CN110160436A - 一种直线位移传感器的误差测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线位移传感器的误差测量方法及测量装置，该误差测量方法包括：设置测量点个数的步骤、测量并记录传感器测量值序列和激光干涉仪测量值序列的步骤，计算传感器测量误差值序列的步骤，画测量误差曲线的步骤以及建立测量误差函数并将其存储到直线位移传感器的数据处理模块中的步骤；该误差测量装置用于对由动测头和定尺构成的时栅直线位移传感器的误差进行测量，其包括气浮直线导轨、工程控制机、激光干涉仪、伺服直线电机、电机驱动控制模块和与时栅直线位移传感器配套的传感器电气驱动系统。本发明能对误差进行准确测量，降低人为因素影响，为后续直线位移传感器的误差修正提供基础。

Description

一种直线位移传感器的误差测量方法及测量装置

技术领域

本发明属于直线位移测量领域，具体涉及一种直线位移传感器的误差测量方法及测量装置。

背景技术

随着自动化技术的推广与发展，直线位移传感器的误差测量与修正向无人化方向发展。直线位移传感器出厂时由于装配、器件的契合度等，会影响其精度，同时直线位移传感器的性能也会受到周围环境的影响，所以直线位移传感器使用一段时间后也要进行误差修正方可保证其测量精度。

公开号为CN103630099A的专利公开了一种直线位移传感器自动化校准装置，其采用伺服电机+滚珠丝杠驱动滑块运动，用双频激光干涉仪作为校准仪器，来对直线位移传感器进行校准，但是伺服电机在控制过程中，采用的是开环控制，并且其没有描述误差测量的具体方法。

目前，直线位移传感器的误差测量主要有两种方法：一种是，利用与直线位移传感器配套的测试系统进行误差测量，然后进行误差修正，但是其精度有限，不能满足高精度需要，且只能应用于自身配套的直线位移传感器，通用性差；另一种是，采用人工处理，在每一个测量位置手工输入被测直线位移传感器的测量值，解算出该位置的测量误差，然后操作到下一个测量位置再进行误差测量，由于人工读数、手动输入数据、测量位置较多，常常容易发生读错、记错、输错数据的情况，进而影响后续直线位移传感器的误差修正精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种直线位移传感器的误差测量方法及测量装置，以对误差进行准确测量，降低人为因素影响，为后续直线位移传感器的误差修正提供基础。

本发明所述的直线位移传感器的误差测量方法，包括：

步骤一、设置测量点个数m，并根据公式确定每个测量点的位置，其中，Y_FS为直线位移传感器的测量量程，d为相邻两测量点的间距。

步骤二、利用直线位移传感器、激光干涉仪进行m个测量点的直线位移测量，并记录各个测量点的传感器测量值和激光干涉仪测量值，得到传感器测量值序列{s_i}和激光干涉仪测量值序列{k_i}，其中，i＝1,2,3,...,m。

步骤三、先利用公式x_i＝s_i-s₁对传感器测量值序列{s_i}进行归一化处理，得到归一化的传感器测量值序列{x_i}，利用公式y_i＝k_i-k₁对激光干涉仪测量值序列{k_i}进行归一化处理，得到归一化的激光干涉仪测量值序列{y_i}；再利用公式e_i＝x_i-y_i，计算得到传感器测量误差值序列{e_i}。

步骤四、根据传感器测量误差值序列{e_i}、归一化的传感器测量值序列{x_i}，采用曲线拟合法，画出直线位移传感器的测量误差曲线。

步骤五、根据所述测量误差曲线，采用误差分析算法建立直线位移传感器的测量误差函数，并将该测量误差函数存储到直线位移传感器的数据处理模块中，作为直线位移传感器在后续实际的位移测量中需要修正的误差。

在拟合测量误差曲线时可采用的方法有谐波修正法、最小二乘法、斜线插值法、B样条法等，所述步骤四中的曲线拟合法采用的是谐波修正法，它是最常用的曲线拟合法。在实际中，直线位移传感器的测量误差普遍具有不归零性，根据上述得到的归一化的传感器测量值序列{x_i}与传感器测量误差值序列{e_i}，将归一化的传感器测量值序列{x_i}作为横坐标，将传感器测量误差值序列{e_i}作为纵坐标，可描绘出直线位移传感器的测量误差曲线。

