CN109520453A - 高精度位置传感器自动标定系统及标定方法 - Google Patents

Abstract

高精度位置传感器自动标定系统及标定方法，该位置传感器标定系统主要由高精度位移驱动总成、伺服电机控制系统、智能温箱控制系统及高精度采集系统组成。当电动夹爪未夹紧时，被标定传感器依靠自身重力与靶标进行紧密贴合，从而提供零位信号，进行零位标定，较好地解决了传感器标定过程中标准位移量的高精度测量及精度重复性问题，整个标定系统最终封装在标定机柜中，节省了大量空间。

Description

高精度位置传感器自动标定系统及标定方法

技术领域：

本发明涉及传感器标定领域，具体涉及高精度位置传感器自动标定系统。

背景技术：

传感器是测试系统中的重要部件，也是过程控制中的重要环节，传感器的误差直接影响到整个系统的性能和测量精度。现代测控系统对传感器的精度、稳定性和工作条件提出了很高的要求，希望输入与输出特性成线性关系。然而传感器的输入与输出特性，总存在一定的非线性度。因此在使用传感器时，应先对其进行标定。所谓标定，是指将标准器所体现的标准值，传递到传感器工作量程的分度上，对分度进行定度的过程。位置传感器长时间使用会产生漂移，影响测量精度，尤其是一些精密测量领域，诸如水润滑轴承水膜厚度的测量所需传感器量程在毫米级，精度要求在微米级。一旦位置传感器发生偏移，其测量数据精度会发生较大改变，造成重大事故，对国民经济造成重大损失。对企业来说每次标定时经济成本高，标定周期长，给生产效益带来巨大损失。因此开发高精度位置传感器自动标定系统具有重要意义。

发明内容：

发明目的：

本发明开发了一套高精度位置传感器自动标定系统,其目的是解决以往所存在的问题。

技术方案：

标定的基本方法是，利用标准设备产生已知的非电量(如标准力、位移、压力等)，作为输入量输入到待标定的传感器，然后将得到的传感器的输出量与输入的标准量作比较，从而得到一系列的标定数据或曲线。本发明针对高精度要求对系统进行了整体设计，包括基准测量仪器的选型，机械结构上的设计即开发了高精度位移驱动总成。系统除上件及卸件外，整个测试过程都按照设定流程自动进行，符合JJF1305-2011、JJG644-2003、JBT9265-1999国标要求。集成了全温域温度控制功能，可以对位置传感器的测试环境进行10～100℃恒温控制，温度控制精度在±0.5℃，对被标定位置传感器进行必要的恒温环境下校准与检测及温度补偿，以提高对温度影响敏感类传感器输出的精度。标定精度1um，最小移动步长0.5um，系统整体精度在0.1％。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一套高精度位置传感器自动标定系统，其特征在于：该位置传感器标定系统主要由高精度位移驱动总成、伺服电机控制系统、智能温箱控制系统及高精度采集系统组成。所述其他系统均连接至高精度采集系统，实现与PC机标定软件的通信；高精度采集系统控制伺服电机控制系统，通过高精度位移驱动总成实现精确位移；智能温箱控制系统同时提供温度环境条件。采用智能控制算法保持温箱内温度恒定，采用回归分析方法分析标定结果。实现传感器自动标定，达到高精度要求。系统结构框图如图1所示，整体机械结构图如图2所示。

一种高精度位置传感器自动标定系统，其特征在于：该标定系统主要由高精度位移驱动总成、伺服电机控制系统、智能温箱控制系统及高精度采集系统组成；伺服电机控制系统连接高精度位移驱动总成，高精度位移驱动总成连接智能温箱控制系统，高精度采集系统连接智能温箱控制系统、高精度位移驱动总成和伺服电机控制系统，实现与PC机标定软件的通信；高精度采集系统控制伺服电机控制系统，通过高精度位移驱动总成实现精确位移；智能温箱控制系统同时提供温度环境条件。

高精度位移驱动总成包括滑台(6)、导轨(6-1)、精密丝杠(9)和托盘、连杆和行程开关(10)、滑台(6)与精密丝杠(9)连接，滑台(6)设置在导轨(6-1)上，导轨(6-1) 的长度方向与精密丝杠(9)的轴向同向，通过精密丝杠(9)的旋转控制滑台(6)沿着导轨(6-1)移动(滑台(6)与精密丝杠(9)螺纹连接，通过精密丝杠(9)旋转，因为滑台(6)不旋转，所以滑台(6)就会沿着精密丝杠(9)的轴向移动。这个属于现有技术。)，托盘(10)固定在滑台(6)上，托盘延伸至智能温箱(11)内部。

伺服电机控制系统包括伺服电机(1)、伺服驱动器、伺服控制器和开关电源；伺服电机固定在机柜内支架平台(12)上，伺服电机控制器与伺服电机驱动器连接，伺服电机驱动器连接至伺服电机，开关电源为伺服电机提供所需电压值。

