CN111203759A - 一种电涡流传感器机床在线标定装置及方法 - Google Patents

一种电涡流传感器机床在线标定装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电涡流传感器机床在线标定装置及方法，包括传感器固定装置和被测导体固定装置。传感器固定装置中传感器支架通过压紧螺栓固定在机床工作台上，电涡流传感器的探头通过传感器探头固定螺母固定在传感器支架上。被测导体固定装置中连接柱由刀柄中的弹性夹头夹紧，弹簧夹通过螺母螺栓固定在连接柱上，被测导体由弹簧夹夹紧。利用数控机床控制被测导体远离或靠近电涡流传感器探头，正反行程各进行一次，机床每移动Δx，测一组共九个点数据；对一组数据，利用二次双线性插值法，得到中心位置的电流值；对电涡流传感器的非线性段与线性段分段，对线性段采用最小二乘法得到位移与中心电流值的关系。本发明结构简单，操作方便，误差小。

Description

一种电涡流传感器机床在线标定装置及方法
技术领域
本发明属于仪器与测量领域，具体涉及一种电涡流传感器机床在线标定装置及方法。
技术背景
电涡流传感器基于电涡流效应，由于其可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响等特点，广泛应用于数控机床状态的在线监测与故障诊断。电涡流传感器本身具有非线性误差，且经过长时间使用后测量精度会下降，另外被测金属的种类和形状同样会对测量结果产生影响，因此电涡流传感器在使用前需要进行标定。
现有的标定方法多为离线标定，即将电涡流传感器与被测导体置于高精度标定平台上，利用电涡流传感器与千分表等高精度距离测量仪器共同测量被测导体的位移，得到电涡流传感器的电流或电压值与被测导体的位移之间的关系。该方法需要制造一系列的装置，结构相对复杂，对标定平台的精度要求较高，且对被测导体的形状及安装有特定的要求，对用于机床检测的电涡流传感器的标定，没有合理的运用机床。如果被测导体形状不符合装置要求，被测导体难以安装在标定平台上；标定时，如果被测导体的安装存在倾斜或被测导体的被检测面存在缺陷，标定结果会与真实结果有差异；而在实际测量中，被测导体很难保证与标定时姿态保持一致，此时也会产生测量误差。
发明内容
针对现有电涡流传感器标定装置结构复杂，对标定装置的部分零件精度要求较高，以及对被测导体形状有特定要求的问题；本发明提出了一种结构简单，操作方便，利用数控机床进行在线标定的电涡流传感器机床在线标定装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种电涡流传感器机床在线标定装置，包括电涡流传感器、传感器固定装置和被测导体固定装置；所述传感器固定装置包括传感器支架，所述传感器支架固定在机床工作台上，所述电涡流传感器的探头固定在传感器支架上；所述被测导体固定装置包括连接柱和弹簧夹，所述连接柱由刀柄中的弹性夹头夹紧，所述弹簧夹固定在连接柱上，被测导体由弹簧夹夹紧；所述电涡流传感器与被测导体对应，被测导体的被测面与电涡流传感器的探头轴线垂直。
作为本发明的一种优选方案，所述传感器固定装置还包括压紧螺栓和传感器探头固定螺母，所述传感器支架通过压紧螺栓固定在机床工作台上，所述电涡流传感器的探头通过传感器探头固定螺母固定在传感器支架上。
作为本发明的另一种优选方案，所述被测导体固定装置还包括螺母和螺栓，所述弹簧夹通过螺母和螺栓固定在连接柱上。
本发明还提供了一种电涡流传感器机床在线标定方法，该方法包括如下步骤：
1)电涡流传感器机床在线标定装置的安装：利用传感器探头固定螺母将电涡流传感器的探头固定在传感器支架上，通过锁紧螺栓将传感器支架安装在机床工作台上，利用刀柄内的弹性夹头将连接柱安装在刀柄上，将刀柄安装在机床主轴上，利用螺母和螺栓将弹簧夹固定在连接柱上，将被测导体夹在弹簧夹上；
2)电涡流传感器与被测导体的对齐：在安全区域内，将被测导体的被测面转至与电涡流传感器探头轴线垂直，控制机床，使电涡流传感器的探头与被测导体的中心缓慢靠近，直到电涡流传感器的电流值最小，即被测导体与电涡流传感器的探头贴合时电涡流传感器的电流值最小；
3)数据采集：利用数控机床，控制被测导体远离电涡流传感器的探头，进行正行程的数据采集，每移动Δx，测量一组共九个点的数据，Δx为电涡流传感器量程的百分之一，九个点为3×3均匀分布，记录九个点的坐标
Figure BDA0002376435830000031
及电涡流传感器的电流值
Figure BDA0002376435830000032
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第j个点的坐标，
Figure BDA0002376435830000033
