CN217604945U - 一种线位移传感器校准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种线位移传感器校准装置，包括恒温室和温度调节箱，温度调节箱内设置有用于安装待校准的线位移传感器的传感器调整台，温度调节箱设置于所述恒温室内，恒温室内于所述温度调节箱的右侧设置有位移台，位移台上沿左右方向导向移动装配有轴线沿左右方向延伸的位移输出杆，位移输出杆的左端伸入到温度调节箱内并设置有用于与线位移传感器配合使用的输出端头，恒温室内还设置有驱动位移输出杆左右移动的输出杆驱动机构和用于测量位移输出杆移动位移的位移测量机构。本实用新型解决了现有技术中刚性轴部分暴露于常温温度场中而会影响校准溯源精度的技术问题。

Description

一种线位移传感器校准装置

技术领域

本实用新型涉及校准检定领域，尤其涉及一种线位移传感器校准装置。

背景技术

线位移传感器（Linear displacement sensor）是一种能感受长度尺寸变化并转换成可用输出信号的器件。线位移传感器可用于测量位移、距离、位置和应变量等长度尺寸，是一种工程测试中应用较为广泛的传感器。线位移传感器输出信号类型多种多样，按照其结构及敏感原理可分为电感式位移传感器、应变式位移传感器、激光位移传感器、（编码）拉线式位移传感器等。

为保证线位移传感器作为计量器具的输出位移长度可被溯源至国家基准，法定计量检定机构依据JJF1305-2011《线位移传感器校准规范》对线位移传感器进行计量校准，并规定校准应在实验室环境（20±2）℃进行。

在长度计量领域，温度是对计量结果产生影响的首要因素，且长度计量所使用的标准器都在20℃环境下进行溯源。这主要是由于材料热膨胀现象的存在，导致不同的温度下，同一材料的几何尺寸有所不同。因此，在长度计量领域，各个层级的计量标准器都约定在相同的温度下开展量传。

然而，实际的传感器使用工况并不总像实验室环境一样稳定，尤其是使用在装备制造设备、航空航天装备上的传感器，其所处环境温度最高可达70℃，而在20℃环境下获得的校准数据由于温度的影响而无法全面反映传感器的实际情况。

为解决上述问题，中国专利CN107830808A公开了“一种高低温环境光栅位移传感器的校准方法及装置”，该校准装置包括高低温环境试验箱和恒温箱，恒温箱内设置有、环境补偿器、刚性轴和用于驱动刚性轴左右移动的驱动平台，刚性轴的另外一段与高低温环境实验箱内的光栅位移传感器的读数头相连接，也就是说刚性轴的一端伸入到恒温箱中，另外一端伸入到高低温环境试验箱中，刚性轴的中部则暴露于恒温箱与高低温环境试验箱之间。

使用时，首先保持被测件不动，在设定温度下，利用激光干涉仪以及环境补偿器测量出刚性轴的热变形量，并依据刚性轴的材料特性，推导出刚性轴的热变形量与温度变化量的函数关系。然后在各温度测量点下，被测件缓慢移动到各检定位置，记录下光栅位移传感器的读数头的读数和激光干涉仪的读数，依据推导出的函数关系将各检定位置的热变形量计算出，并补偿到激光干涉仪测得的位移指中，以完成对光栅位移传感器的校准。

现有的这种校准装置存在以下问题：1、刚性轴的一端处于恒温箱内，刚性轴的另外一端处于高低温环境试验箱中，而刚性轴的中部则暴露于恒温箱与高低温环境试验箱之间，暴露于恒温箱与高低温环境试验箱的这一段刚性轴在常温环境中，这个常温环境是对于溯源而言是另外一个非20℃的温度场，相当于现有技术中，校准过程中存在三个不同的温度场，这种设置形式使得它的补偿模型必然不是特别精确，而且，它的补偿模型要引入轴的长度，轴的长度用钢尺溯源，本身也精度不高，另外，现有技术中利用补偿算法进行修正来得到传感器的溯源值，需要首选获得温度与刚性轴变形量的关系，校准过程比较复杂；2、现有技术的校准装置，仅能适用于一种位移传感器的校准，限制了其通用性和使用范围。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种线位移传感器校准装置，以解决现有技术中刚性轴部分暴露于常温温度场中而会影响校准溯源精度的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型中一种线位移传感器校准装置的技术方案如下：

