CN107830808B - 一种高低温环境光栅位移传感器的校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高低温环境光栅位移传感器校准方法及装置。本发明中的装置包括恒温箱、第一轴承、刚性轴、高低温环境试验箱、第一支撑杆、激光头、分光镜、反射镜、第二轴承、第二支撑杆、第一微调整平台、环境补偿器和第二微调整平台利用机械传动的方式将高低温环境下的长度参量变化传递至常温环境。在校准过程中，利用激光干涉仪以及环境补偿器测量出刚性轴的热变形量；然后在各温度测量点下记录下高低温环境光栅位移传感器的读数头的读数和激光干涉仪的读数；并进行补偿即可得到光栅位移传感器在各测量条件下的示值误差。本发明能够对高低温环境下的光栅位移传感器进行校准，将高低温环境光栅位移传感器的测量结果溯源至国家长度基准。

Description

一种高低温环境光栅位移传感器的校准方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光栅位移传感器校准装置，尤其是涉及一种高低温环境光栅位移传感器校准方法及装置。

背景技术

随着我国工业的快速发展，越来越多的精密、复杂仪器机构的应用环境从常温扩展到了高低温环境(-100～100℃)。为了保证机构的可靠性和稳定性，必须对其进行装配精度、传动效率、振动、力和力矩、刚度以及电性能参数多性能测试。由于光栅位移传感器的环境抗干扰性较好，其在高低温环境下的应用越来越广泛。

目前，国内对光栅位移传感器的检定主要是依据JJG 341-1994《光栅线位移测量装置》检定规程，使用激光干涉测长仪或长光栅比长仪对光栅位移传感器进行检定。用激光干涉测长仪检定光栅装置的准确度时，需使光栅尺在工作台上至少等温(20℃)1h，达到一次测量中对尺温波动和气温波动的要求后方可进行校准；用长光栅比较仪检定光栅装置的准确度时，需将标准光栅装置与被检光栅装置安装在长光栅比较仪上，采用并联纵动或串联纵动的方式进行比较测量，且需平衡温度(20℃)2h，待温度达到一次测量中对尺温波动和气温波动的要求后方可进行校准。

综上所述，目前我国现有的光栅位移传感器检定方法仅能对20℃时的光栅位移传感器进行检定，尚不能在高低温环境下完成对光栅位移传感器的检定。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种高低温环境光栅位移传感器校准方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明中的校准装置，包括上位机、恒温箱、第一轴承、刚性轴、高低温环境试验箱、第一支撑杆、多孔状工作平台、激光头、分光镜、反射镜、第二轴承、第二支撑杆、第一微调整平台、环境补偿器和第二微调整平台。

所述的激光头固定在第二微调整平台上，所述的第二微调整平台固定在第二平台固定架上；所述的第二平台固定架固定在恒温箱内部底板上。

所述的分光镜固定在第一微调整平台上，参考镜固定在所述的分光镜的一侧；所述的第一微调整平台通过固定在第一平台固定架上；所述的第一平台固定架固定在恒温箱内部底板上。

所述的反射镜固定在反射镜固定架上；所述的反射镜固定架与刚性轴的一端相连接；所述的刚性轴通过第二轴承与第二支撑杆的一端相连接；所述的第二支撑杆的另一端与第二支撑杆固定台连接，所述的第二支撑杆固定台固定在所述的恒温箱内部底板上。

所述的刚性轴通过第一轴承与第一支撑杆的一端相连接；所述的第一支撑杆的一端与第一支撑杆固定台连接，所述的第一支撑杆固定台固定在多孔状工作平台上；所述的多孔状工作平台放置于大理石台上。

所述的刚性轴的另一端与高低温环境实验箱内的光栅位移传感器的读数头相连接；环境补偿器直接固定在所述的恒温箱内部底板上，所述的环境补偿器的输入端分别与材料温度传感器和空气温度传感器相连，所述的环境补偿器的输出端与上位机相连；所述的材料温度传感器固定在所述的恒温箱内部底板上；所述的空气温度传感器固定在所述的恒温箱内部底板上；所述的恒温箱放置于所述的多孔状工作平台上。

