CN107367223A - 电容传感器位移补偿的电感传感器校准方法与装置 - Google Patents

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谭久彬
赵勃
孙传智
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Abstract

电容传感器位移补偿的电感传感器校准方法与装置属于精密测量技术领域。其校准方法与装置以双频激光干涉仪作为运动基准，直线电机作为宏动驱动元件，滚珠导轨作为宏动导向元件，直线光栅作为宏动反馈元件进行宏动粗定位；采用音圈电机作为微动驱动元件，气浮导轨作为微动导向元件，双频激光干涉仪与直线光栅尺作为微动反馈元件进行微动精定位，补偿宏动定位误差。利用四个电容传感器补偿宏微定位平台运动的俯仰与偏航误差；本发明可以有效解决位移传感器校准装置行程与精度之间的矛盾，实现大行程、高精度电感位移传感器的动静态校准。

Description

电容传感器位移补偿的电感传感器校准方法与装置
技术领域
本发明属于精密测量技术领域，主要涉及一种电容传感器位移补偿的电感传感器校准方法与装置。
背景技术
目前，我国大型高速回转装备没有超精密测量手段，装配精度无法保证，装配效率低下，发动机振动噪声等，这些都是制约我国军事工业和国民经济发展的重大难题。大型高速回转装备主要指各类大型高端燃气涡轮发动机，主要包括航空发动机、舰船用燃气轮机和高性能电站燃机。目前，航空发动机行业已成为世界航空强国的军事工业和国民经济的支柱产业。航空发动机在追求高性能的前提下，还要追求产品的高质量、高可靠性和长工作寿命，将两个都十分困难而又相互矛盾的目标兼顾起来，且同时得到提高，是十分困难的；此外航空发动机工作于极端环境，关键零部件都是在高温、高压、高负载力下工作，因此航空发动机的设计和制造的难度进一步加大。
发动机振动是影响飞机安全的一个重要因素，也是反应发动机性能的一项重要指标。发动机涡轮部件转速高、质量大，是发动机的一个主要振源。为了降低此影响，除了在发动机动平衡测试过程中加以消除，还必须严格控制其装配过程，因为发动机装配是动平衡的前一步骤，由装配体形位误差精度低导致振动在高速运转时会放大100至1000倍，装配时消除同心度/同轴度造成的偏摆可以很大程度上减小动平衡的压力。所以，作为提升航空发动机性能的关键技术，航空发动机装配过程中同心度/同轴度乃至圆柱度的精密测量越来越受到重视。
传感器作为航空发动机动静子表面轮廓信息的提取装置在同心度/同轴度乃至圆柱度的精密测量就显得尤为重要，位移传感器的机械系统和电路系统所带来的误差是限制传感器精度的重要因素，为了抑制或补偿这些误差，需要对位移传感器进行校准处理，使其能够溯源到更高精度的基准上。要实现对高精度位移传感器的校准，需要设计出一台具有更高精度的位移传感器校准系统。各种位移传感器之间的行程也有较大差异，有的位移传感器行程可以达到几十毫米甚至几米，有的则只能达到几微米的行程。因此，需使校准系统具有大行程、高精度的特点才能满足纳米传感器的校准需求。然而行程和精度本身就是矛盾的，这也增加校准系统的设计难度，也是目前迫切需要大行程、高精度位移传感器校准系统的原因。
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所提出一种标定平板电容位移传感器的装置(平板电容位移传感器标定装置。公开号：CN104048588A)。该装置采用单轴激光干涉仪作为位移基准，传感器被测面安装在导向机构前端，导向机构采用过约束的对称平行四边形机构，平板电容位移传感器安装在传感器支撑座中间，支撑座安装在微位移调整机构两侧，在驱动器的左端安装有驱动器推杆，该驱动器推杆顶推微位移调整机构的导向机构做单自由度直线运动，进而实现对平板电容位移传感器的标定。该装置存在的问题在于：只限于对平板电容位移传感器进行标定，且标定行程较小。