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第j个点的电流，xi＝iΔx，i＝0,1,……，j＝1,2,…,9；被测导体远离电涡流传感器的探头到电涡流传感器的最大量程后，电涡流传感器的电流值达到最大，进行反行程的采集，控制被测导体以原路径靠近电涡流传感器的探头，直到电涡流传感器电流值再次达到最小，反行程中，被测导体每移动Δx，记录下九个反行程采集点的坐标
Figure BDA0002376435830000034
及电涡流传感器的电流值
Figure BDA0002376435830000041
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第j个点的坐标，
Figure BDA0002376435830000042
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第j个点的电流值；
4)拟合标定：对一组九个点的数据，利用二次双线性插值的方法，得到正行程中心电流值Ii与反行程中心电流值
Figure BDA0002376435830000048
两者合记为中心电流值I，对中心电流值I与位移x进行分析，将电涡流传感器特性曲线分为非线性段与线性段，用最小二乘法对线性段进行处理，得到位移x与中心电流值I的关系，标定完成。
作为本发明的一种改进方案，对一组九个采集点的数据，利用二次双线性插值的方法，得到正行程中心电流值Ii和反行程中心电流值
Figure BDA0002376435830000043
Figure BDA0002376435830000044
Figure BDA0002376435830000045
Figure BDA0002376435830000046
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第1,2,…,9个采集点的电流值，
Figure BDA0002376435830000047
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第1,2,…,9个采集点的电流值，n为比例系数。
作为本发明的另一种改进方案，将电涡流传感器特性曲线分为非线性段与线性段，利用相邻点的斜率判断线性段的范围，舍弃非线性段，用最小二乘法对线性段进行处理，得到位移x与中心电流值I的关系：x＝kI+b
其中
Figure BDA0002376435830000051
Figure BDA0002376435830000052
Figure BDA0002376435830000053
为线性段中所有电流值的平均值，
Figure BDA0002376435830000054
为线性段中所有位移的平均值，p为线性段第一个点，其所在的采集面到正行程初始位置的距离为pΔx，q为线性段最后一个点，其所在的采集面到正行程初始位置的距离为qΔx。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
1)本发明中电涡流传感器机床在线标定装置的零件均为常见的通用零件，结构简单，成本低；被测导体只需为平板即可，对被测导体的形状要求不高；装置安装在数控机床上，安装操作简单，特别适合用于数控机床检测的电涡流传感器的标定。
2)对于一组数据，进行二次双线性插值，得到中心电流值I，减小了因被测导体的倾斜或其表面存在缺陷而产生标定的误差；利用正反行程两组数据进行标定，减小了因电涡流传感器迟滞性造成的误差；对电涡流传感器的线性段和非线性段进行分别处理，提高了拟合优度。
附图说明
图1为电涡流传感器机床在线标定装置的结构示意图；
图2为正行程中到正行程起始位置的距离为xi的采集面上九个采集点的示意图；
图1中1-机床工作台、2-传感器支架、3-压紧螺栓、4-电涡流传感器、5-传感器探头固定螺母、6-被测导体、7-弹簧夹、8-螺母、9-螺栓、10-连接柱、11-刀柄、XYZ为坐标系中的X轴、Y轴、Z轴；
图2中
Figure BDA0002376435830000061
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第1,2,…,9个采集点的坐标；
Figure BDA0002376435830000062
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第1,2,…,9个采集点的电流值；Pi，1（yi，1，zi，1)，…，Pi，4(yi，4，zi，4)为九个采集点进行第一次双线性插值的目标点；Ii，1，…，Ii，4为利用九个采集点进行第一次双线性插值的目标点处的电流值；Pi(yi，zi)表示利用Pi，1（yi，1，zi，1)，…，Pi，4(yi，4，zi，4)进行第二次双线性插值的目标点，即采集面的中心坐标；Ii表示第二次双线性插值的目标点的电流，即正行程中心电流值；YZ为坐标系中的Y轴、Z轴。