所述的刚性轴由两段不同材料的刚性轴连接而成，一段为低导热系数材料，该段的一部分位于高低温环境实验箱内，即左半段，另一部分暴露于空气中，即过渡段，另一段为低膨胀系数材料，即右半段，位于恒温箱内；刚性轴作为机械传动部件将高低温环境试验箱内的位移量传递至箱外。

进一步说，所述的光栅位移传感器为光栅线位移传感器、敞开式光栅位移传感器、封闭式光栅位移传感器或增量式光栅位移传感器。

高低温环境光栅位移传感器校准方法，采用上述校准装置：

首先保持被测件不动，在设定温度、检定位置下，利用激光干涉仪以及环境补偿器测量出刚性轴的热变形量，并依据刚性轴左半段、过渡段和右半段的材料特性，推导出刚性轴左半段材料的膨胀系数和过渡段材料的热变形量各自与温度变化量间的函数多项式。

然后在各温度测量点下，被测件缓慢移动到各检定位置，记录下光栅位移传感器的读数头的读数和激光干涉仪的读数；依据推导出的函数多项式将各检定位置的热变形量计算出，并补偿到激光干涉仪测得的位移值中；再用光栅位移传感器的读数减去修正后的激光干涉仪读数，即可得到光栅位移传感器在各测量条件下的示值误差，完成对光栅位移传感器的校准。

进一步说，可以将光栅位移传感器的测量结果溯源至国家长度基准。

进一步说，所述的光栅位移传感器为光栅线位移传感器、敞开式光栅位移传感器、封闭式光栅位移传感器或增量式光栅位移传感器。

与背景技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明中的一种高低温环境光栅位移传感器校准装置能够对(-100～100)℃高低温环境下(0～100)mm测量范围的光栅位移传感器进行校准，将高低温环境光栅位移传感器的测量结果溯源至国家长度基准。

2.本发明中的一种高低温环境光栅位移传感器校准方法能有效地对刚性轴任意温度、任意位置下的热变形量进行标定，并将其补偿到激光干涉仪测量所得的位移中去。

3.整个装置以激光干涉仪的激光波长为计量标准，同时安装了环境补偿器和空气温度传感器以及材料温度传感器，其大大提高了激光干涉仪的测量精度。

4.装置的光学系统安放在恒温箱内部底板上，保证了光学系统的稳定性，提高了环境抗干扰性，便于在复杂的工业现场进行现场校准。

附图说明

图1是本发明的结构主视图；

图2是本发明的恒温箱内结构图；

图3刚性轴示意图；

图4高低温环境光栅位移传感器校准示意图；

图5是溯源流程框图；

图中：1、上位机；2、恒温箱；3、第一轴承；4、刚性轴；5、高低温环境试验箱；6、第一支撑杆；7、第一支撑杆固定台；8、多孔状工作平台；9、大理石台；10、激光头；11、分光镜；12、反射镜；13、反射镜固定架；14、第二轴承；15、环境补偿器；16、第二支撑杆；17、第二支撑杆固定台；18、第一微调整平台；19、第一平台固定架；20、第二微调整平台；21、第二平台固定架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明装置中的激光头10通过螺纹联接固定在第二微调整平台20上，所述的第二微调整平台20通过螺栓固定在第二平台固定架21上；所述的第二平台固定架21通过螺栓固定在恒温箱2的内部底板上。分光镜11固定在第一微调整平台18上，参考镜固定在所述的分光镜11的一侧；所述的第一微调整平台18通过螺栓固定在第一平台固定架19上；所述的第一平台固定架19通过螺栓固定在恒温箱2的内部底板上。反射镜12经螺栓固定在反射镜固定架13上；所述的反射镜固定架13与刚性轴4的一端相连接；所述的刚性轴4通过轴承14与第二支撑杆16的一端相连接；所述的第二支撑杆16的另一端与第二支撑杆固定台17连接，所述的第二支撑杆固定台17通过螺栓固定在所述的恒温箱2的内部底板上。所述的刚性轴4通过第一轴承3与第一支撑杆6的一端相连接；所述的刚性轴由两段不同材料的刚性轴连接而成，一段为低导热系数材料，另一段为低膨胀系数材料；所述的第一支撑杆6的另一端与第一支撑杆固定台7连接，所述的第一支撑杆固定台7通过螺栓固定在多孔状工作平台8上。所述的多孔状工作平台8放置于大理石台9上；所述的刚性轴4的另一端与高低温环境实验箱5内的高低温环境光栅位移传感器的读数头相连接；环境补偿器15直接固定在所述的恒温箱2的内部底板上，所述的环境补偿器15的输入端分别与材料温度传感器和空气温度传感器相连，所述的环境补偿器15的输出端通过USB线与上位机1相连，所述的上位机1放置于所述的大理石台9上；所述的材料温度传感器固定在所述的恒温箱2的内部底板上；所述的空气温度传感器固定在所述的恒温箱2的内部底板上；所述的恒温箱2放置于所述的多孔状工作平台8上。

