CN107121055A - 一种电涡流位移传感器阵列的三维标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种电涡流位移传感器陈列的三维标定方法属于检测技术领域，涉及一种电涡流位移传感器陈列的三维标定方法。该方法采用由平面和斜面组成的标定件，先利用标定件的平面进行电涡流位移传感器阵列探头的轴向标定；后利用标定件的斜面，根据空间几何关系，实现对电涡流位移传感器阵列的探头沿垂直于轴线平面方向上的标定，包括电涡流位移传感器探头阵列的横向和纵向标定，最终实现对电涡流位移传感器阵列的三维标定。标定方法标定精度高，普适性强，不受电涡流位移传感器种类的限制，实现对不同种类不同排列方式的电涡流位移传感器阵列进行三维标定，且调整标定件倾角即可实现对不同量程的电涡流位移传感器阵列三维标定，标定效率高。

Description

一种电涡流位移传感器阵列的三维标定方法
技术领域
本发明属于检测技术领域，涉及一种电涡流位移传感器阵列的三维标定方法。
背景技术
由于电涡流位移传感器具有可静态和动态地非接触、高分辨率地测量的优点，其越来越多地应用于检测领域。并且，从最开始的单个的电涡流位移传感器的使用，到如今出现多个电涡流位移传感器组合阵列的形式的使用。这使得对电涡流位移传感器的标定方法有了更高的要求，单独的对于电涡流位移传感器的标定方法已经无法满足现在的测量需求，还需要可以对电涡流位移传感器阵列进行空间三维标定的方法才能满足现在对于电涡流位移传感器阵列的使用需求。而电涡流位移传感器阵列的标定将直接影响后期的测量过程以及测量结果的精度。在目前情况下，如何合理地设计标定件及三维标定方法实现对于电涡流位移传感器阵列的整体三维标定已经成为现在主要的问题以及主要的研究方向。
汪云等人2001年在汽车技术期刊第2期发表的《车身电涡流位移传感器的一种标定方法》中利用电涡流位移传感器的位移测量值与线圈电感之间的函数关系，采用调频法进行标定，这种方法虽然可以，但是其只能针对此种特定的电涡流位移传感器适用，对于有着不同电路设计的不同种类的电涡流位移传感器无法普遍适用。且利用函数关系进行标定过程需要对特定的复杂电路进行分析使标定过程难度加大，没有普遍性。除此以外，也没有可以普遍适用于电涡流位移传感器阵列的整体三维标定方法。针对这一方面的研究较少，无法满足现在检测领域对于电涡流位移传感器阵列的整体标定的需求，相应的对于电涡流位移传感器阵列三维标定的方法也很少。
发明内容
本发明要解决的技术难题是实现对于电涡流位移传感器阵列的整体三维标定，发明了一种标定件来进行电涡流位移传感器阵列整体三维标定。标定件采用具有平面和斜面两种特征的结构，在进行标定时，采用两步法进行标定，第一步是探头对准平面结构，对电涡流位移传感器阵列探头进行轴向标定，第二步翻转旋转标定件，探头对准标定件斜面结构，进行标定采集数据后进行电涡流位移传感器探头阵列的纵向相对位置关系标定，再逆时针90°旋转标定件，探头对准标定件斜面结构，进行标定采集数据进行电涡流位移传感器探头阵列的横向相对位置关系标定，通过对于电涡流位移传感器探头阵列的轴向、纵向以及横向相对位置标定，实现对电涡流位移传感器探头阵列的三维标定。
本发明采用的技术方案是一种电涡流位移传感器阵列的三维标定方法，其特征是，该方法采用由平面和斜面两部分组成的标定件，先利用标定件的平面结构进行电涡流位移传感器阵列探头的轴向标定；后利用标定件的斜面结构，根据空间几何关系，实现对电涡流位移传感器阵列的探头沿垂直于轴线平面方向上的标定，包括电涡流位移传感器探头阵列的横向和纵向标定，最终实现对电涡流位移传感器阵列的三维标定；该方法的具体步骤如下：
第一步、电涡流位移传感器阵列的探头轴向标定
