CN112378326A - 单端式电涡流微位移传感器标定装置、方法、计算机设备和存储介质 - Google Patents

单端式电涡流微位移传感器标定装置、方法、计算机设备和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单端式电涡流微位移传感器标定装置、方法、计算机设备和存储介质，以解决通过内径千分尺探头带动被测物发生平移，由内径千分尺数据确定被测物位移时误差较大，以及如何确定行程与有效输出电压之间对应关系等问题。本发明在被测物距离探头最近和最远处，针对电路输出电压与探头和被测物间距离成正比和反比两种情况，对应调节偏置粗调电位计/偏置精调电位计和增益电位计，或增益电位计和偏置粗调电位计/偏置精调电位计，循环上述过程，以确保指定零位距离下系统量程与期望有效输出电压对应，为传感器的标定做好准备。同时，采用双频激光干涉仪测量被测物与探头之间的距离，精度高，能够提高单端式电涡流微位移传感器的标定精度。

Description

单端式电涡流微位移传感器标定装置、方法、计算机设备和存 储介质
技术领域
本发明属于传感技术领域，特别涉及一种高精度单端式电涡流微位移传感器标定装置、方法、计算机设备和存储介质。
背景技术
作为一种非接触、高精度微位移测量元件，电涡流传感器以结构简单、价格低廉、灵敏度高、频带宽、不受油污介质影响、抗干扰能力强等优点，广泛应用于位移、振动、转速、金属膜厚度、金属元件几何尺寸、表面粗糙度等物理量的测量，在工业生产、航空工业、核工业、石油化工、安全检测等领域发挥着重要作用。采用双探头进行差分测量可以获得较好的线性特性，相比而言，采用单个探头进行探测，结果存在非线性特性，但其成本低，安装复杂度低，也获得了广泛应用。
单端式电涡流微位移传感器的标定曲线是其得以实际应用的关键，标定曲线的精度直接影响单端式微位移传感器输出数据精度。实际应用中，可将传感器探头位置固定，通过旋转内径千分尺使得被测物发生平移，使得传感器探头与被测物之间的距离发生变化，通过内径千分尺数据确定传感器探头与被测物之间的距离，并同步记录传感器输出数据。通过多次改变传感器探头与被测物之间的距离，获取传感器探头与被测物之间距离与传感器输出值之间的多组对应关系，最后通过数据拟合得到微位移传感器的标定曲线。该方法中，内径千分尺通过机械传动带动被测物发生平移，机械传动存在误差，内径千分尺的读数与被测物的真实位移之间存在较大误差，因此该方法仅适用于标定精度要求不高的场合。另外，因差分式电涡流微位移传感器具有较好的线性特性，在差分式电涡流微位移传感器标定时，只需将两探头零位时保证输出电压为0，最大量程处调节增益电位计使得传感器输出最大有效值，然后即可进行标定。但单端式电涡流微位移传感器具有非线性特性，上述确定行程与有效输出电压之间对应关系的方法不适用。因此，在提高标定精度的同时，急需一种适用于单端式电涡流微位移传感器的标定方法。
发明内容
本发明的目的在于解决通过内径千分尺探头带动被测物发生平移，由内径千分尺数据确定被测物位移时误差较大，以及如何确定行程与有效输出电压之间对应关系等问题，提供一种单端式电涡流微位移传感器标定装置及方法，以提高微位移传感器输入输出特性的标定精度。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种单端式电涡流微位移传感器标定装置，所述装置包括浮空平台，以及设置于该平台上的被测物、一维精密调整台、探头、探头固定架、处理电路、测量仪器、距离测量单元以及计算机；所述探头安装在固定于平台上的探头固定架上，被测物设置在一维精密调整台上，调节一维精密调整台可带动被测物在平台表面沿探头固定架和一维精密调整台连线的轴向方向水平移动，以改变被测物与探头之间的距离；所述距离测量单元用于测量探头与被测物之间的距离，并将该距离信息传输至计算机；所述处理电路用于将探头探测的信息转换为电压信号，并传输至测量仪器进行数据采集，还用于调节系统增益及输出信号偏置。
一种单端式电涡流微位移传感器标定装置的标定方法，所述方法包括：
步骤1，搭建所述单端式电涡流微位移传感器标定装置；
步骤2，调节一维精密调整台改变被测物与探头的距离，在此过程中采集处理电路的输出电压以及距离测量单元测得的被测物与探头的距离；