常州市计量测试技术研究所提出了一种用于直线位移传感器校准的装置(直线位移传感器自动化校准装置。公开号：CN103630099A)。该装置主要包括一基座，双直线导轨、光栅尺、伺服电机、垂直升降装置固定在基座上；滚轴丝杆通过联轴器与伺服电机连接；水平调整装置、通用夹具、锁紧螺母彼此卡扣并与垂直升降装置连接；滑动式激光反射镜支撑架、滑动式激光干涉镜支撑架、滑动式双频激光干涉仪支撑架固定在直线导轨上，其中固定拉杆、激光反射镜、光栅尺读数传感器固定在滑动式反射镜支撑架上，激光干涉镜固定在滑动式干涉镜支撑架，双频激光干涉仪固定在滑动式双频激光干涉仪支撑架上，可以实现对拉杆式、拉绳式等多种类型直线位移传感器的自动化检定与校准。该装置存在的问题在于：没有兼顾行程和精度指标，精度较低，无法实现高精度位移传感器校准。
德国联邦物理技术院(PTB)与Physik-Instrumente公司合作，研制出一种用于接触式探针位移传感器动态性能校准的新型运动装置，该探针位移传感器可以用到形貌测量、表面轮廓测量及坐标测量中。该装置具有尺寸小，集成度高的特点，系统采用压电陶瓷管来产生运动，并由一个微型光纤干涉仪实时测量，将测量结果反馈到DSP处理器实现闭环控制，因此，该校准平台可以溯源到国家长度标准(Rong Liang,Otto Jusko,Frank Ludicke,Michael Neugebauer.A novelpiezo vibration platform for probe dynamic performance calibration[J].MeasurementScience And Technology,Meas.Sci.Technol.12(2001)1509–1514)。该装置校准行程小，无法实现对大行程、高精度的位移传感器进行校准。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，提出一种电容传感器位移补偿的电感传感器校准方法与装置，以解决现有位移传感器校准装置行程与精度之间的矛盾，实现大行程、高精度电感位移传感器的动静态校准。
本发明的目的是这样实现的：
一种电容传感器位移补偿的电感传感器校准方法与装置，该方法与装置可以校准电感位移传感器的线性度；其特征主要包括被校准位移传感器、位移传递机构和位移基准仪器三部分，所述被校准位移传感器为电感位移传感器，电感位移传感器采用传感器夹持臂进行夹持固定，调整电感位移传感器的位置，保证电感位移传感器的测针运动轴线与双频激光干涉仪的测量光束所在光轴共线，传感器支座安装在基台上，传感器夹持臂固定在传感器支座的侧面；所述位移传递机构由宏动定位平台与微动定位平台组成，宏动定位平台由滚珠导轨、直线电机、直线光栅尺和直线光栅尺读数头组成，宏动定位平台安装在基台上，保证宏动定位平台运动轴线与双频激光干涉仪的测量光束平行，所述直线电机的直线电机动子与滚珠导轨的滚珠导轨滑块固连，保证直线电机的推力作用点靠近气浮导轨的运动轴线，直线电机的直线电机定子安装在滚珠导轨的滚珠导轨座内，直线光栅尺贴在滚珠导轨的滚珠导轨滑块外侧面，保证直线光栅尺与滚珠导轨的运动轴线平行，光栅尺支撑板安装在基台上，直线光栅尺读数头安装在光栅尺支撑板上，并位于滚珠导轨的滚珠导轨滑块的外侧，保证直线光栅尺读数头与直线光栅尺等高且平行，微动定位平台由气浮导轨、音圈电机、