针对控制精度要求，开发的精准细分的伺服电机驱动控制器，采用5mm螺距，伺服电机旋转对其细分，输出10000个脉冲伺服电机旋转一周，则一周的旋转范围内能实现最小0.5um步长的移动，从而实现最小1um的位移控制。

智能温箱控制系统包括智能温箱(11)、电动夹爪(7)、套筒(8-1)、导管(8)、靶标；

被标定位置传感器采用立式安放设计，安装在螺纹套筒(8-1)内，螺纹套筒制成锥形结构，被标定位置传感器放置在锥形螺纹套筒(8-1)内，螺纹套筒上端可通过螺纹与导管(8)进行固定，每次标定不同传感器能进行灵活拆卸，被标定位置传感器信号线通过导管延伸至温箱外部接入高精度采集系统中(高精度采集系统的数据采集卡中)；靶标放在延伸至温箱内的托盘(10)上，靶标根据不同材质进行更换；导管(8)的上端伸出智能温箱顶部；

为保证标定过程中被标定位置传感器即用于测试的位置传感器能够准确位置给定及位置固定，同时减小往复误差，该智能温箱控制系统还设计了电动夹爪机械结构；电动夹爪固定在智能温箱顶部的钢板上，使夹爪在标定过程中稳固，从而在靶标移动时产生精确相对位移；

电动夹爪机械结构为能够夹紧和松开导管(8)的装置，(这个电动夹爪机械结构可以采用现成的装置，直接采购即可，属于现有技术，例如可以采购HITBOT公司的电动夹爪。)

当电动夹爪未夹紧导管(8)时，被标定传感器依靠重力与靶标进行紧密贴合，从而提供零位信号，进行零位标定；智能温箱为被标定传感器提供全温域的恒温测试环境，温度范围在10～100℃；

智能温箱还包括、制冷风扇、加热模块和高精度温度传感器；制冷电源与制冷风扇相连，当标定温度高于常温环境时，制冷风扇对其降温；高精度温度传感器接入高精度采集系统中，加热模块与继电器连接接入高精度采集系统中，反馈控制温箱内温度恒定。采用智能控制算法保持温箱内温度恒定，采用回归分析方法分析标定结果；实现传感器自动标定，达到高精度要求。

伺服电机(1)固定在机柜内支架平台(12)上，精密丝杠(9)通过联轴器(3)连接至伺服电机轴，支架平台(12)装有上下两个行程开关用于限位保护；(两个行程开关安装于托盘(10)的上方和下方，用于限位保护托盘(10)。)

托盘通过连杆与光栅尺位置传感器(4)连接，光栅尺位置传感器固定在智能温箱侧面作为基准零位检测，高精度位移传感器(5)固定在智能温箱侧面与光栅尺位置传感器平行且垂直于托盘，作为基准测量仪器；每次自动标定时先检测零位信号，控制移动平台到达零位，然后开始位置标定；精密丝杠表面粗糙程度达到0.2um；高精度位移传感器为相对位移高精度传感器，不提供基础零位信息，所以增加光栅位置传感器，使靶标的移动能够精确回到高精度位移传感器的量程范围内；针对高精度位移传感器开发的差分倍频信号转换器确保其测量精度达到1um。

光栅尺位置传感器(4)、高精度位移传感器(5)通过数据采集卡与PC机通讯。

步骤如下：

步骤1)设计高精度位移驱动总成，其特征在于：高精度位移驱动总成包括图2左图中的序号9精密丝杠、图2左图中的序号6滑台、导轨、图2左图中的序号3联轴器、图2左图中的序号5高精度位移传感器、高精度位移传感器信号转换器、图2左图中的序号4光栅尺位置传感器、图2左图中的序号10托盘、连杆、行程开关。所述伺服电机固定在机柜内支架平台上，所述精密丝杠通过所述联轴器连接至伺服电机轴，所述滑台与所述精密丝杠连接，精密丝杠表面粗糙程度达到0.2um。所述托盘固定在滑台上，托盘延伸至所述智能温箱内部，支架平台装有上下两个行程开关用于限位保护。托盘通过所述连杆与所述光栅尺位置传感器连接，光栅尺位置传感器固定在智能温箱侧面作为基准零位检测。所述高精度位移传感器固定在智能温箱侧面与光栅尺位置传感器平行且垂直于托盘，作为基准测量仪器。每次自动标定时先检测零位信号，控制托盘到达零位，然后开始位置标定。选型的高精度位移传感器为相对位移高精度传感器，不提供基础零位信息，所以设计中增加光栅位置传感器作为基准零位测量，使靶标的移动能够精确回到高精度位移传感器的量程范围内。为达到测量高精度要求，针对高精度位移传感器开发了差分倍频信号转换器模块确保其测量精度达到1um。