一种线位移传感器校准装置，包括恒温室和温度调节箱，温度调节箱内设置有用于安装待校准的线位移传感器的传感器调整台，温度调节箱设置于所述恒温室内，恒温室内于所述温度调节箱的右侧设置有位移台，位移台上沿左右方向导向移动装配有轴线沿左右方向延伸的位移输出杆，位移输出杆的左端伸入到温度调节箱内并设置有用于与线位移传感器配合使用的输出端头，恒温室内还设置有驱动位移输出杆左右移动的输出杆驱动机构和用于测量位移输出杆移动位移的位移测量机构。

本实用新型的有益效果为：本实用新型中，温度调节箱和整个位移输出杆均设置于恒温室内，在对线位移传感器进行校准时，温度调节箱调整线位移传感器到工作温度，恒温室内保持（20±2）℃的溯源温度，对于位移输出杆而言，其左端伸入到温度调节箱内的部分为一个工作场，其余部分完全处于20℃的溯源温度场，没有常温温度场的存在，有利于保证校准溯源精度需求。且本实用新型中，位移输出杆的长度不对线位移传感器的校准结果产生影响，因此不需要对位移输出杆的长度进行额外的溯源。

进一步的，位移台包括位移台固定座及沿左右方向导向移动装配于位移台固定座上的位移台移动座，位移输出杆的右端固定于位移台移动座上，输出杆驱动机构与位移台移动座传动相连而实现驱动位移输出杆左右移动。

位移测量机构包括激光干涉仪，激光干涉仪包括激光干涉仪主机、入射分光镜和固定于位移台移动座上的反射镜，入射分光镜、激光干涉仪主机位于位移台的右侧。

位移台固定于底座上，底座包括底座支撑杆及固定于底座支撑杆上端的底板。

底板上均布有多个螺纹孔，底座支撑杆上端设置有用于与对应螺纹孔相连的螺纹段。

传感器调整台包括调整台支座和相对调整台支座能够左右、前后、上下和水平面内周向转动调整的传感器安装座。

位移输出杆的右端通过输出杆夹具与位移台移动座相连，输出杆夹具包括上侧夹持板和下侧夹持板，上侧夹持板、下侧夹持板上设置有槽口相对的用于夹持位移输出杆的V形夹持槽，V形夹持槽的槽壁与位移输出杆之间设置有隔热材料层。

底座上于输出杆夹具的左侧设置有输出杆支撑机构，输出杆支撑机构包括由导热金属制成的输出杆支撑座，输出杆支撑座上端具有开口朝上的用于与位移输出杆接触配合的V形支撑槽。

输出端头包括用于分别单独与位移输出杆可拆卸连接的第一端头和第二端头，第一端头包括工作板，工作板具有用于配合激光式线位移传感器和拉杆式线位移传感器使用的与左右方向垂直的工作板面；第二端头包括连接盒，连接盒具有用于容纳拉线式线位移传感器的拉线端的容纳腔，连接盒的左侧盒壁上开设有拉线穿孔。

输出端头和位移输出杆由石英玻璃或者微晶陶瓷材料制成。

作为本实用新型进一步的技术效果，本实用新型中，输出端头和位移输出杆由石英玻璃或者微晶陶瓷材料制成，这种材料可以认为温度变化时，部件的几何尺寸不发生改变，可以避免温度对位移输出标准尺寸的影响。

进一步的，当温度随位移输出杆朝右传递时，大量的温度随输出杆输出杆支撑机构传递给底座，V形夹持槽的槽壁与位移输出杆之间设置有隔热材料层，避免热量经位移输出杆传递给位移台而影响激光干涉仪的的测量精度。

进一步的，本实用新型中的第一端头、第二端头与位移输出杆可拆连接，使用时，可根据需要在位移输出杆的左端连接第一端头或第二端头，从而配合不同的线位移传感器使用，提高本校准装置的通用性。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应地标号表示相同或对应地部分，其中：

