CN110470227A - 一种激光位移传感器温度自适应补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种激光位移传感器温度自适应补偿方法，包括：在不同距离条件下分别测试不同温度下激光位移传感器的输出位移值；通过多项式拟合获得不同距离条件下所述激光位移传感器的位移‑温度变化曲线的温度特性参数值；对不同距离的所述温度特性参数值进行多项式拟合，得到不同距离条件下所述激光位移传感器的温度特性参数的计算系数；根据测量过程中获得的绝对位移值计算与之对应的温度特性参数，得到位移的温度补偿值，以所述温度补偿值对实际测量得到的位移值进行补偿。本发明可以适应满量程内的任意位置，有效解决了不同距离下的温度系数不同带来的偏差，不仅具有自适应性能，而且显著提高了温度补偿精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器技术，具体地，涉及一种激光位移传感器温度自适应补偿方法。
背景技术
激光位移传感器是一种基于三角测距原理的位移传感器，具有非接触、高精度、高速度、绝对测量等卓越特性，成为现代工业测量领域的主流测量器具。
但是，温度变化对激光位移传感器的输出影响比较严重。国内外激光位移传感器的温度特性一般为0.05％FS/℃左右，以精度±0.1％FS级、量程20mm的激光位移传感器为例，若温差达到±10℃，其温度导致的测量位移值变化约为±0.1mm，相对误差约为±0.5％FS，远远超过其精度水准。因此，未经温度补偿的激光位移传感器在实际使用中受到严重的限制，特别是在环境温度变化较大的恶劣条件下更是失去应有的精度。
由于激光位移传感器是一种光机电算相结合的高科技传感器，结构复杂、组成器件多源，包括有光学器件、电子器件、机械元件等。而且不同单元、不同器件受温度的影响规律不同，很难建立统一的、通用的温度数学模型用来进行温度补偿。特别是，对于同一个激光位移传感器而言，当被测目标与传感器之间的距离不同时，温度的影响程度也是不同的，即不同距离下的温度系数也是不同的。因此，固定的温度系数补偿方法注定是无法奏效的。因此，如何自适应地确定不同距离下的温度补偿系数，成为提高激光位移传感器温度特性的关键所在。
在对现有技术检索中，尚未发现与本申请相同或类似的报道。
发明内容
本发明针对现有激光位移传感器对温度变化敏感的问题，提出一种激光位移传感器温度自适应补偿方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种激光位移传感器温度自适应补偿方法，包括：
在不同距离条件下分别测试不同温度下激光位移传感器的输出绝对位移值；
通过多项式拟合获得不同距离条件下所述激光位移传感器的位移-温度变化曲线的温度特性参数值；
对不同距离的所述温度特性参数值进行多项式拟合，得到不同距离条件下所述激光位移传感器的温度特性参数的计算系数；
在测量过程中，根据绝对位移值计算与之对应的温度特性参数，得到位移的温度补偿值，以所述温度补偿值对实际测量得到的位移值进行补偿，其中所述绝对位移值即激光位移传感器与目标的距离值，由激光位移传感器直接测量可得。
本发明温度补偿方法能自适应地确定不同距离下的温度补偿系数，可以自适应测量距离的变化，具有更广泛的实用性和通用性。
优选地，所述方法包括以下步骤：
S1，将激光位移传感器与标准测试目标置于一个工作台之上，一同放入高低温试验箱之中；
S2，将所述标准测试目标置于量程的近端处并固定不动，不断改变高低温试验箱的温度，同步记录所述激光位移传感器的输出位移值和所述激光位移传感器内部的温度值，进而得到位移-温度变化曲线；
S3，改变所述标准测试目标的位置，重复S2，得到不同距离下所述激光位移传感器的位移-温度变化曲线；
S4，针对S3每一种距离下的位移-温度变化曲线进行多项式拟合，得到不同距离下所述激光位移传感器的温度特性参数；
S5，分别对S4不同距离下的温度特性参数进行多项式拟合，得到所述激光位移传感器的每个温度特性参数在不同距离下的计算系数；
S6，在所述激光位移传感器实际测量过程中，根据得到的绝对位移值和S5得到的计算系数，计算得到在此距离下所述激光位移传感器的温度特性参数；