步骤2)设计伺服电机控制系统。伺服电机控制系统包括图2左图中的序号1伺服电机、伺服驱动器、伺服控制器、开关电源。所述伺服电机固定在机柜内支架平台上，伺服电机控制器与伺服电机驱动器连接，伺服电机驱动器连接至伺服电机，开关电源为其提供所需电压值。针对高控制精度要求，开发了精准细分的伺服电机驱动控制器模块，采用5mm的螺距，对伺服电机旋转进行精准细分，即输出10000个脉冲伺服电机旋转一周，则一周的旋转范围内可实现最小0.5um步长的移动，从而实现最小1um的位移控制，依据高精度位移传感器的精度1um。

步骤3)设计智能温箱控制系统。智能温箱控制系统包括图2左图中的序号11智能温箱、图2左图中的序号7电动夹爪、套筒、图2左图中的序号8导管、靶标、制冷电源、制冷风扇、加热模块、高精度温度传感器。为保证标定过程中被标定位置传感器即用于测试的位置传感器能够准确位置给定及位置固定，同时减小往复误差，设计了电动夹爪机械结构。被标定位置传感器采用立式安放设计，安装在螺纹套筒内，螺纹套筒制成锥形结构，被标定位置传感器放置在螺纹套筒锥形内，螺纹套筒另一端可通过螺纹与导管进行固定，每次标定不同传感器可进行灵活拆卸，导管垂直安装于电动夹爪中。被标定位置传感器信号线通过导管延伸至温箱外部接入高精度采集系统中。靶标安放在延伸至温箱内的托盘上，可根据不同材质进行更换。所设计的夹爪机械结构，当电动夹爪未夹紧时，被标定传感器依靠自身重力与靶标进行紧密贴合，从而提供零位信号，进行零位标定。电动夹爪固定在智能温箱顶部的钢板上，使夹爪在标定过程中稳固，从而在靶标移动时产生精确相对位移。智能温箱为被标定传感器提供全温域的恒温测试环境，温度范围在10～100℃。制冷电源与制冷风扇相连，当标定温度高于常温环境时，制冷风扇对其降温。高精度温度传感器接入高精度采集系统中，加热模块与继电器连接接入高精度采集系统中，智能控制算法控制温箱内温度恒定。

步骤4)采用智能控制算法保持温箱内温度恒定。辨识出智能温箱数学模型传函描述如下：

其中传函G(s)为二级惯性加迟滞环节，e^-150s为延迟因子。

采用复合控制策略，定义设定温度为r0，实际温度为r，设定偏差e＝r0-r，温度偏差变化率为ec，控制器输出量为u。

(1)当温度偏差|e|>5时，以偏差e及偏差变化率ec为输入变量，以控制量u为输出变量，表示输出方波占空比。将e、ec分为7个模糊集：负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。将u分为3个模糊集：零(ZO)、正中(PM)、正大(PB)。e、ec语言变量量化等级为7级：-3，-2，-1,0,1,2,3；u语言变量量化等级为3 级：0,1,2,3。其中偏差e的论域为[-20,20]，偏差变化率ec的论域为[-2,2]，控制量u的论域为[0,30]。e、ec、u的量化因子分别为Ke＝3/20，Kec＝3/2，Ku＝30/3。

建立模糊规则表如下：

采用mamdani的模糊推理与合成运算，反模糊化采用centroid方法。

(2)当温度偏差|e|<＝5时，控制量u输出如下：

其中：K_p、T_i、T_d分别为比例系数、积分时间常数、微分时间常数，T为采样周期，e(k)为 k时刻的温度偏差，e(k-1)为k-1时刻的温度偏差，i为采样时间间隔，i＝0,1…，k。上述(1) (2)中当u(k)≥u_max则u(k)＝u_max且如u(k)≤u_max则u(k)＝u_min，其中：u(k)∈[0,100]。

步骤5)设计高精度采集系统。基于虚拟仪器技术及NI数据采集系统，将高精度位移驱动总成、伺服电机控制系统、智能温箱控制系统接入到高精度数据采集控制系统中。上位机通过数据采集系统采集零位信号，驱动伺服控制系统控制靶标回零位；数据采集系统采集高精度温度传感器测量实时温度值r送至上位机与设定值r0比较产生偏差e经智能控制算法通过采集系统输出控制量u至温度加热模块控制温箱温度恒定；伺服控制系统驱动高精度伺服驱动总成移动靶标循环往复运动产生相对位移，经上位机采用回归分析方法分析标定结果，过程数据存储到数据库中，生成、打印标定报表。

步骤5)中采用回归分析方法分析标定结果，根据采集系统采集数据建立参比直线方程如下：

Y_i＝Y₀+KL_i (3)

其中

K为参比直线斜率，Y₀为参比直线斜率，Y_i为被标定传感器在第i个校准点处拟合输出值， y_ij为被标定传感器在第j次行程中第i个校准点的输出值，为被标定传感器各校准点输出值平均，L_ij为被标定传感器在第j次行程中第i个校准点的输入值，为被标定传感器各校准点输入位移值的均值，i为校准点个数(i＝11)，j为测量行程次数(j＝6)。