微动台转接板、传感器校准板和测量反射镜组成，微动定位平台安装在宏动定位平台上，保证微动定位平台的运动轴线与双频激光干涉仪的测量光束平行，微动台转接板与气浮导轨固连，测量反射镜位于双频激光干涉仪的测量光路上，并安装在微动台转接板上，传感器校准板安装在微动台转接板上的另一端，保证传感器校准板上的对准刻线在双频激光干涉仪的测量光束所在的光轴上，宏动导轨转接板安装在滚珠导轨的滚珠导轨滑块上，气浮导轨的气浮导轨底座安装在宏动导轨转接板上，所述音圈电机安装在宏动导轨转接板的另一端，音圈电机动子安装板与气浮导轨的气浮导轨滑块固连，音圈电机的音圈电机动子安装在音圈电机动子安装板上，音圈电机定子安装板安装在宏动导轨转接板上，音圈电机的音圈电机定子安装在音圈电机定子安装板上；控制位移传递机构进行回零运动，使其回到校准装置的初始零点；控制位移传递机构进行压表运动，使其运动到电感位移传感器校准起始点；所述位移基准仪器采用双频激光干涉仪，双频激光干涉仪的测量光束可以提供整个装置的位移基准，干涉仪支座固装在基台上，双频激光干涉仪固装在干涉仪支座上，电容传感器用来测量位移传递机构运动过程中所产生的偏转角和俯仰角，所述电容传感器两两分布布置在滚珠导轨的上侧和右侧，电容传感器安装板一安装在基台上，电容传感器一安装在电容传感器安装板一上，并位于滚珠导轨的上侧，电容传感器二安装在电容传感器安装板一上，并位于滚珠导轨的右侧，保证两电容传感器与被测面平行，电容传感器安装板二安装在基台上，电容传感器三安装在电容传感器安装板二上，并位于滚珠导轨的上侧，电容传感器四安装在电容传感器安装板二上，并位于滚珠导轨的右侧，保证两电容传感器与被测面平行，同时保证电容传感器一与电容传感器三等高，保证电容传感器二与电容传感器四右对齐；控制位移传递机构进行校准运动，在电感位移传感器校准行程内，等间隔选取10个点，当位移传递机构运动到选取测量点时，同步采集双频激光干涉仪位移测量值s1'、电容传感器一测得位移值s2'、电容传感器二测得位移值s3'、电容传感器三测得位移值s4'、电容传感器四测得位移值s5'与电感位移传感器位移值s；利用电容传感器一测得位移值s2'、电容传感器二测得位移值s3'、电容传感器三测得位移值s4'、电容传感器四测得位移值s5'对双频激光干涉仪位移测量值s1'进行补偿，得到双频激光干涉仪补偿后位移测量值s'；将采集到的数据进行线性拟合得到函数yi＝k×si+b，其中，i＝1，2，…，10，yi为拟合后电感位移传感器位移测量值，k为拟合系数，b为拟合截距，si为拟合前电感位移传感器位移测量值，则在校准行程内最大非线性误差max|yi-si'|与全量程的比值为线性度，其中，i＝1，2，…，10，si'为校准行程内选取测量点处双频激光干涉仪补偿后位移测量值。
与现有技术相比，本发明的特点是：
本发明采用宏微双重驱动的结构，并用双频激光干涉仪提供位移基准，在提高校准装置校准行程的同时，还能保证校准装置具有较高的精度。利用电容传感器测量位移传递机构在运动过程中的偏转和俯仰角，实时监测校准装置在运动过程中的姿态，并进行位移补偿处理，从而消除了校准装置在运动过程中偏转和俯仰带来的误差，保证了校准装置校准精度。
附图说明：
图1是电感位移传感器校准装置结构示意图
图2是电感位移传感器结构示意图
图3是传感器校准板结构示意图
图4是双频激光干涉仪结构示意图
图5是电容传感器位置排布及宏动定位平台结构示意图
图6是电容传感器位移补偿原理示意图
图7是微动定位平台结构示意图