步骤3，判断处理电路的输出电压和被测物与探头的距离之间的关系，若为正比，则执行正比标定过程；否则执行反比标定过程。
进一步地，步骤3中所述正比标定过程包括：
步骤3-1-1，调节一维精密调整台使被测物距离探头最近，即被测物位于零位位置；此时，清零双频激光干涉仪的显示结果，以此作为标定基准位置；
步骤3-1-2，调节偏置粗调电位计和偏置精调电位计，使处理电路的输出与最小电压有效值间的偏差在第一预设范围内；其中，所述最小电压有效值为被测物距离探头最近时处理电路输出的电压有效值；
步骤3-1-3，调节一维精密调整台使被测物距离探头最远，即满足预设的测量量程要求；此时，调节增益调节电位计，使处理电路的输出与最大电压有效值间的偏差在第二预设范围内；其中，所述最大电压有效值为被测物距离探头最远时处理电路输出的电压有效值；
步骤3-1-4，调节一维精密调整台使被测物距离探头最近，即被测物位于零位位置；此时，判断处理电路的输出与最小电压有效值间的偏差是否在第一预设范围内，若在，则开始进行标定，执行下一步，否则转至步骤3-1-2重新调节；
步骤3-1-5，从当前位置以指定步长调节一维精密调整台，同步采集双频激光干涉仪位置输出及测量仪器的采集结果，直至被测物距离探头最远；
步骤3-1-6，对步骤3-1-5采集的数据进行拟合，获得单端式电涡流微位移传感器的标定结果。
进一步地，步骤3中所述反比标定过程包括：
步骤3-2-1，调节一维精密调整台使被测物距离探头最近，即被测物位于零位位置；此时，清零双频激光干涉仪的显示结果，以此作为标定基准位置；
步骤3-2-2，调节增益调节电位计，使处理电路的输出与最大电压有效值间的偏差在第三预设范围内；其中，所述最大电压有效值为被测物距离探头最近时处理电路输出的电压有效值；
步骤3-2-3，调节一维精密调整台使被测物距离探头最远，即满足预设的测量量程要求；此时，调节偏置粗调电位计和偏置精调电位计，使处理电路的输出与最小电压有效值间的偏差在第四预设范围内；其中，所述最小电压有效值为被测物距离探头最远时处理电路输出的电压有效值；
步骤3-2-4，调节一维精密调整台使被测物距离探头最近，即被测物位于零位位置；此时，判断处理电路的输出与最大电压有效值间的偏差是否在第三预设范围内，若在，则开始进行标定，执行下一步，否则转至步骤3-2-2重新调节；
步骤3-2-5，从当前位置以指定步长调节一维精密调整台，同步采集双频激光干涉仪位置输出及测量仪器的采集结果，直至被测物距离探头最远；
步骤3-2-6，对步骤3-2-5采集的数据进行拟合，获得单端式电涡流微位移传感器的标定结果。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)在被测物距离探头最近处和最远处，针对电路输出电压与探头和被测物之间距离成正比和反比两种情况，对应调节偏置粗调电位计/偏置精调电位计和增益电位计，或增益电位计和偏置粗调电位计/偏置精调电位计，循环上述过程，以确保指定零位距离下系统量程与期望有效输出电压对应，为单端式电涡流微位移传感器的标定做好准备，提高标定精度；2)处理电路包含有偏置粗调电位计和偏置精调电位计，以实现指定零位距离下系统量程与期望有效输出电压调节过程的快速性和准确性；3)采用双频激光干涉仪测量被测物与探头之间的距离，精度高，能够提高单端式电涡流微位移传感器的标定精度。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中本发明高精度单端式电涡流传感器标定装置示意图。
图2为一个实施例中单端式电涡流微位移传感器零位及量程示意图。
图3为一个实施例中处理电路输出电压与探头和被测物之间距离成正比时高精度单端式电涡流微位移传感器标定流程图。
图4为一个实施例中处理电路输出电压与探头和被测物之间距离成反比时高精度单端式电涡流微位移传感器标定流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种单端式电涡流微位移传感器标定装置，所述装置包括浮空平台10，以及设置于该平台上的被测物2、一维精密调整台3、探头4、探头固定架5、处理电路6、测量仪器7、距离测量单元以及计算机9；所述探头4安装在固定于平台上的探头固定架5上，被测物2设置在一维精密调整台3上，调节一维精密调整台3可带动被测物2在平台表面沿探头固定架5和一维精密调整台3连线的轴向方向水平移动，以改变被测物2与探头4之间的距离；所述距离测量单元用于测量探头4与被测物2之间的距离，并将该距离信息传输至计算机9；所述处理电路6用于将探头4探测的信息转换为电压信号，并传输至测量仪器7进行数据采集，还用于调节系统增益及输出信号偏置。