电涡流位移传感器阵列由安装在测量架2上的多个电涡流位移传感器的探头(i,j,k...)构成，标定件1上有平面a、斜面b和凸块c，利用标定件1的平面a实现对电涡流位移传感器阵列的沿探头轴线方向上的标定；标定过程中，要求电涡流位移传感器阵列位置固定，标定件1固定于电控平台上，其位置要求垂直于电涡流位移传感器阵列轴线位置且与探头阵列间距处于电涡流位移传感器量程范围内的位置；启动电涡流位移传感器阵列，读取阵列中所有探头的位移测量值；则求取的任意两探头间位移测量值的差值即为此任意两探头间沿轴线方向的相对距离；其具体公式如下：
ΔXij＝ΔXi-ΔXj (1)
其中：i、j为测量架上安装的探头1、2，ΔXi为探头i的位移值，ΔXj为探头j的位移值，ΔXij为求取的两探头沿轴线方向的相对距离；由公式(1)完成对阵列中所有探头间沿轴线方向的相对位置关系的标定；
第二步、电涡流位移传感器阵列的探头沿垂直轴向平面的标定
第一步完成后，翻转标定件1使电涡流位移传感器阵列对准标定件的斜面b，开始进行对电涡流位移传感器阵列的沿垂直轴向平面的标定过程；此标定过程主要是为了消除电涡流位移传感器阵列安装时的安装误差以及电涡流位移传感器阵列固定件-测量架的加工误差；
标定件1与电涡流位移传感器探头阵列的相对位置，应用三角函数实现电涡流位移传感器阵列的沿垂直轴向平面的标定过程；其具体公式如下：
其中，α为标定件1的斜面倾角，ΔX-最终要求的沿轴向方向的相对距离， Yij-探头1、2的纵向相对距离。
标定时，通过测量得到探头i和探头j的位移测量值ΔXi和ΔXj，ΔXij为第一步中经过电涡流位移传感器阵列沿轴线方向的标定过程得到的探头i、探头j 轴向相对距离；由此，求得在水平方向上探头位移值的差值ΔX＝ΔXi-(ΔXj-ΔXij)，其与所标定的电涡流位移传感器阵列中量程最大的电涡流位移传感器有关，需要保证斜面倾角α满足最远处探头的测量量程；通过公式(2)求得电涡流位移传感器阵列中任意两探头间的竖直方向上的距离Yij；
完成后竖直方向上的标定后，将标定件1旋转90°，其中，标定件1下方所设计的两块凸块c即为固定部位，实现纵向斜面以及旋转90°以后横向斜面的固定；旋转90°以后，纵向斜面变为横向斜面，再次利用前面的步骤实现对电涡流位移传感器阵列中在垂直于轴线平面内的任意两个探头间的横向距离的标定；此时，公式(2)中Yij即变为阵列中任意两探头的横向距离；由此，最终可得到电涡流位移传感器阵列中所有探头点间的空间相对位置关系，即实现对电涡流位移传感器阵列的空间三维标定过程。
本发明的有益效果是此方法中这种具有平面及斜面两种结构的标定件相对于只能用于单个电涡流位移传感器标定的标定平板来说能够实现电涡流位移传感器阵列的三维整体标定，大大降低因加工误差以及电涡流位移传感器探头的安装误差而产生的标定误差，进而提高了测量精度，适用于不同种类不同排列方式的电涡流位移传感器阵列，普适性很强，标定效率高。
附图说明
图1为电涡流位移传感器阵列三维标定原理图。图中，1-标定件，2-测量架， a-平面，b-斜面，c-凸块，i、j为测量架上安装的探头1、2，ΔXi-X方向的位移测量值，ΔXj-Y方向的位移测量值，ΔXij-探头1、2沿轴线方向的相对距离，ΔX-最终要求的沿轴向方向的相对距离，α-斜面倾角，Yij-探头1、2的纵向相对距离。
图2为电涡流位移传感器阵列三维标定过程的流程图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
附图1为电涡流位移传感器阵列三维标定原理图。图2为电涡流位移传感器阵列三维标定过程的流程图。整个标定过程包括电涡流位移传感器阵列沿轴线方向相对距离标定和电涡流位移传感器阵列沿垂直于轴线的平面方向上的相对位置标定两个步骤，具体步骤如下：
第一步、电涡流位移传感器阵列的探头轴向标定