如图3所示，刚性轴由不同材料的两段轴构成，一段如图中a、b段(即左半段和过渡段)所示，由导热系数很低的绝热材料加工而成，其初始长度分别为l₁、l₂；另一段如图3中c段(即右半段)所示，它由低膨胀系数的材料加工而成，其初始长度为l₃。开始检定前，整根刚性轴在t₀(20℃)时的长度为l(其中，l＝l₁+l₂+l₃)，在高低温环境箱内a段轴的初始长度为l₁，b段暴露在空气中的长度为l₂，在常温环境试验箱内c段轴的初始长度为l₃，a段和b段均为导热系数很低的绝热材料。当高低温环境箱内温度变化△t，刚性轴a段受热产生轴向变形量△l₁；又因热传导作用，刚性轴a段的部分热量传递至刚性轴b段，造成该部分产生轴向变形量△l₂。

a段轴的轴向变形量可由热膨胀量计算公式(1)进行计算：

Δl₁＝α₁×l₁×Δt (1)

α₁——a、b段材料的线膨胀率(m/K)；

因刚性轴a、b段均由绝热材料组成，可将a段部分因热对流吸收的热量全部隔绝，刚性轴c段的温度与常温保持一致，故刚性轴b段的轴向变形量由式(2)计算：

t₀——20℃；

令整根刚性轴的轴向变形量为△l，则存在如下关系式：

Δl＝Δl₁+Δl₂＝α₁l₁Δt+Δl₂ (3)

因在同一温度、固定尺寸下，刚性轴a、b段的线膨胀率α₁是一个固定值，刚性轴b段的轴向热变形量△l₂也保持不变，且刚性轴的轴向变形量△l表现为其在轴向上的位移，该位移可由在常温环境恒温箱内的激光干涉仪测得；刚性轴a段的初始长度值可在常温环境下，由Ⅰ级标准钢卷尺测得，又因温度变化量△t已知，则可以得到指定温度下的α₁和△l₂的值，其具体过程如下：

保持温度变化量△t不变，改变l₁的值为l₁`，可得整根刚性轴的轴向变形量为△l`。即可得到二元一次方程组：

对该方程组进行求解，即可求得高低温环境箱内温度变化△t(相对于常温20℃)时，α₁和△l₂的值：

相应地，改变温度变化量△t，l₁保持不变，进而可以求得相应温度下的α₁和△l₂的值。然后运用matlab2012软件分别对测量得的α₁、△l₂的值和插值计算值一同进行最小二乘法拟合，得到α₁和△l₂与温度变化量△t的多项式α₁(△t)和△l₂(△t)。

如图4所示，在高低温环境光栅位移传感器的工作行程内均匀选取若干测量点，分别由单频激光干涉仪和光栅位移传感器对被测件轴线方向上的位移进行测量。又因刚性轴有部分在高低温环境试验箱内，容易受到温度变化产生热变形进而造成轴向位移△l，故光栅位移传感器在该测量点的误差可由下式来表示：

