CN108827205B - 一种线位移传感器智能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线位移传感器智能测试系统，利用虚拟仪器构成的线位移传感器智能测试平台，是具有标准接口的仪器组件，帮助检测人员轻松地将不同的传感器接入，构成高精度、集成化、模块化和智能化的测量系统。利用开发的软件系统，自动识别传感器类型，并进行信号采集、转换和数据处理工作。本发明采用提高了测量效率，降低了测量成本。本发明能够实现线位移传感器信号的自动化测量，减少人工测量造成的操作不准确而造成的粗大误差。本发明能够避免在测量时破坏传感器的接线端子，并集成多种类型的线位移传感器接线端子。本发明适应范围较广，当待测对象的产品型号发生变化时，只需更改测量软件系统相关参数即可。

Description

一种线位移传感器智能测试系统

技术领域

本发明涉及线位移传感器智能测试计量领域，特别涉及电压、电流、脉冲计数和数字式传感器输出信号的高精度测量设备。

背景技术

线位移传感器一般广泛应用于车身变形量试验系统、万能试验机和作动器等大型仪器设备上。目前，国内外实验室校准线位移传感器的方法是采用激光测长机，但现在该校准方法存在线位移传感器种类多、差异大，信号采集系统种类多、连接复杂、价格高昂，采集数据处理困难，整个测量过程自动化程度不够的诸多难题。

线位移传感器智能采集平台是具有标准接口的仪器组件，帮助检测人员轻松地将不同的传感器接入，构成高精度、集成化、模块化和智能化的测量系统。线位移传感器智能采集平台利用虚拟仪器技术，是由高速计算机、数据采集系统和软件搭建成的平台，可适应不同类型的传感器进行标准化连接，自动识别传感器类型，并进行采集信号转换和数据处理工作，成为线位移传感器校准系统的重要组成部分。该平台可满足科研院所及企业线位移传感器的校准需求，填补该领域空白，进一步提升现有校准项目的检测能力，提高工作效率，并打造一个综合的信号采集平台。

发明内容

本发明至少可以解决以下技术问题：

1.线位移传感器种类差异

线位移传感器属于长度计量仪器的部件，不可单独使用，必须连接二次显示仪表才可提供位移数值。根据传感器的原理，如电感式、直流差动变压器式、交流差动变压器式、振弦(应变)式、磁至伸缩式、电阻式、拉线式和激光式，其输出信号类型不同，可以是电压信号、电流信号、频率信号和位移数字信号多种形式。

2.信号采集系统种类多、连接复杂、价格高昂

通用的商品高精度二次仪表作为数据采集装置往往不具备多种接线端子。而根据线位移传感器的设计不同，信号接线端子可能采用5针，9针、16针，RS232，RS485和GPIB专用模拟接口和数字接口不同形式。实验室必须配备传感器输出信号相应的二次仪表，并且具备与被校准传感器相同的接线端子。采用临时措施将所需信号从被校准线位移传感器中取出，连接和集成这些不同设备不仅要耗费大量的时间，而且设备之间的数据传输、信号兼容性和后期数据处理均会引入了新的误差源，致使测量结果的不确定度增大。

3.采集数据处理

现场手工记录66个测量点数据后，需将采集数据手工绘制到网格表上，进行后续的线性拟合计算工作，计算工作量很大，且效率低下，较易产生计算误差从而影响测量结果的准确度。

4.自动化程度不够

校准记录需手工填写，证书需手工操作填写证书信息。工作效率低下，且由于数据较多，较容易出现错误。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种线位移传感器智能测试系统，包括激光干涉仪，被校传感器，测长机，高精度可编程电源，多功能接口箱和高精度信号采集系统，主标准器为激光干涉仪和测长机，其可提供标准位移量值；被校传感器为线位移传感器，被校传感器输出信号主要类型有电压、电流、数字和脉冲计数；测量时，需将被校传感器精密的装备到激光测长机上，需在高度、水平和俯仰方向上调整到最佳测量位置后进行测量；被校传感器的信号端需根据信号类型和接口方式接入到多功能接口箱的专用端子上；该接口箱可适应不同信号类型和接口类型的传感器；高精度可编程电源提供标准电压源或电流源给被校传感器，并可由智能采集平台进行电压或电流输出的精确控制；高精度信号采集系统用于对被校传感器采集检测数据和分析精度指标。

其中，高精度信号采集系统配合专用测量软件，按照《JJF 1305-2011线位移传感器校准规范》的各项技术指标要求，对被测线位移传感器在全量程进行3个测回的检测，最后由专用软件提供基本误差、线性度、重复性和回程误差多项技术指标，并打印记录。