本实施例中以含有4个探头的电涡流位移传感器阵列为例。标定前，固定电涡流位移传感器阵列于测量架2上，后将测量架2进行固定，将标定件1固定于电控平台上使电涡流位移传感器阵列的探头对准标定件1的平面a，探头距离标定件平面的间距要求在电涡流位移传感器探头的量程范围内。本实施例使用的是量程为0-4mm的电涡流位移传感器，因此取间距为2.5mm的位置进行标定实验。
安装完毕后，启动电涡流位移传感器阵列，待读数稳定后读取所有探头的位移测量值。位移测量值分别为ΔX1＝2.49mm，ΔX2＝2.47mm，ΔX3＝2.51mm，ΔX4＝2.50mm。带入公式(1)中求取的任意两探头间位移测量值的差值即为此任意两探头间沿轴线方向的相对距离分别为ΔX12＝0.02mm，ΔX13＝-0.02mm，ΔX14＝-0.01mm，ΔX23＝-0.04mm，ΔX24＝-0.03mm，ΔX34＝0.01mm。
第二步、电涡流位移传感器阵列的探头沿垂直轴向平面的标定
第一步完成后，关闭电涡流位移传感器阵列，控制电控平台先后退至安全距离后，进行旋转180°，即翻转标定件1使电涡流位移传感器阵列对准标定件 1的斜面b，后控制标定件1平移至距离电涡流位移传感器阵列2mm处以保证所有探头都在量程内，启动电涡流位移传感器阵列，开始进行对电涡流位移传感器阵列的沿垂直轴向平面的标定过程。
待示数稳定后，读取探头的位移测量值分别为ΔX1＝3.71mm，ΔX2＝3.68mm，ΔX3＝1.81mm和ΔX4＝1.93mm，经过步骤(1)电涡流位移传感器阵列沿轴线方向的标定过程得到的各探头轴向相对距离分别为ΔX12＝0.02mm，ΔX13＝-0.02mm，ΔX14＝-0.01mm，ΔX23＝-0.04mm，ΔX24＝-0.03mm，ΔX34＝0.01mm。由以上参数则求得在水平方向上探头位移值的差值分别为：
探头1和探头2之间的为ΔX＝0.01mm，探头1和探头3之间的为ΔX＝1.92mm，探头1和探头4之间的为ΔX＝1.79mm，探头2和探头3之间的为ΔX＝1.91mm，探头2和探头4之间的为ΔX＝1.78mm，探头3和探头4之间的为ΔX＝-0.13mm。根据本实施例中选取量程为0-4mm的电涡流位移传感器探头，为保证标定件斜面倾角满足测量量程，本实施例中设置标定件斜面倾角为α＝2°。通过将以上参数带入公式(2)求得电涡流位移传感器阵列中任意两探头间的竖直方向上的距离，分别为Y12＝0.2864mm，Y13＝54.9816mm， Y14＝51.2589mm，Y23＝54.6952mm，Y24＝50.9725mm，Y34＝3.7227mm。
电涡流位移传感器阵列中所有在垂直于轴线平面内的任意两探头之间的纵向相对距离标定完成后，控制标定件1逆时针旋转90°，对横向斜面进行固定。再次利用上述原理对电涡流位移传感器阵列中在垂直于轴线平面内的任意两个探头间的横向距离进行标定。与纵向标定的操作相同，读取探头的位移测量值分别为ΔX1'＝3.69mm，ΔX2'＝1.79mm，ΔX3'＝3.70mm和ΔX4'＝1.80mm，求得在水平方向上探头位移值的差值分别为：探头1和探头2之间的为ΔX'＝1.88mm，探头1和探头3之间的为ΔX'＝0.01mm，探头1和探头4之间的为ΔX'＝1.90mm，探头2和探头3之间的为ΔX'＝-1.87mm，探头2和探头4之间的为ΔX'＝0.02mm，探头3和探头4之间的为ΔX'＝1.89mm。斜面倾角α＝2°不变，将参数再次带入公式(2)中，求得电涡流位移传感器阵列中任意两探头间的横向相对距离分别为Y12'＝53.8362mm，Y13'＝0.2864mm，Y14'＝54.4089mm， Y23'＝53.5498mm，Y24'＝0.5727mm，Y34'＝54.1225mm。