S7，利用S6得到的所述激光位移传感器的温度特性参数和S4得到的拟合多项式，根据当前激光位移传感器内部的温度值T与设定的理想温度值T0之差，计算得到温度补偿值；
S8，根据S7得到的温度补偿值对实际测量得到的位移值进行补偿，将实际测量得到的位移值减去温度补偿值，即实现激光位移传感器的温度补偿与修正。
优选地，所述的激光位移传感器内部温度值，可以通过激光位移传感器的内部测量电路上的某个独立的温度传感器芯片实现测量；或，可以通过激光位移传感器的测量电路上控制器的内置温度传感器来获得。
优选地，所述激光位移传感器内部温度值，采用控制器的内置温度传感器来获得，其中：
利用获得的一系列温度值进行预测分析，获得一个温度修正量，采用所述温度修正量对温度值进行修正并得到修正后的温度值；
根据所述修正后的温度值进行前述的S2-S8温度补偿处理过程，从而克服控制器内置温度传感器与实际传感器内部温度的滞后现象。
优选地，所述激光位移传感器与所述标准测试目标均固定在工作台之上，所述标准测试目标与所述工作台采用热稳定性好的材料制作。
优选地，所述不断改变高低温试验箱的温度，其中：从室温起，逐步提升所述高低温试验箱的温度至所述激光位移传感器的最高工作温度，然后在持续降温至所述激光位移传感器的最低工作温度。
优选地，改变所述标准测试目标的位置，其中：测试的位置数不少于3个位置。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明的温度补偿方法可以根据激光位移传感器的当前位移值自动计算与之相符的温度系数，进而得到最为合理的补偿量，实现温度的自适应补偿。因此，该方法可以适应满量程内的任意位置，有效解决了不同距离下的温度系数不同带来的偏差，不仅具有自适应性能，而且显著提高了温度补偿精度；
本发明的温度补偿方法的前提是针对一个具体的激光位移传感器进行温度特性测试，并得到相关的温度特性参数与计算系数，因而完全符合该传感器的特性，具有最高的补偿特性.
本发明的温度补偿方法具有操作成本低、通用性好，可以适用于任何一个传感器；根据测量精度的高低不同，可以选择不同阶数对温度特性曲线进行拟合，可以有效兼顾精度与速度两个方面的需求。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一实施例的使用的测试装置示意图；
图2a、2b是本发明一实施例的实测位移-温度特性曲线；
图3a、3b是本发明一实施例的位移-温度特性曲线拟合结果示意图；
图4a、4b是本发明一实施例的温度系数-距离关系曲线示意图；
图5是本发明一实施例的温度补偿效果示意图；
图6是本发明一实施例的内部温度获取方法示意图；
图中，1-激光位移传感器，2-标准测试目标，3-工作台，4-高低温试验箱，5-处理电路，6-独立温度传感器，7-内置温度传感器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1所示，为本发明激光位移传感器温度补偿方法一实施例中采用的测试装置示意图，如图中所示，包括激光位移传感器1、标准测试目标2、工作台3、高低温试验箱4。
采用图1中的测试装置，在本发明的激光位移传感器温度补偿方法一实施例中，可以参照以下步骤进行：
(1)将激光位移传感器1与标准测试目标2置于一个工作台3之上，一同放入高低温试验箱4之中，如图1所示；
为了保证测试的准确性，激光位移传感器1与标准测试目标2均需可靠固定在工作台3之上；与此同时，标准测试目标2与工作台3均需要采用热稳定性较好的材料制作，例如不锈钢等，避免使用热稳定性差的材料制作，例如铝合金、有机玻璃等。标准测试目标2优先采用白色漫反射表面的目标，例如白色陶瓷量块等。
(2)将标准测试目标2置于量程的近端处并固定不动，不断改变高低温试验箱4的温度，同步记录激光位移传感器1的输出位移值D和激光位移传感器1内部的温度值T，进而得到位移-温度变化曲线C；
上述的标准测试目标2置于量程的近端处并固定不动，如对于工作距离32mm、量程±5mm的传感器而言，可以将标准目标2置于距离激光位移传感器1为27mm左右的位置。