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地描述：
以电流型电涡流传感器为例，主要说明正行程的过程，反行程与正行程过程相同。
如图1，本发明公开了安装在机床的电涡流传感器机床在线标定装置，包括电涡流传感器4、安装在机床工作台1上的传感器固定装置和安装在机床主轴上的被测导体固定装置。
传感器固定装置由机床工作台1、传感器支架2、压紧螺栓3、传感器探头固定螺母5组成；传感器支架2通过压紧螺栓3固定在机床工作台1上，电涡流传感器4通过传感器探头固定螺母5固定在传感器支架2上。被测导体固定装置由被测导体6、弹簧夹7、螺母8、螺栓9、连接柱10、刀柄11组成。连接柱10由机床刀柄11中的弹性夹头夹紧，弹簧夹7通过螺母8和螺栓9固定在连接柱10上，被测导体6由弹簧夹7夹紧。
用上述电涡流传感器机床在线标定装置对电涡流传感器进行标定的方法包含以下步骤：
1)电涡流传感器机床在线标定装置的安装：利用传感器探头固定螺母5将电涡流传感器4固定在传感器支架2上，通过锁紧螺栓3将传感器支架2安装在机床工作台1上；利用刀柄11内的弹性夹头将连接柱10安装在刀柄11上，将刀柄11安装在机床主轴上，利用螺母8和螺栓9将弹簧夹7固定在连接柱10上，最后，将被测导体6夹在弹簧夹7上，完成安装。
2)电涡流传感器4与被测导体6的对齐：在安全区域，将被测导体6的被测面调整至与电涡流传感器4探头轴线垂直，手动控制机床，使电涡流传感器4的探头与被测导体6的中心缓慢接近，到电涡流传感器4的电流值最小，即被测导体6与电涡流传感器4的探头贴合时电涡流传感器4的电流值最小；
3)数据采集：利用数控机床，进行正行程数据采集。控制被测导体远离电涡流传感器4的探头，每移动Δx，采集一组共九个点的数据，Δx为电涡流传感器4量程的百分之一，九个采集点为3×3均匀分布，记录下采集点的坐标
Figure BDA0002376435830000071
及电涡流传感器4的电流值
Figure BDA0002376435830000081
其中
Figure BDA0002376435830000082
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第j个点的坐标，
Figure BDA0002376435830000083
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第j个点的电涡流传感器4的电流值，xi＝iΔx，i＝0,1,……，j＝1,2,…,9。
如图2所示，图中
Figure BDA0002376435830000084
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第1,2,…,9个采集点的坐标，
Figure BDA0002376435830000085
表示第1,2,…,9个采集点的电流值，设相邻两点距离为ΔS。
九个采集点均匀分布，故令
Figure BDA0002376435830000086
Figure BDA0002376435830000087
Pi，1（yi，1，zi，1)表示利用点
Figure BDA0002376435830000088
进行第一次双线性插值的目标点，Ii，1为双线性插值后，点Pi，1的电流值；Pi，2（yi，2，zi，2)表示利用点
Figure BDA0002376435830000089
进行第一次双线性插值的目标点，Ii，2为双线性插值后，点Pi，2的电流值；Pi，3（yi，3，zi，3)表示利用点
Figure BDA00023764358300000810
进行第一次双线性插值的目标点，Ii，3为双线性插值后，点Pi，3的电流值；Pi，4（yi，4，zi，4)表示利用点
Figure BDA00023764358300000811
进行第一次双线性插值的目标点，Ii，4为双线性插值后，点Pi，4的电流值。
Pi(yi，zi)表示利用第一次双线性插值的目标点Pi，1，Pi，2，Pi，3，Pi，4进行第二次双线性插值的目标点，即采集面的中心坐标；Ii表示第二次双线性插值的目标点的电流，即标定区域正行程中心电流。
反行程数据采集与正行程相同，只需将参数换为反行程参数即可。被测导体6远离电涡流传感器4的探头到电涡流传感器4的最大量程后，电涡流传感器4的电流值达到最大，进行反行程的采集，控制被测导体以正行程的路径靠近电涡流传感器探头，直到电涡流传感器电流值再次达到最小。反行程中，被测导体每移动Δx，记录下九个采集点的坐标
Figure BDA0002376435830000091
及电涡流传感器的电流值
Figure BDA0002376435830000092
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上第j个点的坐标，