本发明的标定件1相对于传统的标定件，可以同时对电涡流位移传感器阵列的探头进行三维标定，标定效率高。并且，实现电涡流位移传感器阵列的三维标可以从根本上消除电涡流位移传感器的安装误差以及测量架的加工误差对标定结果的影响，进而提高测量精度。除此之外，此种三维标定方法适用于具有不同种类不同排列方式的电涡流位移传感器阵列，且通过改变标定件的斜面倾角可以实现对不同量程的电涡流位移传感器阵列进行三维标定，普适性大。

Claims (1)

1.一种电涡流位移传感器阵列的三维标定方法，其特征是，该方法采用由平面和斜面两部分组成的标定件，先利用标定件的平面结构进行电涡流位移传感器阵列探头的轴向标定；后利用标定件的斜面结构，根据空间几何关系，实现对电涡流位移传感器阵列的探头沿垂直于轴线平面方向上的标定，包括电涡流位移传感器探头阵列的横向和纵向标定，最终实现对电涡流位移传感器阵列的三维标定；该方法的具体步骤如下：
第一步、电涡流位移传感器阵列的探头轴向标定
电涡流位移传感器阵列由安装在测量架(2)上的多个电涡流位移传感器的探头(i,j,k..n)构成，标定件(1)具有平面a、斜面b和凸块c，利用标定件(1)的平面a实现对电涡流位移传感器阵列的沿探头轴线方向上的标定；标定过程中，要求电涡流位移传感器阵列位置固定，标定件(1)固定于电控平台上，其位置要求垂直于电涡流位移传感器阵列轴线位置且与探头阵列间距处于电涡流位移传感器量程范围内的位置；启动电涡流位移传感器阵列，读取阵列中所有探头的位移测量值；则求取的任意两探头间位移测量值的差值即为此任意两探头间沿轴线方向的相对距离；其具体公式如下：
ΔXij＝ΔXi-ΔXj (1)
其中：i、j为测量架上安装的探头1、2，ΔXi为探头i的位移值，ΔXj为探头j的位移值，ΔXij为求取的两探头沿轴线方向的相对距离；由公式(1)完成对阵列中所有探头间沿轴线方向的相对位置关系的标定；
第二步、电涡流位移传感器阵列的探头沿垂直轴向平面的标定
第一步完成后，翻转标定件(1)使电涡流位移传感器阵列对准标定件的斜面b，开始进行对电涡流位移传感器阵列的沿垂直轴向平面的标定过程；此标定过程主要是为了消除电涡流位移传感器阵列安装时的安装误差以及电涡流位移传感器阵列固定件-测量架的加工误差；
标定件(1)与电涡流位移传感器探头阵列的相对位置，应用三角函数实现电涡流位移传感器阵列的沿垂直轴向平面的标定过程；其具体公式如下：
<mrow> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>X</mi> <mo>|</mo> </mrow> <mrow> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，α为标定件1的斜面倾角，ΔX-最终要求的沿轴向方向的相对距离，Yij-探头1、2的纵向相对距离；
标定时，通过测量得到探头i和探头j的位移测量值ΔXi和ΔXj，ΔXij为第一步中经过电涡流位移传感器阵列沿轴线方向的标定过程得到的探头i、探头j轴向相对距离；由此，求得在水平方向上探头位移值的差值ΔX＝ΔXi-(ΔXj-ΔXij)，其与所标定的电涡流位移传感器阵列中量程最大的电涡流位移传感器有关，要保证斜面倾角α满足最远处探头的测量量程；通过公式(2)求得电涡流位移传感器阵列中任意两探头间的竖直方向上的距离Yij；
完成后竖直方向上的标定后，将标定件(1)旋转90°，其中，标定件(1)下方所设计的两块凸块c即为固定部位，实现纵向斜面以及旋转90°以后横向斜面的固定；旋转90°以后，纵向斜面变为横向斜面，再次利用前面的步骤实现对电涡流位移传感器阵列中在垂直于轴线平面内的任意两个探头间的横向距离的标定；此时，公式(2)中Yij即变为阵列中任意两探头的横向距离；由此，最终可得到电涡流位移传感器阵列中所有探头点间的空间相对位置关系，即实现对电涡流位移传感器阵列的空间三维标定过程。
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