所述步骤五中的误差分析算法为：

将测量误差曲线分为线性部分和周期封闭部分；首先，对线性部分建立误差线性方程其次，将归一化的传感器测量值序列{x_i}代入建立的误差线性方程，得到线性误差序列{E_i}，其中，再次，利用公式r_i＝e_i-E_i(即从传感器测量误差值序列{e_i}中减去线性误差序列{E_i})，计算得到周期封闭误差序列{r_i}；然后，由于周期封闭误差序列{r_i}中的r₁＝r_m＝0，呈现封闭性，所以根据周期封闭误差序列{r_i}可建立误差周期封闭方程其中，n表示谐波次数，ω₁表示基本角频率，最后，得到直线位移传感器的测量误差函数：

上述误差测量方法可以用于测量时栅直线位移传感器的误差，也可以用于测量其他直线位移传感器(比如光栅式直线位移传感器、电阻式直线位移传感器、电容式直线位移传感器等)的误差。

本发明所述的利用上述误差测量方法对直线位移传感器的误差进行测量的装置，其待测的直线位移传感器为由动测头和定尺构成的时栅直线位移传感器，该装置包括气浮直线导轨、工程控制机、激光干涉仪、伺服直线电机、电机驱动控制模块和与时栅直线位移传感器配套的传感器电气驱动系统，所述气浮直线导轨固定在实验平台上，气浮直线导轨上设置有滑块，伺服直线电机固定在实验平台上且输出轴与滑块连接，激光干涉仪包括激光器、干涉镜和反射镜，激光器通过激光器支架设置在实验平台旁边，反射镜固定安装在滑块上，干涉镜固定安装在气浮直线导轨上且位于反射镜与激光器之间，工程控制机与电机驱动控制模块电连接，电机驱动控制模块与伺服直线电机电连接，工程控制机根据设置的测量点个数m以及每个测量点的位置发送运动控制指令给电机驱动控制模块，电机驱动控制模块根据该运动控制指令控制伺服直线电机带动滑块沿气浮直线导轨运动到相应的测量点位置，激光器与工程控制机电连接，将测量的直线位移值发送给工程控制机。

定尺固定安装在实验平台上且与气浮直线导轨平行，动测头固定安装在滑块上且与定尺正对平行；定尺的激励线圈、动测头的感应线圈与传感器电气驱动系统电连接，传感器电气驱动系统与工程控制机电连接，将测量的直线位移值发送给工程控制机，工程控制机将建立的测量误差函数存储到传感器电气驱动系统中，作为时栅直线位移传感器在后续实际的位移测量中需要修正的误差。

所述电机驱动控制模块包括与工程控制机电连接的控制器和与控制器、伺服直线电机电连接的电机驱动器，所述传感器电气驱动系统与控制器电连接，将测量的直线位移值反馈给控制器，作为滑块的当前位置反馈，形成闭环控制。

本发明与现有技术相比，具有如下效果：

(1)采用本发明中的误差测量方法可以对直线位移传感器的误差进行准确测量，为后续直线位移传感器的误差修正提供了基础，进而使得直线位移传感器的测量精度更高。

(2)利用本发明中的误差测量方法，工作人员只需要根据实际的直线位移传感器的测量量程设定测量点个数，就可自动进行误差测量，其降低了人为因素对误差测量结果的影响，从而使误差测量结果更准确。

(3)采用本发明中的装置可以对时栅直线位移传感器的误差进行准确测量，利用高精度的气浮直线导轨，减小了环境因素对时栅直线位移传感器造成的误差，伺服直线电机采用闭环控制，测量点的定位更加准确，其降低了人为因素影响，为后续时栅直线位移传感器的误差修正提供了基础，进而使得时栅直线位移传感器的测量精度更高。