进一步地，在其中一个实施例中，所述距离测量单元包括双频激光干涉仪1、角反射器8，其中双频激光干涉仪1固定设置在浮空平台10上，角反射器8设置在一维精密调整台3上，且位于被测物2靠近双频激光干涉仪1的一侧，双频激光干涉仪1发出一束激光照射到角反射器8上，角反射器8将激光原路返回。
进一步地，在其中一个实施例中，所述处理电路6包括用于调节系统增益的增益调节电位计、用于调节输出信号偏置的偏置粗调电位计和偏置精调电位计。其中增益调节电位计也会对输出信号偏置产生影响，即增益调节电位计会同步影响系统增益及输出信号偏置。
这里，处理电路设计的不同，其输出电压与探头4和被测物2之间距离成正比，或其输出电压与探头4和被测物2之间距离成反比。
进一步地，在其中一个实施例中，所述被测物2采用铝合金或钛合金。
进一步地，在其中一个实施例中，所述测量仪器7采用示波器，或万用表，或数字电压表，或数据采集卡配给计算机实现。
在一个实施例中，提供了一种单端式电涡流微位移传感器标定装置的标定方法，所述方法包括：
步骤1，搭建所述单端式电涡流微位移传感器标定装置；
步骤2，调节一维精密调整台3改变被测物2与探头4的距离，在此过程中采集处理电路6的输出电压以及距离测量单元测得的被测物2与探头4的距离；
步骤3，判断处理电路6的输出电压和被测物2与探头4的距离之间的关系，若为正比，则执行正比标定过程；否则执行反比标定过程。
结合图2，单端式电涡流微位移传感器在应用时存在零位距离，当探头在零位距离时，处理电路6的输出电压和被测物2与探头4的距离之间的关系为正比或反比时，处理电路输出电压为最小电压有效值或最大电压有效值。量程在零位距离基础上进行确定。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图3，步骤3中所述正比标定过程包括：
步骤3-1-1，调节一维精密调整台3使被测物2距离探头4最近，即被测物2位于零位位置；此时，清零双频激光干涉仪1的显示结果，以此作为标定基准位置；
步骤3-1-2，调节偏置粗调电位计和偏置精调电位计，使处理电路6的输出与最小电压有效值间的偏差在第一预设范围内(以确保指定零位距离下系统量程与期望有效输出电压对应)；其中，所述最小电压有效值为被测物2距离探头4最近时处理电路6输出的电压有效值；
步骤3-1-3，调节一维精密调整台3使被测物2距离探头4最远，即满足预设的测量量程要求；此时，调节增益调节电位计，使处理电路6的输出与最大电压有效值间的偏差在第二预设范围内(以确保指定零位距离下系统量程与期望有效输出电压对应)；其中，所述最大电压有效值为被测物2距离探头4最远时处理电路6输出的电压有效值；
步骤3-1-4，调节一维精密调整台3使被测物2距离探头4最近，即被测物2位于零位位置；此时，判断处理电路6的输出与最小电压有效值间的偏差是否在第一预设范围内，若在，则开始进行标定，执行下一步，否则转至步骤3-1-2重新调节；
步骤3-1-5，从当前位置以指定步长调节一维精密调整台3，同步采集双频激光干涉仪1位置输出及测量仪器7的采集结果，直至被测物2距离探头4最远；
步骤3-1-6，对步骤3-1-5采集的数据进行拟合，获得单端式电涡流微位移传感器的标定结果。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图4，步骤3中所述反比标定过程包括：
步骤3-2-1，调节一维精密调整台3使被测物2距离探头4最近，即被测物2位于零位位置；此时，清零双频激光干涉仪1的显示结果，以此作为标定基准位置；
步骤3-2-2，调节增益调节电位计，使处理电路6的输出与最大电压有效值间的偏差在第三预设范围内(以确保指定零位距离下系统量程与期望有效输出电压对应)；其中，所述最大电压有效值为被测物2距离探头4最近时处理电路6输出的电压有效值；