其中，采用16位高精度数据采集卡，通过多功能接口箱将数据采集到上位机后对数据进行处理，在满足《JJF 1305-2011线位移传感器校准规范》精度要求的前提下，将复杂的采集和显示装置缩减为统一的数据采集系统，减少了购置设备的成本和操作的复杂程度，并可对采集的数据进行全自动及多参数处理，大为提升校准效率。

其中，利用LabView软件，对采集过程进行自动化采集控制，并对数据进行模数转换、滤波、求平均和线性最小二乘拟合，通过软件的自动化处理，可给出位移传感器的灵敏度、基本误差、线性度、回程误差校准参数；上述数据采集和计算过程不需人工参与，全部由计算机完成并给出校准结果曲线图，可大为减少人为误差对校准结果产生的影响；最后校准结果自动生成不可修改的电子记录并打印存档。

其中，为避免破坏传感器的接线端子，多类型接线端口箱可集成多种类型的位移传感器接线端子，并预留了扩展接线插排以应对不同类型的传感器接口需求，上述端口均采用金属屏蔽接口对信号进行全程屏蔽以期达到最佳的测量效果，同时，该端口箱可接入高精度数字源。

本发明的原理在于：

(1)按照规范要求，需要采用精度为DCV±0.004％～±0.1％的数字多用表对传感器信号进行采集，对脉冲信号需要采用24位脉冲计数装置进行数据计数，有些传感器直接输出RS232、RS485或者GPIB信号，那么现有装置无法全面满足上述类型设备的校准需求。项目采用16位高精度数据采集卡，通过高质量的屏蔽接口箱将数据采集到上位机后对数据进行处理。在满足规程精度要求的前提下，将复杂的采集和显示装置缩减为单一的数据采集系统，减少了购置设备的成本和操作的复杂程度，并可对采集的数据进行全自动及多参数处理，大为提升校准效率。

(2)利用软件，对采集过程进行自动化采集控制，并对数据进行模数转换、滤波、求平均和线性最小二乘拟合，通过软件的自动化处理，可给出线位移传感器的灵敏度、基本误差、线性度、回程误差等校准参数。上述数据采集和计算过程不需人工参与，全部由计算机完成并给出校准结果曲线图，可大为减少人为误差对校准结果产生的影响。最后校准结果自动生成不可修改的电子记录并打印存档。同时，该平台可扩展至其它测量领域，如可对力传感器、温度传感器、压力传感器信号进行处理，打造综合性计量校准平台。

(3)现有装置需将线位移传感器接头直接线头剪下，然后用电夹夹紧后与信号采集装置相连。上述过程不仅严重破坏了传感器的信号屏蔽，而且对接线装置也进行了破坏，给用户带来了极大不便。为避免破坏传感器的接线端子方便客户校准，多类型接线端口箱可集成多种类型的线位移传感器接线端子，如5针，9针、16针，RS232，RS485和GPIB专用模拟量和数字量接口，并预留了扩展接线插排以应对不同类型的传感器接口需求。上述端口均采用金属屏蔽接口对信号进行全程屏蔽以期达到最佳的测量效果。同时，该端口箱可接入高精度数字源。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用16位数据采集卡代替庞大的数据采集系统，在满足精度的前提下，减少了多种类型设备的连接匹配和设备购置的高成本问题，从而提高了测量效率，降低了测量成本。

(2)本发明能够实现线位移传感器信号的自动化测量，减少人工测量造成的操作和数据处理的不准确，从而消除了粗大误差。

(3)本发明为线位移传感器研制了线位移传感器多类型接线端口箱，可避免在测量时破坏传感器的接线端子，并可集成多种类型的线位移传感器接线端子。

(4)本发明适应范围较广，当待测对象的产品型号发生变化时，只需更改测量软件系统相关参数即可，无需更换整个测量设备，提高了测量设备的适用范围。

附图说明

图1为线位移传感器智能测试平台，其中，1为激光干涉仪；2为被校传感器；3为测长机；4为高精度可编程电源；5为多功能接口箱；6为高精度信号采集系统。

图2为线位移传感器智能测试平台软件结构框图。

图3为系统采集界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

采用的测试系统如图1所示：激光干涉仪1与测长机3的移动平台，提供标准位移示值(也可采用其它长度标准器)。被校传感器2安装在测长机3的移动平台上，与激光干涉仪1同轴。被校传感器2由智能测试平台提供电源，并采集输出信号。