图中件号：1—传感器支座，2—传感器夹持臂，3—电感位移传感器，3a—测针，4—传感器校准板，4a—对准刻线，5—微动台转接板，6—气浮导轨，6a—气浮导轨底座，6b—气浮导轨滑块，7—测量反射镜，8—音圈电机，8a—音圈电机动子安装板，8b—音圈电机动子，8c—音圈电机定子，8d—音圈电机定子安装板，9—电容传感器，9a—电容传感器一，9b—电容传感器二，9c—电容传感器安装板一，9d—电容传感器三，9e—电容传感器四，9f—电容传感器安装板二，10—双频激光干涉仪，10a—测量光束，11—干涉仪支座，12—基台，13—直线电机，13a—直线电机动子，13b—直线电机定子，14—滚珠导轨，14a—滚珠导轨滑块，14b—滚珠导轨座，15—光栅尺支撑板，16—直线光栅尺读数头，17—直线光栅尺，18—宏动导轨转接板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
一种电容传感器位移补偿的电感传感器校准方法与装置，所述方法与装置是：整个装置主要分为位移基准仪器、位移传递机构和被校准位移传感器三部分。整个装置放置在隔振平台上，并置于恒温环境下。所述被校准位移传感器采用电感位移传感器3，电感位移传感器3采用传感器夹持臂2进行夹持固定，调整电感位移传感器3的位置，保证电感位移传感器3的测针3a运动轴线与双频激光干涉仪10的测量光束10a所在光轴共线，传感器支座1安装在基台12上，传感器夹持臂2固定在传感器支座1的侧面。所述位移传递机构采用宏微两级驱动方式，由宏动定位平台与微动定位平台组成，宏动定位平台提供大行程粗定位，由滚珠导轨14、直线电机13、直线光栅尺17和直线光栅尺读数头16组成，宏动定位平台安装在基台12上，保证宏动定位平台运动轴线与双频激光干涉仪10的测量光束10a平行，所述直线电机13的直线电机动子13a与滚珠导轨14的滚珠导轨滑块14a固连，保证直线电机13的推力作用点靠近气浮导轨14的运动轴线，直线电机13的直线电机定子13b安装在滚珠导轨14的滚珠导轨座14b内，直线光栅尺17贴在滚珠导轨14的滚珠导轨滑块14a外侧面，保证直线光栅尺17与滚珠导轨14的运动轴线平行，光栅尺支撑板15安装在基台12上，直线光栅尺读数头16安装在光栅尺支撑板15上，并位于滚珠导轨14的滚珠导轨滑块14a的外侧，保证直线光栅尺读数头16与直线光栅尺17等高且平行。微动定位平台提供小行程精定位，由气浮导轨6、音圈电机8、微动台转接板5、传感器校准板4和测量反射镜7组成，微动定位平台安装在宏动定位平台上，保证微动定位平台的运动轴线与双频激光干涉仪10的测量光束10a平行，微动台转接板5与气浮导轨6固连，测量反射镜7位于双频激光干涉仪10的测量光路上，安装在微动台转接板5上，传感器校准板4安装在微动台转接板5上的另一端，保证传感器校准板4上的对准刻线4a在双频激光干涉仪10的测量光束10a所在的光轴上，宏动导轨转接板18安装在滚珠导轨14的滚珠导轨滑块14a上，气浮导轨6的气浮导轨底座6a安装在宏动导轨转接板18上，所述音圈电机8安装在宏动导轨转接板18的另一端，音圈电机动子安装板8a与气浮导轨6的气浮导轨滑块6b固连，音圈电机8的音圈电机动子8b安装在音圈电机动子安装板8a上，音圈电机定子安装板8d安装在宏动导轨转接板18上，音圈电机8的音圈电机定子8c安装在音圈电机定子安装板8d上。控制位移传递机构进行回零运动，位移传递机构寻找宏动定位平台的零位，作为初始零点，微动定位平台运动到其半量程处，作为初始零点。控制位移传递机构进行压表运动，宏动定位平台从初始零点出发，在压表之前高速且匀速运动，当压表成功后，宏动定位平台低速匀速运动，运动到电感位移传感器3校准行程起始点。