Figure BDA0002376435830000093
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上第j个点的电流值。
4)拟合标定：对一组九个点的数据，利用二次双线性插值的方法，得到正行程中心电流值Ii与反行程中心电流值
Figure BDA00023764358300000910
两者合记为中心电流值I，此处主要说明正行程中心电流值Ii的推导。
九个采集点均匀分布：
Figure BDA0002376435830000094
Figure BDA0002376435830000095
n为比例系数，令yi，1＝yi，3＝Yi，1，yi，2＝yi，4＝Yi，2，zi，1＝zi，2＝Zi，1，zi，3＝zi，4＝Zi，2
第一次双线性插值：
令
Figure BDA0002376435830000096
Figure BDA0002376435830000097
则
Figure BDA0002376435830000098
令
Figure BDA0002376435830000099
则
Figure BDA0002376435830000101
同理
Figure BDA0002376435830000102
Figure BDA0002376435830000103
Figure BDA0002376435830000104
第二次双线性插值：
利用点Pi，1，Pi，2，Pi，3，Pi，4进行第二次双线性插值，可得正行程中心电流值Ii，方法同上。由于Pi位于采样区域中心，该点的电流值易得：
Figure BDA0002376435830000105
即
Figure BDA0002376435830000106
同理可得，反行程中心电流值
Figure BDA0002376435830000107
Figure BDA0002376435830000108
正行程中心电流值Ii与反行程中心电流值
Figure BDA0002376435830000109
合记为中心电流值I；令位移x＝{x0，x1，…，xi，…}，对中心电流值I与位移x进行分析，电涡流传感器特性曲线分为非线性段与线性段。
线性段的判别：
绘制出位移x与中心电流值I的点图，从线性特性最明显的一段数据中选出正行程或反行程的两个点，计其斜率为k0。
设ki为正行程中，任意两个相邻点的斜率，
Figure BDA0002376435830000111
为反行程中，任意两个相邻点的斜率，δ为判别因数，则
Figure BDA0002376435830000112
对于正行程内的点，若|ki-k0|≤δ，则该点位于线性段；对于正行程内的点，若
Figure BDA0002376435830000113
则该点位于线性段；
对线性段采用最小二乘法进行处理，得到位移x与中心电流值I的关系，舍弃电涡流传感器的非线性段，标定完成。
可得到线性段方程为：
x＝kI+b
其中
Figure BDA0002376435830000114
Figure BDA0002376435830000115
Figure BDA0002376435830000116
为线性段中所有电流值的平均值，
Figure BDA0002376435830000117
为线性段中所有位移的平均值，p为线性段第一个点，其所在的采集面到正行程初始位置的距离为pΔx，q为线性段最后一个点，其所在的采集面到正行程初始位置的距离为qΔx。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种电涡流传感器机床在线标定装置，其特征在于，包括电涡流传感器(4)、传感器固定装置和被测导体固定装置；所述传感器固定装置包括传感器支架(2)，所述传感器支架(2)固定在机床工作台(1)上，所述电涡流传感器(4)的探头固定在传感器支架(2)上；所述被测导体固定装置包括连接柱(10)和弹簧夹(7)，所述连接柱(10)由刀柄(11)中的弹性夹头夹紧，所述弹簧夹(7)固定在连接柱(10)上，被测导体(6)由弹簧夹(7)夹紧；所述电涡流传感器(4)与被测导体(6)对应，被测导体(6)的被测面与电涡流传感器(4)的探头轴线垂直。
2.根据权利要求1所述的一种电涡流传感器机床在线标定装置，其特征在于，所述传感器固定装置还包括压紧螺栓(3)和传感器探头固定螺母(5)，所述传感器支架(2)通过压紧螺栓(3)固定在机床工作台(1)上，所述电涡流传感器(4)的探头通过传感器探头固定螺母(5)固定在传感器支架(2)上。
3.根据权利要求1所述的一种电涡流传感器机床在线标定装置，其特征在于，所述被测导体固定装置还包括螺母(8)和螺栓(9)，所述弹簧夹(7)通过螺母(8)和螺栓(9)固定在连接柱(10)上。