优点及效果：

本发明开发了一套高精度位置传感器自动标定系统，具有如下优点：本发明开发了高精度位移驱动总成、伺服电机控制系统、智能温箱控制系统及高精度采集系统。设计智能控制算法保持温箱内温度恒定，采用回归分析方法分析标定结果。高精度位移驱动总成采用了高精度海德汉位移传感器作为基准测量仪器，精度可达1um，采用精密丝杠及滑台结构，表面粗糙度达到0.2um，采用5mm螺距，一周的旋转范围内可实现最小0.5um步长的移动，从而实现最小1um的位移控制精度。为保证位移传感器能够准确位置给定及位置固定，同时减小往复误差，设计了电动夹爪机械结构。被标定位置传感器采用立式安放设计，当电动夹爪未夹紧时，被标定传感器依靠自身重力与靶标进行紧密贴合，从而提供零位信号，进行零位标定，较好地解决了传感器标定过程中标准位移量的高精度测量及精度重复性问题。整个系统除上件及卸件外完全实现了自动标定，且可实时存储数据，报表显示及打印，使位置传感器在标定时操作简单、方便、标定速度快。温箱为被标定传感器提供了极好的恒温标定环境，可实现10～100℃任意一点的恒温控制，温度稳定时稳态误差在±0.5摄氏度之间。在装载被标定传感器时，被标定传感器安装在所设计的套筒-导管结构中，大大提高了操作的工作效率及稳固性。整个标定系统最终封装在标定机柜中，节省了大量空间。

附图说明：

图1为自动标定系统结构框图；

图2为自动标定系统机械结构图；

图3为图2的俯视图；

图4-1为控制伺服电机、制冷机及加热器主电路图；

图4-2为总急停开关控制电路图；

图4-3为原件表图；

图5-1为加热器控制电路图；

图5-2为加热器控制电路；

图6-1为高精度温度传感器电源端；

图6-2为高精度温度传感器输出信号线端；

图7为图5-1至6-2的元件表图；

图8-1为伺服电机控制电路电源进线端；

图8-2为伺服电机控制电路部分；

图8-3伺服电机主电路电源；

图9为图8-1至8-3的原件表。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明，但本发明保护范围不受实施例的限制。

一套高精度位置传感器自动标定系统，其特征在于：

该位置传感器标定系统主要由高精度位移驱动总成、伺服电机控制系统、智能温箱控制系统及高精度采集系统组成。所述其他系统均连接至高精度采集系统，实现与PC机标定软件的通信；高精度采集系统控制伺服电机控制系统，通过高精度位移驱动总成实现精确位移；智能温箱控制系统同时提供温度环境条件。采用智能控制算法保持温箱内温度恒定，采用回归分析方法分析标定结果。实现传感器自动标定，达到高精度要求。系统结构框图如图1 所示，整体机械结构图如图2所示。

一种高精度位置传感器自动标定系统，其特征在于：该标定系统主要由高精度位移驱动总成、伺服电机控制系统、智能温箱控制系统及高精度采集系统组成；伺服电机控制系统连接高精度位移驱动总成，高精度位移驱动总成连接智能温箱控制系统，高精度采集系统连接智能温箱控制系统、高精度位移驱动总成和伺服电机控制系统，实现与PC机标定软件的通信；高精度采集系统控制伺服电机控制系统，通过高精度位移驱动总成实现精确位移；智能温箱控制系统同时提供温度环境条件。

高精度位移驱动总成包括滑台(6)、导轨(6-1)、精密丝杠(9)和托盘、连杆和行程开关(10)、滑台(6)与精密丝杠(9)连接，滑台(6)设置在导轨(6-1)上，导轨(6-1) 的长度方向与精密丝杠(9)的轴向同向，通过精密丝杠(9)的旋转控制滑台(6)沿着导轨(6-1)移动(滑台(6)与精密丝杠(9)螺纹连接，通过精密丝杠(9)旋转，因为滑台(6)不旋转，所以滑台(6)就会沿着精密丝杠(9)的轴向移动。这个属于现有技术。)，托盘(10)固定在滑台(6)上，托盘延伸至智能温箱(11)内部。

伺服电机控制系统包括伺服电机(1)、伺服驱动器、伺服控制器和开关电源；伺服电机固定在机柜内支架平台(12)上，伺服电机控制器与伺服电机驱动器连接，伺服电机驱动器连接至伺服电机，开关电源为伺服电机提供所需电压值。

针对控制精度要求，开发的精准细分的伺服电机驱动控制器，采用5mm螺距，伺服电机旋转对其细分，输出10000个脉冲伺服电机旋转一周，则一周的旋转范围内能实现最小0.5um步长的移动，从而实现最小1um的位移控制。

智能温箱控制系统包括智能温箱(11)、电动夹爪(7)、套筒(8-1)、导管(8)、靶标；

被标定位置传感器采用立式安放设计，安装在螺纹套筒(8-1)内，螺纹套筒制成锥形结构，被标定位置传感器放置在锥形螺纹套筒(8-1)内，螺纹套筒上端可通过螺纹与导管(8)进行固定，每次标定不同传感器能进行灵活拆卸，被标定位置传感器信号线通过导管延伸至温箱外部接入高精度采集系统中(高精度采集系统的数据采集卡中)；靶标放在延伸至温箱内的托盘(10)上，靶标根据不同材质进行更换；导管(8)的上端伸出智能温箱顶部；