附图说明

图1为时栅直线位移传感器的误差测量装置的结构示意图。

图2为时栅直线位移传感器的误差分解示意图。

图3为时栅直线位移传感器的误差测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1所示的对直线位移传感器的误差进行测量的装置(即直线位移传感器的误差测量装置)，其待测的直线位移传感器为由动测头6和定尺7构成的时栅直线位移传感器，该装置包括气浮直线导轨1、工程控制机2、激光干涉仪、伺服直线电机4、电机驱动控制模块5和与时栅直线位移传感器配套的传感器电气驱动系统3，电机驱动控制模块5包括控制器51和电机驱动器52，气浮直线导轨1固定在实验平台上，气浮直线导轨1上设置有滑块11，伺服直线电机4固定在实验平台上且输出轴与滑块11连接，激光干涉仪包括配套的激光器8、干涉镜9和反射镜10，激光器8通过激光器支架设置在实验平台旁边，反射镜10通过反射镜支架12固定安装在滑块11上，干涉镜9固定安装在气浮直线导轨1的一端，且位于反射镜10与激光器8之间，激光器8、干涉镜9、反射镜10的位置关系能实现直线位移测量，工程控制机2与控制器51电连接，控制器51与电机驱动器52电连接，电机驱动器52与伺服直线电机4电连接，激光器8与工程控制机2电连接。定尺7固定安装在实验平台上且与气浮直线导轨1平行，动测头6固定安装在滑块11上且与定尺7正对平行。传感器电气驱动系统3包括激励信号产生模块31、感应信号调理模块32、比相模块33和数据处理模块34，激励信号产生模块31与定尺7的激励线圈电连接，产生激励信号输入到激励线圈中，感应信号调理模块32与动测头6的感应线圈电连接，对输出的感应信号进行调理，比相模块33与激励信号产生模块31、感应信号调理模块32电连接，采用高频时钟插补技术将激励信号与调理后的感应信号进行比相，数据处理模块34与比相模块33电连接，对比相后的数据进行处理，得到测量的直线位移值；此处的传感器电气驱动系统3内部的电路结构以及其与定尺7的激励线圈、动测头6的感应线圈的电连接方式和信号处理过程，都为现有技术。数据处理模块34与控制器51电连接，将测量的直线位移值反馈给控制器51，作为滑块11的当前位置反馈(也是动测头6的当前位置反馈)，形成闭环控制，数据处理模块34与工程控制机2电连接。

如图2、图3所示，采用上述装置对时栅直线位移传感器的误差进行测量的过程包括：

步骤一、在工程控制机2上设置测量点个数m，并根据公式确定每个测量点的位置，其中，Y_FS为时栅直线位移传感器的测量量程，d为相邻两测量点的间距，由于对精度的不同要求和实际实验中使用的时栅直线位移传感器的测量量程差距较大，工作人员可以结合实际情况设置测量点个数m，此处取时栅直线位移传感器的测量量程Y_FS＝1000mm，测量点个数m设置为501个，即m＝501，则d＝2mm，即相邻两测量点间隔2mm，从而得到每个测量点的位置。

步骤二、工程控制机2根据设置的测量点个数m以及每个测量点的位置发送运动控制指令给控制器51，控制器51根据该运动控制指令控制电机驱动器52驱动伺服直线电机4带动滑块11沿气浮直线导轨1运动到相应的测量点位置(也即伺服直线电机4带动动测头6相对于定尺7运动到相应的测量点位置，伺服直线电机4带动反射镜10运动到相应的测量点位置)，数据处理模块34将测量的直线位移值(即传感器测量值)发送给工程控制机2，激光器8将测量的直线位移值(即激光干涉仪测量值)发送给工程控制机2，直到完成501个测量点的测量，工程控制机2记录各个测量点的传感器测量值和激光干涉仪测量值，得到传感器测量值序列{s_i}和激光干涉仪测量值序列{k_i}，其中，i＝1,2,3,...,501，后续步骤中涉及到i的相关描述时，其取值都为i＝1,2,3,...,501。

步骤三、工程控制机2先利用公式x_i＝s_i-s₁对传感器测量值序列{s_i}进行归一化处理，得到归一化的传感器测量值序列{x_i}(即{x₁,x₂,x₃,...,x₅₀₁})，利用公式y_i＝k_i-k₁对激光干涉仪测量值序列{k_i}进行归一化处理，得到归一化的激光干涉仪测量值序列{y_i}(即{y₁,y₂,y₃,...,y₅₀₁})；工程控制机2再利用公式e_i＝x_i-y_i，计算得到传感器测量误差值序列{e_i}(即{e₁,e₂,e₃,...,e₅₀₁})。

步骤四、工程控制机2根据传感器测量误差值序列{e_i}、归一化的传感器测量值序列{x_i}，采用谐波修正法，将归一化的传感器测量值序列{x_i}作为横坐标，将传感器测量误差值序列{e_i}作为纵坐标，描绘出时栅直线位移传感器的测量误差曲线(参见图2中的a部分)。