步骤3-2-3，调节一维精密调整台3使被测物2距离探头4最远，即满足预设的测量量程要求；此时，调节偏置粗调电位计和偏置精调电位计，使处理电路6的输出与最小电压有效值间的偏差在第四预设范围内(以确保指定零位距离下系统量程与期望有效输出电压对应)；其中，所述最小电压有效值为被测物2距离探头4最远时处理电路6输出的电压有效值；
步骤3-2-4，调节一维精密调整台3使被测物2距离探头4最近，即被测物2位于零位位置；此时，判断处理电路6的输出与最大电压有效值间的偏差是否在第三预设范围内，若在，则开始进行标定，执行下一步，否则转至步骤3-2-2重新调节；
步骤3-2-5，从当前位置以指定步长调节一维精密调整台3，同步采集双频激光干涉仪1位置输出及测量仪器7的采集结果，直至被测物2距离探头4最远；
步骤3-2-6，对步骤3-2-5采集的数据进行拟合，获得单端式电涡流微位移传感器的标定结果。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
步骤1，搭建所述单端式电涡流微位移传感器标定装置；
步骤2，调节一维精密调整台3改变被测物2与探头4的距离，在此过程中采集处理电路6的输出电压以及距离测量单元测得的被测物2与探头4的距离；
步骤3，判断处理电路6的输出电压和被测物2与探头4的距离之间的关系，若为正比，则执行正比标定过程；否则执行反比标定过程。
关于每一步的具体限定可以参见上文中对于单端式电涡流微位移传感器标定方法的限定，在此不再赘述。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
步骤1，搭建所述单端式电涡流微位移传感器标定装置；
步骤2，调节一维精密调整台3改变被测物2与探头4的距离，在此过程中采集处理电路6的输出电压以及距离测量单元测得的被测物2与探头4的距离；
步骤3，判断处理电路6的输出电压和被测物2与探头4的距离之间的关系，若为正比，则执行正比标定过程；否则执行反比标定过程。
关于每一步的具体限定可以参见上文中对于单端式电涡流微位移传感器标定方法的限定，在此不再赘述。
本发明在被测物距离探头最近处和最远处，针对电路输出电压与探头和被测物之间距离成正比和反比两种情况，对应调节偏置粗调电位计/偏置精调电位计和增益电位计，或增益电位计和偏置粗调电位计/偏置精调电位计，循环上述过程，以确保指定零位距离下系统量程与期望有效输出电压对应，为单端式电涡流微位移传感器的标定做好准备。同时，采用双频激光干涉仪测量被测物与探头之间的距离，精度高，能够提高单端式电涡流微位移传感器的标定精度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种单端式电涡流微位移传感器标定装置，其特征在于，所述装置包括浮空平台(10)，以及设置于该平台上的被测物(2)、一维精密调整台(3)、探头(4)、探头固定架(5)、处理电路(6)、测量仪器(7)、距离测量单元以及计算机(9)；所述探头(4)安装在固定于平台上的探头固定架(5)上，被测物(2)设置在一维精密调整台(3)上，调节一维精密调整台(3)可带动被测物(2)在平台表面沿探头固定架(5)和一维精密调整台(3)连线的轴向方向水平移动，以改变被测物(2)与探头(4)之间的距离；所述距离测量单元用于测量探头(4)与被测物(2)之间的距离，并将该距离信息传输至计算机(9)；所述处理电路(6)用于将探头(4)探测的信息转换为电压信号，并传输至测量仪器(7)进行数据采集，还用于调节系统增益及输出信号偏置。
2.根据权利要求1所述的单端式电涡流微位移传感器标定装置，其特征在于，所述距离测量单元包括双频激光干涉仪(1)、角反射器(8)，其中双频激光干涉仪(1)固定设置在浮空平台(10)上，角反射器(8)设置在一维精密调整台(3)上，且位于被测物(2)靠近双频激光干涉仪(1)的一侧，双频激光干涉仪(1)发出一束激光照射到角反射器(8)上，角反射器(8)将激光原路返回。
3.根据权利要求1或2所述的单端式电涡流微位移传感器标定装置，其特征在于，所述处理电路(6)包括用于调节系统增益的增益调节电位计、用于调节输出信号偏置的偏置粗调电位计和偏置精调电位计。