为保证标定过程中被标定位置传感器即用于测试的位置传感器能够准确位置给定及位置固定，同时减小往复误差，该智能温箱控制系统还设计了电动夹爪机械结构；电动夹爪固定在智能温箱顶部的钢板上，使夹爪在标定过程中稳固，从而在靶标移动时产生精确相对位移；

电动夹爪机械结构为能够夹紧和松开导管(8)的装置，(这个电动夹爪机械结构可以采用现成的装置，直接采购即可，属于现有技术，例如可以采购HITBOT公司的电动夹爪。)

当电动夹爪未夹紧导管(8)时，被标定传感器依靠重力与靶标进行紧密贴合，从而提供零位信号，进行零位标定；智能温箱为被标定传感器提供全温域的恒温测试环境，温度范围在10～100℃；

智能温箱还包括、制冷风扇、加热模块和高精度温度传感器；制冷电源与制冷风扇相连，当标定温度高于常温环境时，制冷风扇对其降温；高精度温度传感器接入高精度采集系统中，加热模块与继电器连接接入高精度采集系统中，反馈控制温箱内温度恒定。采用智能控制算法保持温箱内温度恒定，采用回归分析方法分析标定结果；实现传感器自动标定，达到高精度要求。

伺服电机(1)固定在机柜内支架平台(12)上，精密丝杠(9)通过联轴器(3)连接至伺服电机轴，支架平台(12)装有上下两个行程开关用于限位保护；(两个行程开关安装于托盘(10)的上方和下方，用于限位保护托盘(10)。)

托盘通过连杆与光栅尺位置传感器(4)连接，光栅尺位置传感器固定在智能温箱侧面作为基准零位检测，高精度位移传感器(5)固定在智能温箱侧面与光栅尺位置传感器平行且垂直于托盘，作为基准测量仪器；每次自动标定时先检测零位信号，控制移动平台到达零位，然后开始位置标定；精密丝杠表面粗糙程度达到0.2um；高精度位移传感器为相对位移高精度传感器，不提供基础零位信息，所以增加光栅位置传感器，使靶标的移动能够精确回到高精度位移传感器的量程范围内；针对高精度位移传感器开发的差分倍频信号转换器确保其测量精度达到1um。

光栅尺位置传感器(4)、高精度位移传感器(5)通过数据采集卡与PC机通讯。

步骤如下：

步骤1)设计高精度位移驱动总成，其特征在于：高精度位移驱动总成包括图2左图中的序号9精密丝杠、图2左图中的序号6滑台、导轨、图2左图中的序号3联轴器、图2左图中的序号5海德汉高精度位移传感器、海德汉高精度位移传感器信号转换器、图2左图中的序号4光栅尺位置传感器、图2左图中的序号10托盘、连杆、行程开关。所述伺服电机固定在机柜内支架平台上，所述滑台与所述精密丝杠连接，精密丝杠表面粗糙程度达到 0.2um。所述托盘固定在滑台上，精密丝杠通过联轴器连接至伺服电机轴，滑台与精密丝杠连接，托盘固定在滑台上，托盘延伸至智能温箱内部，支架平台装有上下两个行程开关用于限位保护。托盘通过所述连杆与所述光栅尺位置传感器连接，光栅尺位置传感器固定在智能温箱侧面作为基准零位检测。所述海德汉高精度位移传感器固定在智能温箱侧面与光栅尺位置传感器平行且垂直于托盘，作为基准测量仪器。每次自动标定时先检测零位信号，控制托盘到达零位，然后开始位置标定。海德汉高精度位移传感器为相对位移高精度传感器，不提供基础零位信息，所以设计中增加光栅位置传感器作为基准零位测量，使靶标的移动能够精确回到高精度位移传感器的量程范围内。为达到测量高精度要求，针对海德汉高精度位移传感器开发了差分倍频信号转换器模块确保其测量精度达到1um。

步骤2)设计伺服电机控制系统。伺服电机控制系统包括图2左图中的序号1伺服电机、伺服驱动器、伺服控制器、开关电源。所述伺服电机固定在机柜内支架平台上，伺服电机控制器与伺服电机驱动器连接，伺服电机驱动器连接至伺服电机，开关电源为其提供所需电压值。针对高控制精度要求，开发了精准细分的伺服电机驱动控制器模块，采用5mm的螺距，对伺服电机旋转进行精准细分，即输出10000个脉冲伺服电机旋转一周，则一周的旋转范围内可实现最小0.5um步长的移动，从而实现最小1um的位移控制，依据高精度位移传感器的精度1um。