上述的不断改变高低温试验箱的温度，例如从室温起，逐步提升高低温试验箱4的温度至激光位移传感器1的最高工作温度(例如50℃)，然后在持续降温至激光位移传感器1的最低工作温度(例如10℃)；
例如，图2a、2b为两种典型的激光位移传感器1在不同温度下的输出位移值曲线，经过上述的步骤，前一个激光位移传感器1a的位移与温度关系负相关关系，后一个激光位移传感器1b的位移与温度关系呈现正相关关系。
(3)改变标准测试目标2的位置，可以分别置于重复步骤(2)，得到不同距离下的位移-温度变化曲线；
在实施例中，测试的位置数应不少于3个位置，优选地为5个位置；例如，对于前述的激光位移传感器1，工作距离32mm、量程±5mm，3个测试位置可以分别取为27mm、32mm、37mm，5个测试位置可以分别取为27mm、29mm、32mm、35mm、38mm。
(4)针对每一种距离下的位移-温度变化曲线进行多项式拟合，从而得到不同距离下的温度特性参数；
如图3a、3b所示，为针对前述两种典型的激光位移传感器1的位移-温度曲线进行线性拟合的结果，前一个激光位移传感器1a的位移与温度线性拟合系数(即温度系数)约为-0.002mm/℃、相关系数为0.9546(即高度线性相关)，后一个激光位移传感器1b的位移与温度线性拟合系数(即温度系数)约为+0.0033mm/℃、相关系数为0.9825(即高度线性相关)。
(5)对不同距离下获得的温度特性参数进行多项式拟合，从而得到每个温度特性参数在不同距离下的计算系数；
如图4a、4b所示，前述的激光位移传感器1在不同距离下的温度系数变化规律，前一个激光位移传感器1a的温度系数与距离曲线按照线性拟合后的计算系数为ka＝-0.0002，后一个激光位移传感器1b的温度系数与距离曲线按照线性拟合后的计算系数为kb＝0.000006。
(6)在激光位移传感器1实际测量过程中，根据得到的绝对位移值D(即距离值)和步骤5计算系数k可以计算得到在此距离下的温度特性参数(即温度系数β)，即β＝k*D；
例如，对于前例的两个激光位移传感器1a和1b，假设绝对位置值为Da＝Db＝32mm，则两个激光位移传感器1a和1b在此距离处的温度系数分别为：βa＝ka*Da＝-0.0002*32＝-0.0064mm/℃，βb＝kb*Db＝0.000006*32＝0.000192mm/℃。
(7)利用步骤(6)得到的温度特性参数β和步骤(4)得到的拟合多项式，根据获得的当前激光位移传感器1的温度值T与设定的理想温度值T0之差，计算得到温度补偿值ΔD，即ΔD＝β*(T–T0)；
例如，对于前例的两个激光位移传感器1a和1b，假设当前温度值分别为Ta＝Tb＝30℃，设定温度值为T0＝20℃，两个激光位移传感器1a和1b的温度补偿值分别为：ΔDa＝βa*(Ta–T0)＝-0.0064*(30–20)＝-0.064mm，ΔDb＝βb*(Tb–T0)＝0.000192*(30–20)＝0.002mm。
(8)最后根据步骤(7)得到的温度补偿值ΔD对实际测量得到的位移值D进行补偿，实现温度补偿与修正，即：D’＝D-ΔD。
图5为某激光位移传感器1的温度补偿实际效果图，经过温度补偿之后的温度系数下降为-0.0006mm/℃，仅为补偿前温度系数-0.002mm/℃的1/4左右。
在部分优选实施例中，激光位移传感器1的内部温度值，既可以是通过内部测量电路5上的某个独立的温度传感器6实现测量的，也可以通过测量电路上处理器的内置温度传感器7来获得的，如图6所示。
在部分优选实施例中，激光位移传感器1的内部温度值T如果采用控制器的内置温度传感器7来获得，则需要利用之前获得的一系列温度值进行预测分析，获得一个温度修正量ΔT，并对温度值T进行修正并得到修正后的温度值T’，然后根据这个修正后的温度值T’再进行前述的温度补偿处理过程，从而可以有效克服控制器内置温度传感器与实际传感器内部温度的滞后现象。例如，假设激光位移传感器1的内置温度传感器7给出的当前温度测量值已经前面若干温度值分别问T1,T2,…Tn，假设采用常规的平均预算方法，内置温度的滞后量为2，则修正后的温度值应为：T’＝Tn+[Tn-(T1+T2+…+Tn)/n]*(0.5n+2)/0.5n。最后，根据这个修正的温度值T’来计算补偿值ΔD，并对位移测量值D进行补偿。