步骤五、工程控制机2根据上述测量误差曲线，采用误差分析算法建立时栅直线位移传感器的测量误差函数e(x)，并将该测量误差函数e(x)存储到数据处理模块34中，作为时栅直线位移传感器在后续实际的位移测量中需要修正的误差。该步骤中的误差分析算法为：将测量误差曲线分为线性部分和周期封闭部分；首先，对线性部分建立误差线性方程其次，将归一化的传感器测量值序列{x_i}代入建立的误差线性方程，得到线性误差序列{E_i}(其拟合曲线参见图2中的b部分)，其中，再次，利用公式r_i＝e_i-E_i(即从传感器测量误差值序列{e_i}中减去线性误差序列{E_i})，计算得到周期封闭误差序列{r_i}(其拟合曲线参见图2中的c部分)；然后，由于周期封闭误差序列{r_i}中的r₁＝r₅₀₁＝0，呈现封闭性，所以根据周期封闭误差序列{r_i}可建立误差周期封闭方程其中，n表示谐波次数，ω₁表示基本角频率(为已知参数)，最后，得到时栅直线位移传感器的测量误差函数：

在实际测量中，时栅直线位移传感器的动测头6、定尺7与传感器电气驱动系统3配套使用，其进行误差修正的过程包括：

第一步、当动测头6相对定尺7运动到相应位置(比如l位置处)时，数据处理模块34将l带入测量误差函数e(x)内进行计算，得到l位置处的误差其中，n表示谐波次数，ω₁表示基本角频率(为已知参数)，

第二步、数据处理模块34将此时传感器实际的测值减去第一步中的误差e(l)后得到的值作为传感器的测量值输出。

在完成时栅直线位移传感器的误差测量后，利用上述装置进行一次直线位移的实际测量，可以求出时栅直线位移传感器在修正后的基本误差A，其具体实现过程为：

第一步、在工程控制机2上设置501个测量点，由于时栅直线位移传感器的测量量程Y_FS＝1000mm，则相邻两测量点间隔d＝2mm，从而得到每个测量点的位置。

第二步、工程控制机2根据设置的测量点个数501以及每个测量点的位置发送运动控制指令给控制器51，控制器51控制电机驱动器52驱动伺服直线电机4带动滑块11沿气浮直线导轨1运动到相应的测量点位置(也即伺服直线电机4带动动测头6相对于定尺7运动到相应的测量点位置，伺服直线电机4带动反射镜10运动到相应的测量点位置)，数据处理模块34对测量误差进行修正，并将修正后的直线位移值(即修正后的传感器测量值)发送给工程控制机2，激光器8将测量的直线位移值(即实际的激光干涉仪测量值)发送给工程控制机2，直到完成501个测量点的测量，工程控制机2记录各个测量点的修正后的传感器测量值和实际的激光干涉仪测量值，得到修正后的传感器测量值序列{P_i}和实际的激光干涉仪测量值序列{T_i}，其中，i＝1,2,3,...,501，后续步骤中涉及到i的相关描述时，其取值都为i＝1,2,3,...,501。

第三步、工程控制机2先利用公式C_i＝P_i-P₁对修正后的传感器测量值序列{P_i}进行归一化处理，得到归一化的修正后的传感器测量值序列{C_i}(即{C₁,C₂,C₃,...,C₅₀₁})，利用公式D_i＝T_i-T₁对实际的激光干涉仪测量值序列{T_i}进行归一化处理，得到归一化的实际的激光干涉仪测量值序列{D_i}(即{D₁,D₂,D₃,...,D₅₀₁})；工程控制机2再利用公式F_i＝C_i-D_i，计算得到实际的传感器误差序列{F_i}(即{F₁,F₂,F₃,...,F₅₀₁})。

第四步、工程控制机2选取实际的传感器误差序列{F_i}中的最大值(F_i)_max，利用公式其中，Y_FS＝1000mm，求得时栅直线位移传感器在修正后的基本误差A，并进行显示。

Claims (5)