步骤3)设计智能温箱控制系统。智能温箱控制系统包括图2左图中的序号11智能温箱、、图2左图中的序号7电动夹爪、套筒、图2左图中的序号8导管、靶标、制冷电源、制冷风扇、加热模块、高精度温度传感器。为保证位移传感器即用于测试的位置传感器能够准确位置给定及位置固定，同时减小往复误差，设计了电动夹爪机械结构。被标定位置传感器采用立式安放设计，安装在螺纹套筒内，螺纹套筒制成锥形结构，被标定位置传感器放置在螺纹套筒锥形内，螺纹套筒另一端可通过螺纹与导管进行固定，每次标定不同传感器可进行灵活拆卸，导管垂直安装于电动夹爪中。被标定位置传感器信号线通过导管延伸至温箱外部接入高精度采集系统中。靶标安放在延伸至温箱内的托盘上，可根据不同材质进行更换。所设计的夹爪机械结构，当电动夹爪未夹紧时，被标定传感器依靠自身重力与靶标进行紧密贴合，从而提供零位信号，进行零位标定。电动夹爪固定在智能温箱顶部的钢板上，使夹爪在标定过程中稳固，从而在靶标移动时产生精确相对位移。智能温箱为被标定传感器提供全温域的恒温测试环境，温度范围在10～100℃。制冷电源与制冷风扇相连，当标定温度高于常温环境时，制冷风扇对其降温。高精度温度传感器接入高精度采集系统中，加热模块与继电器连接接入高精度采集系统中，智能控制算法控制温箱内温度恒定。

步骤4)采用智能控制算法保持温箱内温度恒定。辨识出智能温箱数学模型传函描述如下：

其中传函G(s)为二级惯性加迟滞环节，e^-150s为延迟因子。

采用复合控制策略，定义设定温度为r0，实际温度为r，设定温度偏差e＝r0-r，温度偏差变化率为ec，控制器输出量为u。

(1)当温度偏差|e|>5时，以偏差e及偏差变化率ec为输入变量，以控制量u为输出变量，表示输出方波占空比。将e、ec分为7个模糊集：负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。将u分为3个模糊集：零(ZO)、正中(PM)、正大(PB)。e、ec语言变量量化等级为7级：-3，-2，-1,0,1,2,3；u语言变量量化等级为3 级：0,1,2,3。其中偏差e的论域为[-20,20]，偏差变化率ec的论域为[-2,2]，控制量u的论域为[0,30]。e、ec、u的量化因子分别为Ke＝3/20，Kec＝3/2，Ku＝30/3。

建立模糊规则表如下：

采用mamdani的模糊推理与合成运算，反模糊化采用centroid方法。

(2)当温度偏差|e|<＝5时，控制量u输出如下：

其中：K_p、T_i、T_d分别为比例系数、积分时间常数、微分时间常数，T为采样周期，e(k)为 k时刻的温度偏差，e(k-1)为k-1时刻的温度偏差，i为采样时间间隔，i＝0,1…，k。上述(1) (2)中当u(k)≥u_max则u(k)＝u_max且如u(k)≤u_max则u(k)＝u_min，其中：u(k)∈[0,100]。

步骤5)设计高精度采集系统。基于虚拟仪器技术及NI数据采集系统，将高精度位移驱动总成、伺服电机控制系统、智能温箱控制系统接入到高精度数据采集控制系统中。上位机通过数据采集系统采集零位信号，驱动伺服控制系统控制靶标回零位；数据采集系统采集高精度温度传感器测量实时温度值r送至上位机与设定值r0比较产生偏差e经智能控制算法通过采集系统输出控制量u至温度加热模块控制温箱温度恒定；伺服控制系统驱动高精度伺服驱动总成移动靶标循环往复运动产生相对位移，经上位机采用回归分析方法分析标定结果，过程数据存储到数据库中，生成、打印标定报表。

步骤5)中采用回归分析方法分析标定结果，根据采集系统采集数据建立参比直线方程如下：

Y_i＝Y₀+KL_i (3)

其中

K为参比直线斜率，Y₀为参比直线斜率，Y_i为被标定传感器在第i个校准点处拟合输出值，

y_ij为被标定传感器在第j次行程中第i个校准点的输出值，为被标定传感器各校准点输出值平均，L_ij为被标定传感器在第j次行程中第i个校准点的输入值，为被标定传感器各校准点输入位移值的均值，i为校准点个数(i＝11)，j为测量行程次数(j＝6)。

结论：

本发明采用了高精度光栅尺位移传感器作为基准测量仪器，对位置传感器进行标定，精度可达1um，最小移动步长0.5um。设计了高精度位移驱动总成、伺服电机控制系统、智能温箱控制系统及高精度采集系统，较好地解决了位置传感器标定过程中标准位移量的高精度测量及精度重复性问题。采用智能控制算法保持温箱内温度恒定，采用回归分析方法分析标定结果。实现传感器自动标定，达到高精度要求。标定过程可实时存储试验数据，报表显示打印，使位置传感器在标定时操作简单、方便、标定速度快。采用智能控制算法使温度稳定时温度最小稳态误差在±0.5摄氏度之间。标定系统标定精度在1um，整体精度在0.1％，均方根误差为0.05。