4.一种电涡流传感器机床在线标定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)电涡流传感器机床在线标定装置的安装：利用传感器探头固定螺母(5)将电涡流传感器(4)的探头固定在传感器支架(2)上，通过锁紧螺栓(3)将传感器支架(2)安装在机床工作台(1)上，利用刀柄(11)内的弹性夹头将连接柱(10)安装在刀柄(11)上，将刀柄(11)安装在机床主轴上，利用螺母(8)和螺栓(9)将弹簧夹(7)固定在连接柱(10)上，将被测导体(6)夹在弹簧夹(7)上；
2)电涡流传感器(4)与被测导体(6)的对齐：在安全区域内，将被测导体(6)的被测面转至与电涡流传感器(4)探头轴线垂直，控制机床，使电涡流传感器(4)的探头与被测导体(6)的中心缓慢靠近，直到电涡流传感器(4)的电流值最小，即被测导体(6)与电涡流传感器(4)的探头贴合时电涡流传感器(4)的电流值最小；
3)数据采集：利用数控机床，控制被测导体(6)远离电涡流传感器(4)的探头，进行正行程的数据采集，每移动Δx，测量一组共九个点的数据，Δx为电涡流传感器(4)量程的百分之一，九个点为3×3均匀分布，记录九个点的坐标
Figure FDA0002376435820000021
及电涡流传感器(4)的电流值
Figure FDA0002376435820000022
Figure FDA0002376435820000023
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第j个点的坐标，
Figure FDA0002376435820000024
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第j个点的电流，xi＝iΔt，i＝0,1,……，j＝1,2,…,9；被测导体(6)远离电涡流传感器(4)的探头到电涡流传感器(4)的最大量程后，电涡流传感器(4)的电流值达到最大，进行反行程的采集，控制被测导体(6)以原路径靠近电涡流传感器(4)的探头，直到电涡流传感器(4)电流值再次达到最小，反行程中，被测导体(6)每移动Δx，记录下九个反行程采集点的坐标
Figure FDA0002376435820000025
及电涡流传感器的电流值
Figure FDA0002376435820000026
Figure FDA0002376435820000027
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第j个点的坐标，
Figure FDA0002376435820000028
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第j个点的电流值；
4)拟合标定：对一组九个点的数据，利用二次双线性插值的方法，得到正行程中心电流值Ii与反行程中心电流值
Figure FDA0002376435820000029
两者合记为中心电流值I，对中心电流值I与位移x进行分析，将电涡流传感器特性曲线分为非线性段与线性段，用最小二乘法对线性段进行处理，得到位移x与中心电流值I的关系，标定完成。
5.根据权利要求4所述的一种电涡流传感器机床在线标定方法，其特征在于，对一组九个采集点的数据，利用二次双线性插值的方法，得到正行程中心电流值Ii和反行程中心电流值
Figure FDA00023764358200000210
Figure FDA0002376435820000031
Figure FDA0002376435820000032
Figure FDA0002376435820000033
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第1,2,…,9个采集点的电流值，
Figure FDA0002376435820000034
表示到正行程起始位置的距离为xi的采集面上，第1,2,…,9个采集点的电流值，n为比例系数。
6.根据权利要求4所述的一种电涡流传感器机床在线标定方法，其特征在于，将电涡流传感器特性曲线分为非线性段与线性段，利用相邻点的斜率判断线性段的范围，舍弃非线性段，用最小二乘法对线性段进行处理，得到位移x与中心电流值I的关系：
x＝kI+b
其中
Figure FDA0002376435820000035
Figure FDA0002376435820000036
Figure FDA0002376435820000037
为线性段中所有电流值的平均值，
Figure FDA0002376435820000038
为线性段中所有位移的平均值，p为线性段第一个点，其所在的采集面到正行程初始位置的距离为pΔx，q为线性段最后一个点，其所在的采集面到正行程初始位置的距离为qΔx。
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