ΔL＝L”-L≈L”-L'+Δl (6)

式中L代表刚性轴真实位移。而刚性轴的轴向位移可由式(7)表示：

其中为各校准位置下刚性轴a段的长度。因刚性轴a段的长度不容易直接测量得到，故以20℃下刚性轴a段的长度l₁减去激光干涉仪测量得到的位移值L’代替，即：

故高低温环境光栅位移传感器在各测量位置的测量误差可由式(9)表示：

ΔL≈L”-(L'+α₁(Δt)(l₁-L')Δt+Δl₂(Δt)) (9)

该方法可校准高低温环境光栅位移传感器的静态特性，高低温环境光栅位移传感器通过激光干涉仪进行校准，而激光干涉仪则经省级以上计量院检定。

如图5所示，本发明将高低温环境光栅位移传感器的测量结果溯源至国家长度基准。

本发明的工作过程如下：

Step1:启动恒温箱，调节恒温箱内的温度，当箱内的温度稳定(t₀＝20℃)后，打开激光头，激光头发出的单频激光束经分光镜后分为两束，一束射向与分光镜固定的参考镜，另一束射向与反射镜固定架固定的反射镜。

Step2:保持光栅位移传感器不动，使高低温环境试验箱内的温度升至100℃(即△t＝80℃)，刚性轴a段因热胀冷缩的缘故，产生一定的热变形量△l；当热变形量稳定时，该热变形量通过刚性轴向外传递，带动反射镜固定架移动，进而带动反射镜移动，使得经反射镜反射回的光束与经参考镜反射回的光束经分光镜后被激光头内置的光电探测器接收，光电探测器与上位机相连，上位机显示刚性轴的位移量△L₀。

Step3:以10℃为步长，降温至各点，分别用激光干涉仪测量刚性轴的位移量△L_i；因激光干涉仪测得的位移值△L_i是刚性轴相对于前一个温度值的轴向变形量，而非相对于t₀时的轴向变形量，故需要对其按如下公式进行修正：

其中Δl⁽ⁱ⁾——刚性轴在i温度时的轴向变形量；

ΔL_i——激光干涉仪测得的位移值，为负值；

i——对应(-100～100)℃之间的21个温度测量点。

Step4:移动高低温环境箱内刚性轴，用Ⅰ级标准钢卷尺测得刚性轴a段的长度为l₁`，再分别在其(-100～100)℃的21个测量点下，再用激光干涉仪测量对应的轴向变形量，同样根据公式(10)对测量得到的位移值进行转换，得到所需刚性轴的轴向变形量。

Step5：在得到所有温度测量点(即△t)下的△l和△l`后，由于l<sub>1</sub>和l<sub>1</sub>`已通过Ⅰ级标准钢卷尺测得，则可用公式(5)求得各温度测量点下α₁和△l₂的值；在各温度测量点间进行三次样条插值，再运用matlab2012软件分别对测量得的α₁、△l₂的值和插值计算值一同进行最小二乘法拟合，得到α₁和△l₂与温度变化量△t的多项式。

Step6：将单频激光干涉仪和光栅位移传感器同时置于测量零点，用Ⅰ级标准钢卷尺测得高低温环境箱内刚性轴a段的长度为l₁，再将高低温环境箱内温度加热到t℃，使用配套的测量软件进行测量，待其稳定后，将被测件移动10mm左右，分别读取激光干涉仪的读数L’和光栅位移传感器的读数L”，记录测量数据，并运用公式(10)计算该测量条件下刚性轴的热变形量△l，将其补偿到激光干涉仪测量的位移值L’中去。故该检定位置处高低温环境光栅位移传感器的误差值可由(9)计算t℃下光栅位移传感器在各测量位置的测量误差。

Step7：继续移动被测件至下一个检定位置，重复Step6；

Step8：当t℃下所有检定位置的测量实验全部完成后，令高低温环境试验箱内的温度冷却到20℃，重新将单频激光干涉仪和光栅位移传感器同时置于测量零点，再分别将高低温环境箱内的温度加热到(+100～-100)℃间的某个温度测量点(以10℃为步长)后，重复Step6、Step7，直至完成各温度下光栅位移传感器在所有检定位置的误差计算。