4.根据权利要求3所述的单端式电涡流微位移传感器标定装置，其特征在于，所述被测物(2)采用铝合金或钛合金。
5.根据权利要求4所述的单端式电涡流微位移传感器标定装置，其特征在于，所述测量仪器(7)采用示波器，或万用表，或数字电压表，或数据采集卡配给计算机实现。
6.基于权利要求1至5任意一项所述的单端式电涡流微位移传感器标定装置的标定方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，搭建所述单端式电涡流微位移传感器标定装置；
步骤2，调节一维精密调整台(3)改变被测物(2)与探头(4)的距离，在此过程中采集处理电路(6)的输出电压以及距离测量单元测得的被测物(2)与探头(4)的距离；
步骤3，判断处理电路(6)的输出电压和被测物(2)与探头(4)的距离之间的关系，若为正比，则执行正比标定过程；否则执行反比标定过程。
7.根据权利要求6所述的标定方法，其特征在于，步骤3中所述正比标定过程包括：
步骤3-1-1，调节一维精密调整台(3)使被测物(2)距离探头(4)最近，即被测物(2)位于零位位置；此时，清零双频激光干涉仪(1)的显示结果，以此作为标定基准位置；
步骤3-1-2，调节偏置粗调电位计和偏置精调电位计，使处理电路(6)的输出与最小电压有效值间的偏差在第一预设范围内；其中，所述最小电压有效值为被测物(2)距离探头(4)最近时处理电路(6)输出的电压有效值；
步骤3-1-3，调节一维精密调整台(3)使被测物(2)距离探头(4)最远，即满足预设的测量量程要求；此时，调节增益调节电位计，使处理电路(6)的输出与最大电压有效值间的偏差在第二预设范围内；其中，所述最大电压有效值为被测物(2)距离探头(4)最远时处理电路(6)输出的电压有效值；
步骤3-1-4，调节一维精密调整台(3)使被测物(2)距离探头(4)最近，即被测物(2)位于零位位置；此时，判断处理电路(6)的输出与最小电压有效值间的偏差是否在第一预设范围内，若在，则开始进行标定，执行下一步，否则转至步骤3-1-2重新调节；
步骤3-1-5，从当前位置以指定步长调节一维精密调整台(3)，同步采集双频激光干涉仪(1)位置输出及测量仪器(7)的采集结果，直至被测物(2)距离探头(4)最远；
步骤3-1-6，对步骤3-1-5采集的数据进行拟合，获得单端式电涡流微位移传感器的标定结果。
8.根据权利要求6所述的标定方法，其特征在于，步骤3中所述反比标定过程包括：
步骤3-2-1，调节一维精密调整台(3)使被测物(2)距离探头(4)最近，即被测物(2)位于零位位置；此时，清零双频激光干涉仪(1)的显示结果，以此作为标定基准位置；
步骤3-2-2，调节增益调节电位计，使处理电路(6)的输出与最大电压有效值间的偏差在第三预设范围内；其中，所述最大电压有效值为被测物(2)距离探头(4)最近时处理电路(6)输出的电压有效值；
步骤3-2-3，调节一维精密调整台(3)使被测物(2)距离探头(4)最远，即满足预设的测量量程要求；此时，调节偏置粗调电位计和偏置精调电位计，使处理电路(6)的输出与最小电压有效值间的偏差在第四预设范围内；其中，所述最小电压有效值为被测物(2)距离探头(4)最远时处理电路(6)输出的电压有效值；
步骤3-2-4，调节一维精密调整台(3)使被测物(2)距离探头(4)最近，即被测物(2)位于零位位置；此时，判断处理电路(6)的输出与最大电压有效值间的偏差是否在第三预设范围内，若在，则开始进行标定，执行下一步，否则转至步骤3-2-2重新调节；
步骤3-2-5，从当前位置以指定步长调节一维精密调整台(3)，同步采集双频激光干涉仪(1)位置输出及测量仪器(7)的采集结果，直至被测物(2)距离探头(4)最远；
步骤3-2-6，对步骤3-2-5采集的数据进行拟合，获得单端式电涡流微位移传感器的标定结果。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求6至8中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求6至8中任一项所述的方法的步骤。
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