利用虚拟仪器技术构建了由高速计算机、数据采集系统和专用软件构成的智能测试平台，通过专用标准接口箱和不同类型的线位移传感器连接，在满足规范要求前提下，可提供对线位移传感器输出的电压、电流、脉冲和数字多种输出信号进行高精度高速度采集，其中电压和电流信号经18位模数转换后存入计算机，脉冲信号经32位计数器计数后存入计算机，数字信号不需转换直接存入计算机。智能测试平台将复杂的采集和显示装置缩减为集成化模块化的数据采集系统，大为减小了各模块之间数据传输、信号兼容性和后期数据处理引入的误差源，同时省去了购置设备的成本和操作的复杂程度，智能测试平台软件根据校准规范公式计算出斜率K、截距Y₀、灵敏度、基本误差、线性度、回程误差及重复性指标，并输出测量结果及误差曲线图。

如图1所示，本发明的主标准器为激光干涉仪1和测长机3，其可提供标准位移量值。被校准传感器2为线位移传感器，其输出信号主要类型有电压、电流、数字和脉冲计数方式。测量时，需将被测线位移传感器精密的装备到激光测长机上，需在高度、水平和俯仰方向上调整到最佳测量位置后进行测量。被校传感器2的信号端需根据信号类型和接口方式接入到多功能接口箱5的专用端子上。该接口箱可适应不同信号类型和接口类型的传感器。高精度可编程电源4提供标准电压源或电流源给被测线位移传感器，并可由智能采集平台进行电压或电流输出的精确控制。高精度信号采集系统6配合专用测量软件，按照《JJF1305-2011线位移传感器校准规范》的各项技术指标要求，对被测线位移传感器在全量程进行3个测回的检测，最后由专用软件提供基本误差、线性度、重复性和回程误差多项技术指标，并打印记录。

针对线位移传感器检测方法，根据被测线位移传感器输出信号的不同类型，通过高精度专用采集装置和专用接口箱，全屏蔽的将电压、电流、脉冲和数字信号，精密的采集到计算机内，并按照《JJF 1305-2011线位移传感器校准规范》要求，进行误差计算。如图2所示，具体检测步骤如下：

1)根据传感器的不同结构形式，通过专用装夹装置粗略的夹紧至测长机的移动平台上；

2)通过微调机构，借助游标卡尺或者钢直尺及水平调整装置，在被测线位移传感器的全量程范围内进行精密调整，保证测量轴线和测量标准轴线保持在同一轴线上；

3)根据被测线位移传感器输出信号的不同类型和不同接口形式，将其信号接入专用接口箱；

4)通过专用接口箱内部的全屏蔽接线电路系统，保证与专用信号采集卡进行全屏蔽连接，从而保证整个信号采集过程的无干扰传输；

5)通过专用接口箱内部的引线端子及软件设置，对不同类型的线位移传感器进行高精度电压、电流匹配供电；

6)软件可通过自动识别或手动调整，对应相应的电压、电流、脉冲和数字信号进行自动匹配；

7)输入被测线位移传感器的名称、量程、规格型号、编号、制造厂、委托客户名称和委托客户地址等校准记录信息；

8)以上步骤准备完毕后，单击开始测量按钮进行测量；

9)对线位移传感器全量程范围内，正反行程各测量11个点，共计22个点，此为1测回，共测量3个测回，共计66点；

10)按照《JJF 1305-2011线位移传感器校准规范》要求，对上述各点进行误差计算，输出相应校准结果，并生成原始记录；

11)测量完成，将仪器恢复至原始状态后，进行下一次测量。

上述数据的处理方法及处理过程如下：

1)采用最小二乘法计算参比直线方程，计算各误差参数；

2)灵敏度：采用最小二乘法计算参比直线方程，计算得出斜率K，即为该传感器的灵敏度；

3)基本误差：根据公式计算出每个测量点的拟合值Y_i，并计算出每个测量点的误差值，以三次循环的最大值作为该点的示值误差，所有点中误差绝对值最大的作为该线位移传感器的基本误差；

4)线性度：计算各测量点的误差δ_i与Y_最佳拟合差值的百分比；

5)回程误差：第i个测量点正行程三次测量的平均值与第i个测量点反行程三次测量的平均值之差；

6)重复性：在正向或反向行程中，求出第i点在三次测量循环中正向或反向行程中差值的最大值τ_i；

7)上述66点数据经软件采集完成后传输到数据库，软件根据公式自动计算传感器全部误差参数并输出测量结果及误差曲线图。

实例1

将被校准传感器2装备到测长机的移动平台上，并对其进行测量：

(基本误差为：±0.1％，供电电压：12V，电压输出范围：0～10V，接口为5针航空插头)