至此，可通过对不同位置处的误差进行误差分析，可以得到光栅位移传感器的示值误差、稳定性等性能参数，完成对高低温环境下光栅位移传感器的校准。

以上所述，仅是本发明的较佳实施案例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.高低温环境光栅位移传感器校准装置，其特征在于：包括

上位机、恒温箱、第一轴承、刚性轴、高低温环境试验箱、第一支撑杆、多孔状工作平台、激光头、分光镜、反射镜、第二轴承、第二支撑杆、第一微调整平台、环境补偿器和第二微调整平台；

所述的激光头固定在第二微调整平台上，所述的第二微调整平台固定在第二平台固定架上；所述的第二平台固定架固定在恒温箱内部底板上；

所述的分光镜固定在第一微调整平台上，参考镜固定在所述的分光镜的一侧；所述的第一微调整平台通过固定在第一平台固定架上；所述的第一平台固定架固定在恒温箱内部底板上；

所述的反射镜固定在反射镜固定架上；所述的反射镜固定架与刚性轴的一端相连接；所述的刚性轴通过第二轴承与第二支撑杆的一端相连接；所述的第二支撑杆的另一端与第二支撑杆固定台连接，所述的第二支撑杆固定台固定在所述的恒温箱内部底板上；

所述的刚性轴通过第一轴承与第一支撑杆的一端相连接；所述的第一支撑杆的一端与第一支撑杆固定台连接，所述的第一支撑杆固定台固定在多孔状工作平台上；所述的多孔状工作平台放置于大理石台上；

所述的刚性轴的另一端与高低温环境实验箱内的光栅位移传感器的读数头相连接；环境补偿器直接固定在所述的恒温箱内部底板上，所述的环境补偿器的输入端分别与材料温度传感器和空气温度传感器相连，所述的环境补偿器的输出端与上位机相连；所述的材料温度传感器固定在所述的恒温箱内部底板上；所述的空气温度传感器固定在所述的恒温箱内部底板上；所述的恒温箱放置于所述的多孔状工作平台上；

所述的刚性轴由两段不同材料的刚性轴连接而成，一段为低导热系数材料，该段的一部分位于高低温环境实验箱内，即左半段，另一部分暴露于空气中，即过渡段，另一段为低膨胀系数材料，即右半段，位于恒温箱内；刚性轴作为机械传动部件将高低温环境试验箱内的位移量传递至箱外。

2.根据权利要求1所述的高低温环境光栅位移传感器校准装置，其特征在于：所述的光栅位移传感器为光栅线位移传感器、敞开式光栅位移传感器、封闭式光栅位移传感器或增量式光栅位移传感器。

3.高低温环境光栅位移传感器校准方法，采用权利要求1所述的校准装置，其特征在于：

首先保持被测件不动，在设定温度、检定位置下，利用激光干涉仪以及环境补偿器测量出刚性轴的热变形量，并依据刚性轴左半段、过渡段和右半段的材料特性，推导出刚性轴左半段材料的膨胀系数和过渡段材料的热变形量各自与温度变化量间的函数多项式；

然后在各温度测量点下，被测件缓慢移动到各检定位置，记录下光栅位移传感器的读数头的读数和激光干涉仪的读数；依据推导出的函数多项式将各检定位置的热变形量计算出，并补偿到激光干涉仪测得的位移值中；再用光栅位移传感器的读数减去修正后的激光干涉仪读数，即可得到光栅位移传感器在各测量条件下的示值误差，完成对光栅位移传感器的校准。

4.根据权利要求3所述的高低温环境光栅位移传感器校准方法，其特征在于：将光栅位移传感器的测量结果溯源至国家长度基准。

5.根据权利要求3所述的高低温环境光栅位移传感器校准方法，其特征在于：所述的光栅位移传感器为光栅线位移传感器、敞开式光栅位移传感器、封闭式光栅位移传感器或增量式光栅位移传感器。