Claims (9)

1.一种高精度位置传感器自动标定系统，其特征在于：该标定系统主要由高精度位移驱动总成、伺服电机控制系统、智能温箱控制系统及高精度采集系统组成；伺服电机控制系统连接高精度位移驱动总成，高精度位移驱动总成连接智能温箱控制系统，高精度采集系统连接智能温箱控制系统、高精度位移驱动总成和伺服电机控制系统，实现与PC机标定软件的通信；高精度采集系统控制伺服电机控制系统，通过高精度位移驱动总成实现精确位移；智能温箱控制系统同时提供温度环境条件。

2.根据权利要求1所述的高精度位置传感器自动标定系统，其特征在于：高精度位移驱动总成包括滑台(6)、导轨(6-1)、精密丝杠(9)和托盘(10)、滑台(6)与精密丝杠(9)连接，滑台(6)设置在导轨(6-1)上，导轨(6-1)的长度方向与精密丝杠(9)的轴向同向，通过精密丝杠(9)的旋转控制滑台(6)沿着导轨(6-1)移动，托盘(10)固定在滑台(6)上，托盘延伸至智能温箱(11)内部。

3.根据权利要求1所述的高精度位置传感器自动标定系统，其特征在于：伺服电机控制系统包括伺服电机(1)、伺服驱动器、伺服控制器和开关电源；伺服电机固定在机柜内支架平台(12)上，伺服电机控制器与伺服电机驱动器连接，伺服电机驱动器连接至伺服电机，开关电源为伺服电机提供所需电压值。

4.根据权利要求3所述的高精度位置传感器自动标定系统，其特征在于：伺服电机驱动控制器，采用5mm螺距，伺服电机旋转对其细分，输出10000个脉冲伺服电机旋转一周，则一周的旋转范围内能实现最小0.5um步长的移动，从而实现最小1um的位移控制。

5.根据权利要求1所述的高精度位置传感器自动标定系统，其特征在于：智能温箱控制系统包括智能温箱(11)、电动夹爪(7)、套筒(8-1)、导管(8)、靶标；

被标定位置传感器采用立式安放设计，安装在螺纹套筒(8-1)内，螺纹套筒制成锥形结构，被标定位置传感器放置在锥形螺纹套筒(8-1)内，螺纹套筒上端通过螺纹与导管(8)进行固定，被标定位置传感器信号线通过导管延伸至温箱外部接入高精度采集系统中；靶标放在延伸至温箱内的托盘(10)上，靶标根据不同材质进行更换；导管(8)的上端伸出智能温箱顶部；

该智能温箱控制系统还设计了电动夹爪机械结构；电动夹爪固定在智能温箱顶部的钢板上；

电动夹爪机械结构为能够夹紧和松开导管(8)的装置；

当电动夹爪未夹紧导管(8)时，被标定传感器依靠重力与靶标进行紧密贴合，从而提供零位信号，进行零位标定；智能温箱为被标定传感器提供全温域的恒温测试环境，温度范围在10～100℃。

6.根据权利要求3或5所述的高精度位置传感器自动标定系统，其特征在于：伺服电机(1)固定在机柜内支架平台(12)上，精密丝杠(9)通过联轴器(3)连接至伺服电机轴，支架平台(12)装有上下两个行程开关用于限位保护；

托盘通过连杆与光栅尺位置传感器(4)连接，光栅尺位置传感器固定在智能温箱侧面作为基准零位检测，高精度位移传感器(5)固定在智能温箱侧面与光栅尺位置传感器平行且垂直于托盘，作为基准测量仪器；每次自动标定时先检测零位信号，控制移动平台到达零位，然后开始位置标定；精密丝杠表面粗糙程度达到0.2um。

7.利用权利要求6所述的高精度位置传感器自动标定系统所实施的标定方法，其特征在于：该方法步骤如下：

步骤1)、设计高精度位移驱动总成，所述精密丝杠通过所述联轴器连接至伺服电机轴，所述滑台与所述精密丝杠连接，精密丝杠表面粗糙程度达到0.2um；所述托盘固定在滑台上，托盘延伸至所述智能温箱内部，支架平台装有上下两个行程开关用于限位保护；托盘通过所述连杆与所述光栅尺位置传感器连接，光栅尺位置传感器固定在智能温箱侧面作为基准零位检测；所述高精度位移传感器固定在智能温箱侧面与光栅尺位置传感器平行且垂直于托盘，作为基准测量仪器；每次自动标定时先检测零位信号，控制托盘到达零位，然后开始位置标定；选型的高精度位移传感器为相对位移高精度传感器，不提供基础零位信息，所以设计中增加光栅位置传感器作为基准零位测量，使靶标的移动能够精确回到高精度位移传感器的量程范围内；为达到测量高精度要求，针对高精度位移传感器开发了差分倍频信号转换器模块确保其测量精度达到1um；