本发明上述实施例中的温度补偿方法可以根据激光位移传感器的当前位移值自动计算与之相符的温度系数，进而得到最为合理的补偿量，实现温度的自适应补偿。因此，该方法可以适应满量程内的任意位置，有效解决了不同距离下的温度系数不同带来的偏差，不仅具有自适应性能，而且显著提高了温度补偿精度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (8)
1.一种激光位移传感器温度自适应补偿方法，其特征在于，包括：
在不同距离条件下分别测试不同温度下激光位移传感器的输出绝对位移值；
通过多项式拟合获得不同距离条件下所述激光位移传感器的位移-温度变化曲线的温度特性参数值；
对不同距离的所述温度特性参数值进行多项式拟合，得到不同距离条件下所述激光位移传感器的温度特性参数的计算系数；
在测量过程中，根据绝对位移值计算与之对应的温度特性参数，得到位移的温度补偿值，以所述温度补偿值对实际测量得到的位移值进行补偿，其中所述绝对位移值即激光位移传感器与标准测试目标的距离值。
2.根据权利要求1所述的激光位移传感器温度自适应补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将激光位移传感器与标准测试目标置于一个工作台之上，一同放入高低温试验箱之中；
S2，将所述标准测试目标置于量程的近端处并固定不动，不断改变高低温试验箱的温度，同步记录所述激光位移传感器的输出绝对位移值和所述激光位移传感器内部的温度值，进而得到位移-温度变化曲线；
S3，改变所述标准测试目标的位置，重复S2，得到不同距离下所述激光位移传感器的位移-温度变化曲线；
S4，针对S3每一种距离下的位移-温度变化曲线进行多项式拟合，得到不同距离下所述激光位移传感器的温度特性参数；
S5，分别对S4不同距离下的温度特性参数进行多项式拟合，得到所述激光位移传感器的每个温度特性参数在不同距离下的计算系数；
S6，在所述激光位移传感器实际测量过程中，根据得到的绝对位移值和S5得到的计算系数，计算得到在此距离下所述激光位移传感器的温度特性参数；
S7，利用S6得到的所述激光位移传感器的温度特性参数和S4得到的拟合多项式，根据当前激光位移传感器内部温度值T与设定的理想温度值T0之差，计算得到温度补偿值；
S8，根据S7得到的温度补偿值对实际测量得到的位移值进行补偿，将实际测量得到的位移值减去温度补偿值，即实现激光位移传感器的温度补偿与修正。
3.根据权利要求2所述的激光位移传感器温度自适应补偿方法，其特征在于，所述的激光位移传感器内部温度值，通过激光位移传感器内部的测量电路上的某个独立的温度传感器芯片实现测量。
4.根据权利要求2所述的激光位移传感器温度自适应补偿方法，其特征在于，所述的激光位移传感器内部温度值，通过激光位移传感器内部的测量电路上控制器的内置温度传感器来获得。
5.根据权利要求4所述的激光位移传感器温度自适应补偿方法，其特征在于，所述激光位移传感器内部温度值，采用控制器的内置温度传感器来获得，其中：
利用获得的一系列温度值进行预测分析，获得一个温度修正量，采用所述温度修正量对温度值进行修正并得到修正后的温度值；
根据所述修正后的温度值进行前述的S2-S8温度补偿处理过程，从而克服控制器内置温度传感器与实际传感器内部温度的滞后现象。
6.根据权利要求2-5任一项所述的激光位移传感器温度自适应补偿方法，其特征在于，所述激光位移传感器与所述标准测试目标均固定在工作台之上，所述标准测试目标与所述工作台采用热稳定性好的材料制作。
7.根据权利要求2-5任一项所述的激光位移传感器温度自适应补偿方法，其特征在于，所述不断改变高低温试验箱的温度，其中：从室温起，逐步提升所述高低温试验箱的温度至所述激光位移传感器的最高工作温度，然后在持续降温至所述激光位移传感器的最低工作温度。
8.根据权利要求2-5任一项所述的激光位移传感器温度自适应补偿方法，其特征在于，改变所述标准测试目标的位置，其中：测试的位置数不少于3个位置。
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