所述位移基准仪器采用双频激光干涉仪10，双频激光干涉仪10的测量光束10a可以提供整个装置的位移基准，干涉仪支座11固装在基台12上，双频激光干涉仪10固装在干涉仪支座11上，保证双频激光干涉仪10的测量光束10a与位移传递机构运动轴线平行。电容传感器9用来测量位移传递机构运动过程中所产生的偏转角和俯仰角，所述电容传感器9两两分布布置在滚珠导轨14的上侧和右侧，电容传感器安装板一9c安装在基台12上，电容传感器一9a安装在电容传感器安装板一9c上，并位于滚珠导轨14的上侧，电容传感器二9b安装在电容传感器安装板一9c上，并位于滚珠导轨14的右侧，保证两电容传感器与被测面平行，电容传感器安装板二9f安装在基台12上，电容传感器三9d安装在电容传感器安装板二9f上，并位于滚珠导轨14的上侧，电容传感器四9e安装在电容传感器安装板二9f上，并位于滚珠导轨14的右侧，保证两电容传感器与被测面平行，同时保证电容传感器一9a与电容传感器三9d等高，保证电容传感器二9b与电容传感器四9e右对齐。控制位移传递机构进行校准运动，在电感位移传感器3校准行程内，等间隔选取十个点，当位移传递机构运动到选取测量点时，同步采集双频激光干涉仪10的位移测量值s1'、电容传感器一9a的位移测量值s2'、电容传感器二9b的位移测量值s3'、电容传感器三9d的位移测量值s4'，电容传感器四9e的位移测量值s5'与电感位移传感器3的位移值s。根据电容传感器二9b的位移测量值s3'与电容传感器四9e的位移测量值s5'可知，若位移传递机构在运动过程中绕中心点O发生偏转，由已知电容传感器二9b与电容传感器四9e之间的距离D，我们可以算出其偏转角进而可以算出偏转所引起的测量光束10a上的位移偏差e，进行补偿得到s'。将采集到的数据进行线性拟合得到函数yi＝k×si+b，其中，i＝1，2，…，10，yi为拟合后电感位移传感器3位移测量值，k为拟合系数，b为拟合截距，si为拟合前电感位移传感器3位移测量值，则校准行程内最大非线性误差max|yi-si'|与全量程的比值为线性度，其中，i＝1，2，…，10，si'为校准行程内选取测量点处双频激光干涉仪10补偿后位移测量值。

Claims (1)

1.一种电容传感器位移补偿的电感传感器校准方法与装置，其特征在于：该校准装置主要包括被校准位移传感器、位移传递机构和位移基准仪器三部分，所述被校准位移传感器为电感位移传感器(3)，电感位移传感器(3)采用传感器夹持臂(2)进行夹持固定，调整电感位移传感器(3)的位置，保证电感位移传感器(3)的测针(3a)运动轴线与双频激光干涉仪(10)的测量光束(10a)所在光轴共线，传感器支座(1)安装在基台(12)上，传感器夹持臂(2)固定在传感器支座(1)的侧面；所述位移传递机构由宏动定位平台与微动定位平台组成，宏动定位平台由滚珠导轨(14)、直线电机(13)、直线光栅尺(17)和直线光栅尺读数头(16)组成，宏动定位平台安装在基台(12)上，保证宏动定位平台运动方向与双频激光干涉仪(10)的测量光束(10a)平行，所述直线电机(13)的直线电机动子(13a)与滚珠导轨(14)的滚珠导轨滑块(14a)固连，保证直线电机(13)的推力作用点靠近气浮导轨(14)的运动轴线，直线电机(13)的直线电机定子(13b)安装在滚珠导轨(14)的滚珠导轨座(14b)内，直线光栅尺(17)贴在滚珠导轨(14)的滚珠导轨滑块(14a)外侧面，保证直线光栅尺(17)与滚珠导轨(14)的运动方向平行，光栅尺支撑板(15)安装在基台(12)上，直线光栅尺读数头(16)安装在光栅尺支撑板(15)上，并位于滚珠导轨(14)的滚珠导轨滑块(14a)的外侧，保证直线光栅尺读数头(16)与直线光栅尺(17)等高且平行，微动定位平台由气