步骤2)、设计伺服电机控制系统；所述伺服电机固定在机柜内支架平台上，伺服电机控制器与伺服电机驱动器连接，伺服电机驱动器连接至伺服电机，开关电源为其提供所需电压值；针对高控制精度要求，开发了精准细分的伺服电机驱动控制器模块，采用5mm的螺距，对伺服电机旋转进行精准细分，即输出10000个脉冲伺服电机旋转一周，则一周的旋转范围内实现最小0.5um步长的移动，从而实现最小1um的位移控制，依据高精度位移传感器的精度1um；

步骤3)、设计智能温箱控制系统；为保证标定过程中被标定位置传感器即用于测试的位置传感器能够准确位置给定及位置固定，同时减小往复误差，设计了电动夹爪机械结构；被标定位置传感器采用立式安放设计，安装在螺纹套筒内，螺纹套筒制成锥形结构，被标定位置传感器放置在螺纹套筒锥形内，螺纹套筒另一端通过螺纹与导管进行固定，每次标定不同传感器进行灵活拆卸，导管垂直安装于电动夹爪中；被标定位置传感器信号线通过导管延伸至温箱外部接入高精度采集系统中；靶标安放在延伸至温箱内的托盘上，靶标根据不同材质进行更换；所设计的夹爪机械结构，当电动夹爪未夹紧时，被标定传感器依靠自身重力与靶标进行紧密贴合，从而提供零位信号，进行零位标定；电动夹爪固定在智能温箱顶部的钢板上，使夹爪在标定过程中稳固，从而在靶标移动时产生精确相对位移；智能温箱为被标定传感器提供全温域的恒温测试环境，温度范围在10～100℃；制冷电源与制冷风扇相连，当标定温度高于常温环境时，制冷风扇对其降温；高精度温度传感器接入高精度采集系统中，加热模块与继电器连接接入高精度采集系统中，智能控制算法控制温箱内温度恒定；

步骤4)、采用智能控制算法保持温箱内温度恒定，辨识出智能温箱数学模型传函描述如下：

其中传函G(s)为二级惯性加迟滞环节，e^-150s为延迟因子；

采用复合控制策略，定义设定温度为r0，实际温度为r，设定温度偏差e＝r0-r，温度偏差变化率为ec，控制器输出量为u；

步骤5)、设计高精度采集系统；基于虚拟仪器技术及NI数据采集系统，将高精度位移驱动总成、伺服电机控制系统、智能温箱控制系统接入到高精度数据采集控制系统中；上位机通过数据采集系统采集零位信号，驱动伺服控制系统控制靶标回零位；数据采集系统采集高精度温度传感器测量实时温度值r送至上位机与设定值r0比较产生偏差e经智能控制算法通过采集系统输出控制量u至温度加热模块控制温箱温度恒定；伺服控制系统驱动高精度伺服驱动总成移动靶标循环往复运动产生相对位移，经上位机采用回归分析方法分析标定结果，过程数据存储到数据库中，生成、打印标定报表。

8.根据权利要求7所述的标定方法，其特征在于：步骤4)中：(1)当温度偏差|e|>5时，以偏差e及偏差变化率ec为输入变量，以控制量u为输出变量，表示输出方波占空比；将e、ec分为7个模糊集：负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)；将u分为3个模糊集：零(ZO)、正中(PM)、正大(PB)；e、ec语言变量量化等级为7级：-3，-2，-1,0,1,2,3；u语言变量量化等级为3级：0,1,2,3；其中偏差e的论域为[-20,20]，偏差变化率ec的论域为[-2,2]，控制量u的论域为[0,30]；e、ec、u的量化因子分别为Ke＝3/20，Kec＝3/2，Ku＝30/3；

建立模糊规则如下：

采用mamdani的模糊推理与合成运算，反模糊化采用centroid方法；

(2)当温度偏差|e|<＝5时，控制量u输出如下：

其中：K_p、T_i、T_d分别为比例系数、积分时间常数、微分时间常数，T为采样周期，e(k)为k时刻的温度偏差，e(k-1)为k-1时刻的温度偏差，i为采样时间间隔，i＝0,1…，k；上述(1)(2)中当u(k)≥u_max则u(k)＝u_max且如u(k)≤u_max则u(k)＝u_min，其中：u(k)∈[0,100]。

9.根据权利要求7所述的标定方法，其特征在于：步骤5)中采用回归分析方法分析标定结果，根据采集系统采集数据建立参比直线方程如下：

Y_i＝Y₀+KL_i (3)

其中

K为参比直线斜率，Y₀为参比直线斜率，Y_i为被标定传感器在第i个校准点处拟合输出值，y_ij为被标定传感器在第j次行程中第i个校准点的输出值，为被标定传感器各校准点输出值平均，L_ij为被标定传感器在第j次行程中第i个校准点的输入值，为被标定传感器各校准点输入位移值的均值，i为校准点个数(i＝11)，j为测量行程次数(j＝6)。