1.一种直线位移传感器的误差测量方法，其特征在于，包括：

步骤一、设置测量点个数m，并根据公式确定每个测量点的位置，其中，Y_FS为直线位移传感器的测量量程，d为相邻两测量点的间距；

步骤二、利用直线位移传感器、激光干涉仪进行m个测量点的直线位移测量，并记录各个测量点的传感器测量值和激光干涉仪测量值，得到传感器测量值序列{s_i}和激光干涉仪测量值序列{k_i}，其中，i＝1,2,3,...,m；

步骤三、先利用公式x_i＝s_i-s₁对传感器测量值序列{s_i}进行归一化处理，得到归一化的传感器测量值序列{x_i}，利用公式y_i＝k_i-k₁对激光干涉仪测量值序列{k_i}进行归一化处理，得到归一化的激光干涉仪测量值序列{y_i}；再利用公式e_i＝x_i-y_i，计算得到传感器测量误差值序列{e_i}；

步骤四、根据传感器测量误差值序列{e_i}、归一化的传感器测量值序列{x_i}，采用曲线拟合法，画出直线位移传感器的测量误差曲线；

步骤五、根据所述测量误差曲线，采用误差分析算法建立直线位移传感器的测量误差函数，并将该测量误差函数存储到直线位移传感器的数据处理模块中，作为直线位移传感器需要修正的误差。

2.根据权利要求1所述的直线位移传感器的误差测量方法，其特征在于：所述步骤四中的曲线拟合法为谐波修正法，所述测量误差曲线的横坐标为归一化的传感器测量值序列{x_i}、纵坐标为传感器测量误差值序列{e_i}。

3.根据权利要求1或2所述的直线位移传感器的误差测量方法，其特征在于：所述步骤五中的误差分析算法为：

将测量误差曲线分为线性部分和周期封闭部分；首先，对线性部分建立误差线性方程其次，将归一化的传感器测量值序列{x_i}代入建立的误差线性方程，得到线性误差序列{E_i}，其中，再次，利用公式r_i＝e_i-E_i，计算得到周期封闭误差序列{r_i}；然后，根据周期封闭误差序列{r_i}建立误差周期封闭方程其中，n表示谐波次数，ω₁表示基本角频率，最后，得到直线位移传感器的测量误差函数：

4.一种直线位移传感器的误差测量装置，利用如权利要求1至3任一所述的误差测量方法进行测量，所述直线位移传感器为由动测头(6)和定尺(7)构成的时栅直线位移传感器，其特征在于：该装置包括气浮直线导轨(1)、工程控制机(2)、激光干涉仪、伺服直线电机(4)、电机驱动控制模块(5)和与时栅直线位移传感器配套的传感器电气驱动系统(3)，所述气浮直线导轨(1)固定在实验平台上，气浮直线导轨(1)上设置有滑块(11)，伺服直线电机(4)固定在实验平台上且输出轴与滑块(11)连接，激光干涉仪包括激光器(8)、干涉镜(9)和反射镜(10)，激光器(8)通过激光器支架设置在实验平台旁边，反射镜(10)固定安装在滑块(11)上，干涉镜(9)固定安装在气浮直线导轨(1)上且位于反射镜与激光器之间，工程控制机(2)与电机驱动控制模块(5)电连接，电机驱动控制模块(5)与伺服直线电机(4)电连接，工程控制机(2)根据设置的测量点个数m以及每个测量点的位置发送运动控制指令给电机驱动控制模块，电机驱动控制模块根据该运动控制指令控制伺服直线电机带动滑块沿气浮直线导轨运动到相应的测量点位置，激光器(8)与工程控制机(2)电连接，将测量的直线位移值发送给工程控制机；

定尺(7)固定安装在实验平台上且与气浮直线导轨(1)平行，动测头(6)固定安装在滑块(11)上且与定尺(7)正对平行；定尺(7)的激励线圈、动测头(6)的感应线圈与传感器电气驱动系统(3)电连接，传感器电气驱动系统(3)与工程控制机(2)电连接，将测量的直线位移值发送给工程控制机，工程控制机将建立的测量误差函数存储到传感器电气驱动系统中，作为时栅直线位移传感器需要修正的误差。

5.根据权利要求4所述的直线位移传感器的测量装置，其特征在于：所述电机驱动控制模块(5)包括与工程控制机(2)电连接的控制器(51)和与控制器(51)、伺服直线电机(4)电连接的电机驱动器(52)，所述传感器电气驱动系统(3)与控制器(51)电连接，将测量的直线位移值反馈给控制器，作为滑块的当前位置反馈。