浮导轨(6)、音圈电机(8)、微动台转接板(5)、传感器校准板(4)和测量反射镜(7)组成，微动定位平台安装在宏动定位平台上，保证微动定位平台的运动方向与双频激光干涉仪(10)的测量光束(10a)平行，微动台转接板(5)与气浮导轨(6)固连，测量反射镜(7)位于双频激光干涉仪(10)的测量光路上，并安装在微动台转接板(5)上，传感器校准板(4)安装在微动台转接板(5)上的另一端，保证传感器校准板(4)上的对准刻线(4a)在双频激光干涉仪(10)的测量光束(10a)所在的光轴上，宏动导轨转接板(18)安装在滚珠导轨(14)的滚珠导轨滑块(14a)上，气浮导轨(6)的气浮导轨底座(6a)安装在宏动导轨转接板(18)上，所述音圈电机(8)安装在宏动导轨转接板(18)的另一端，音圈电机动子安装板(8a)与气浮导轨(6)的气浮导轨滑块(6b)固连，音圈电机(8)的音圈电机动子(8b)安装在音圈电机动子安装板(8a)上，音圈电机定子安装板(8d)安装在宏动导轨转接板(18)上，音圈电机(8)的音圈电机定子(8c)安装在音圈电机定子安装板(8d)上；控制位移传递机构进行回零运动，使其回到校准装置的初始零点；控制位移传递机构进行压表运动，使其运动到电感位移传感器(3)校准起始点；所述位移基准仪器采用双频激光干涉仪(10)，双频激光干涉仪(10)的测量光束(10a)可以提供整个装置的位移基准，干涉仪支座(11)固装在基台(12)上，双频激光干涉仪(10)固装在干涉仪支座(11)上，电容传感器(9)用来测量位移传递机构运动过程中所产生的偏转角和俯仰角，所述电容传感器(9)两两分布布置在滚珠导轨(14)的上侧和右侧，电容传感器安装板一(9c)安装在基台(12)上，电容传感器一(9a)安装在电容传感器安装板一(9c)上，并位于滚珠导轨(14)的上侧，电容传感器二(9b)安装在电容传感器安装板一(9c)上，并位于滚珠导轨(14)的右侧，保证两电容传感器与被测面平行，电容传感器安装板二(9f)安装在基台(12)上，电容传感器三(9d)安装在电容传感器安装板二(9f)上，并位于滚珠导轨(14)的上侧，电容传感器四(9e)安装在电容传感器安装板二(9f)上，并位于滚珠导轨(14)的右侧，保证两电容传感器与被测面平行，同时保证电容传感器一(9a)与电容传感器三(9d)等高，保证电容传感器二(9b)与电容传感器四(9e)右对齐；控制位移传递机构进行校准运动，在电感位移传感器(3)校准行程内，等间隔选取10个点，当位移传递机构运动到选取测量点时，同步采集双频激光干涉仪(10)位移测量值s1'、电容传感器一(9a)测得位移值s2'、电容传感器二(9b)测得位移值s3'、电容传感器三(9d)测得位移值s4'、电容传感器四(9e)测得位移值s5'与电感位移传感器(3)位移值s；利用电容传感器一(9a)测得位移值s2'、电容传感器二(9b)测得位移值s3'、电容传感器三(9d)测得位移值s4'、电容传感器四(9e)测得位移值s5'对双频激光干涉仪(10)位移测量值s1'进行补偿，得到双频激光干涉仪(10)补偿后位移测量值s'；将采集到的数据进行线性拟合得到函数yi＝k×si+b，其中，i＝1，2，…，10，yi为拟合后电感位移传感器(3)位移测量值，k为拟合系数，b为拟合截距，si为拟合前电感位移传感器(3)位移测量值，则在校准行程内最大非线性误差max|yi-si'|与全量程的比值为线性度，其中，i＝1，2，…，10，si'为校准行程内选取测量点处双频激光干涉仪(10)补偿后位移测量值。
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