1)通过专用装夹装置，将被校准传感器2粗略的夹紧至测长机的移动平台上；

2)旋转微调机构，利用游标卡尺和水平调整装置，使被校准传感器2轴线与标准轴线调整至同一轴线上；

3)设置供电电压至12V，采集装置信号类型为电压，电压输出范围0～10V；

4)将5针航空插头接入专用接口箱，并通过软件开启对应通道；

5)输入被校准传感器2的名称、量程、规格型号、编号、制造厂、委托客户名称和委托客户地址等校准信息；

6)以上步骤准备完毕后，单击开始测量按钮进行测量；

7)对线位移传感器全量程范围内，正反行程各测量11个点，共计22个点，此为1测回，共测量3个测回，共计66点；

8)按照《JJF1305-2011线位移传感器校准规范》要求，对上述各点进行误差计算，输出相应校准结果，并生成原始记录；

9)测量完成，将仪器恢复至原始状态后，进行下一次测量。

实例2

将被校准传感器2装备到测长机的移动平台上，并对其进行测量：

(基本误差为：±0.5％，供电电压：24V，电流输出范围：0～0.5A，接口为4针航空插头)

1)通过专用装夹装置，将被校准传感器2粗略的夹紧至测长机的移动平台上；

2)旋转微调机构，利用游标卡尺和水平调整装置，使被校准传感器2轴线与标准轴线调整至同一轴线上；

3)设置供电电压至24V，采集装置信号类型为电压，电流输出范围0～0.5A；

4)将4针航空插头接入专用接口箱，并通过软件开启对应通道；

5)输入被校准传感器2的名称、量程、规格型号、编号、制造厂、委托客户名称和委托客户地址等校准信息；

6)以上步骤准备完毕后，单击开始测量按钮开始测量；

7)对线位移传感器全量程范围内，正反行程各测量11个点，共计22个点，此为1测回，共测量3个测回，共计66点；

8)按照《JJF1305-2011线位移传感器校准规范》要求，对上述各点进行误差计算，输出相应校准结果，并生成原始记录；

9)测量完成，将仪器恢复至原始状态后，进行下一次测量。表1为生成的校准记录。

表1生成的校准记录

Claims (1)

1.一种线位移传感器智能测试系统，其特征在于：包括激光干涉仪（1），被校传感器（2），测长机（3），高精度可编程电源（4），多功能接口箱（5）和高精度信号采集系统（6），主标准器为激光干涉仪（1）和测长机（3），提供标准位移量值；被校传感器（2）为线位移传感器，其输出信号类型有电压、电流、数字和脉冲计数；测量时，需将被校传感器精密的装备到测长机的移动平台上，需在高度、水平和俯仰方向上调整到最佳测量位置后进行测量；被校传感器的信号端需根据信号类型和接口方式接入到多功能接口箱（5）的专用端子上；该多功能接口箱适应不同信号类型和接口类型的传感器；高精度可编程电源（4）提供标准电压源或电流源给被校传感器，并由智能采集平台进行电压或电流输出的精确控制；高精度信号采集系统（6）用于对被校传感器采集检测数据和分析精度指标；

高精度信号采集系统（6）配合专用测量软件，按照《JJF 1305-2011线位移传感器校准规范》的各项技术指标要求，对线位移传感器在全量程进行3个测回的检测，最后由专用软件提供基本误差、线性度、重复性和回程误差多项技术指标，并打印记录；

采用16位高精度数据采集卡，通过多功能接口箱将数据采集到上位机后对其进行处理，在满足《JJF 1305-2011线位移传感器校准规范》精度要求的前提下，将复杂的采集和显示装置缩减为单一的数据采集系统，减少了购置设备的成本和操作的复杂程度，并对采集的数据进行全自动及多参数处理，大为提升校准效率；

利用LabView软件，对采集过程进行自动化采集控制，并对数据进行模数转换、滤波、求平均和线性最小二乘拟合，通过软件的自动化处理，给出线位移传感器的灵敏度、基本误差、线性度、回程误差校准参数；上述数据采集和计算过程不需人工参与，全部由计算机完成并给出校准结果曲线图，大为减少人为误差对校准结果产生的影响；最后校准结果自动生成不可修改的电子记录并打印存档；

为避免破坏传感器的接线端子，多功能接口箱集成多种类型的位移传感器接线端子，并预留了扩展接线插排以应对不同类型的传感器接口需求，上述接口均采用金属屏蔽接口，能够对信号进行全程屏蔽以期达到最佳的测量效果，同时，该多功能接口箱接入高精度数字源。

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