6.如权利要求5所述的一种拉绳位移传感器变角度测量装置，其特征在于：干涉仪(5)用于拉绳的相对位移测量，保证测量方向与拉绳移动方向一致，且与导向机构(1)移动方向一致；干涉仪(5)优选激光干涉仪(5)。

7.如权利要求6所述的一种拉绳位移传感器变角度测量装置，其特征在于：为避免损坏传感器，使用时拉绳传感器(2)的测量量程不要超量程测试。

8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的一种拉绳位移传感器变角度测量装置，其特征在于：调试方法包括如下步骤，

步骤一：启动气泵为气浮平台(3)供气，气浮平台(3)沿长导轨(1)移动或锁紧固定在长导轨(1)上；

步骤二：将转台(10)固定在长导轨(1)的一端，且转台(10)台面与导轨台面平行；

步骤三：在气浮平台(3)上安装挂钩调整机构(6)和干涉仪反射镜(4)；

步骤四：拉绳位移传感器的固定端通过安装机构固定在转台(10)上，调整传感器安装机构(11)的位置使转台(10)旋转的过程中拉绳传感器(2)的出线端始终位于转台(10) 的中心；

步骤五：将传感器拉绳挂钩挂在挂钩调整机构(6)上；

步骤六：调整挂钩调整机构(6)的上下左右位置，使得拉绳与长导轨(1)平行，且拉绳方向与气浮平台(3)移动方向一致；

步骤七：将干涉仪(5)固定于长导轨(1)的另一端，调整气浮平台(3)上干涉仪反射镜(4)的位置和角度,移动气浮平台(3)进行干涉仪(5)光路调整，使干涉仪(5)光路与长导轨(1)平行；

基于上述步骤一至步骤七实现拉绳位移传感器变角度测量装置的调试。

9.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的一种拉绳位移传感器变角度测量装置，其特征在于：测试方法包括如下步骤，

步骤一，进行x向角度为零时的轴向灵敏度系数测试；

步骤1.1：使用传感器安装机构(11)将传感器调整至x向；

步骤1.2：将转台(10)调至零位；以拉绳传感器(2)的出口位置作为初始原点；

步骤1.3：控制气浮平台(3)沿长导轨(1)拉动拉绳传感器(2)，选择拉绳绷紧后的位置作为测试的初始位置，固定气浮平台(3)，待其稳定后，记录传感器输出信号初始值I₀、激光干涉仪(5)对于拉绳位置的初始测量值l₀；

步骤1.4：控制气浮平台(3)沿长导轨(1)进行传感器量程以内的等间隔位置移动，在各个测量位置上锁紧气浮平台(3)，分别记录传感器的输出值I_i和激光干涉仪(5)测量值l_i；

步骤1.5：通过拟合公式带入转台(10)零位时x向测量值，得到x向角度为零时的轴向灵敏度系数

步骤二，进行x向角度θ_x时的灵敏度系数测试；

步骤2.1：将转台(10)调至带测试角度θ_x；以拉绳传感器(2)的出口位置作为初始原点；

步骤2.2：重复步骤一的步骤1.2、1.3、1.4，通过拟合公式代入x向角度θ_x时测量值得到该角度对应的灵敏度系数

步骤2.3：拉绳传感器(2)往往存在左右不对称的问题，即在θ位置测得的灵敏度系数，与-θ位置并不一致，需要分别测试；

步骤三，进行y向角度为零时的灵敏度系数测试；

使用安装机构将传感器调整至y向；

重复步骤一的步骤1.2、1.3、1.4，通过拟合公式代入y向转台(10)零位测量值，得到

步骤四，进行y向角度θ_y时时的灵敏度系数测试；

重复步骤二的步骤2.1、2.2、2.3，通过拟合公式代入y向角度θ_y时测量值，得到

步骤五，计算拉绳传感器(2)实际使用时的测量误差模型；

拉绳传感器(2)的校准，仅限于轴向灵敏度系数的测试，而当传感器用于非轴线测量时，而按轴线测量处理时，x、y两个方向引入的测量误差模型分别为

则总的测量误差模型为

使用该误差测量模型时，如果旋转角度在(0～θ)范围内，其变角度灵敏度与轴向灵敏度差别很小，即

并且由

求得的测量误差也在测量允许范围以内，由变角度引入的模型误差则能够忽略不计；

步骤六：基于步骤五得到的测量误差模型，对拉绳位移传感器的测量误差进行修正，实现拉绳位移传感器在拉绳位移传感器变角度条件下的灵敏度系数高精度测量。

10.如权利要求9所述的一种拉绳位移传感器变角度测量装置，其特征在于：

步骤1.5所述的拟合公式优选如下式所述的最小二乘拟合公式

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