图1是本实用新型中一种线位移传感器校准装置的一个实施例的结构示意图；

图2是图1中输出杆夹具的结构示意图；

图3是本实施例中第一端头与位移输出杆的配合示意图；

图4是本实施例中第二端头与位移输出杆的配合示意图；

图5是本实施例中输出杆支撑机构的结构示意图；

附图标记说明：1、温度调节箱；2、传感器调整台；3、待校准的线位移传感器4、恒温室；5、位移输出装置；6、底座；7、激光干涉仪；8、控制器；9、输出杆穿孔；10、容纳腔；11、温度调节箱的右侧箱壁；12、拉线穿孔；21、调整台支座；22、传感器安装座；50、工作板面；51、输出端头；52、位移输出杆；53、位移台；54、输出杆夹具；55、输出杆支撑机构；56、位移台固定座；57、位移台移动座；58、输出杆驱动机构；61、底板支撑杆；62、底板；71、激光干涉仪主机；72、入射分光镜；73、反射镜；541、上侧夹持板；542、下侧夹持板；543、紧固件；544、V形夹持槽；551、双侧支撑杆；552、输出杆支撑座；553、调整螺栓；554、V形支撑槽；31、拉线端。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。

本实用新型中一种线位移传感器校准装置的实施例如图1~5所示：包括恒温室4，恒温室4内设置有左右布置的温度调节箱1和位移输出装置5。温度调节箱1包括箱体，温度调节箱的箱体内设置有用于安装待校准的线位移传感器的传感器调整台2，本实施例中，传感器调整台2包括调整台支座21和相对调整台支座21能够左右、前后、上下和水平面内周向转动调整的传感器安装座22，传感器安装座22上设置有M4和M6螺纹孔用于安装传感器夹具，待校准的线位移传感器3通过传感器夹具固定于传感器安装座上。

位移输出装置包括位移台53、底座6和轴线沿左右方向延伸的位移输出杆52，位移台包括位移台固定座56及沿左右方向导向移动装配于位移台固定座上的位移台移动座57，位移输出杆52的右端固定于位移台移动座57上。位移台上设置有与位移台移动座传递相连而实现驱动位移输出杆左右移动的输出杆驱动机构58。本实施例中，输出杆驱动机构包括减速电机，减速电机的动力输出端传动连接有轴线沿左右方向延伸的传动丝杠，传动丝杠与位移台移动座螺纹连接。

底座包括底座支撑杆61及连接于底座支撑杆61上端的底板62，底板62上均布有多个螺纹孔，底座支撑杆61的两端分别具有内螺纹和外螺纹，这种设置可以通过不同尺寸组合对底板进行支撑，适用于不同尺寸的温度调节箱。位移台固定座固定于底板上。

恒温室内还设置有用于测量位移输出杆移动位移的位移测量机构，位移测量机构包括激光干涉仪7，激光干涉仪包括激光干涉仪主机71、入射分光镜72和固定于位移台移动座上的反射镜73，入射分光镜72、激光干涉仪主机71位于位移台53的右侧。

温度调节箱的右侧箱壁11上开设有供位移输出杆沿左右方向穿过的输出杆穿孔9，输出杆穿孔9的孔壁与位移输出杆之间可拆设置有保温层，本实施例中的保温层为一对对扣于位移输出杆外周的保温海绵层。

位移输出杆的左端穿过输出杆穿孔后伸入到温度调节箱内并设置有用于与线位移传感器配合使用的输出端头51。本实施例中：输出端头包括用于分别单独与位移输出杆可拆卸连接的第一端头和第二端头，第一端头包括工作板，工作板具有用于配合激光式线位移传感器和拉杆式线位移传感器使用的与左右方向垂直的工作板面50，第一端头右端设置有用于与位移输出杆左端可拆连接的螺纹套筒；第二端头包括连接盒，连接盒具有用于容纳拉线式线位移传感器的拉线端31的容纳腔10，连接盒的左侧盒壁上开设有拉线穿孔12，第二端头右端设置有用于与位移输出杆左端可拆连接的螺纹套筒。

在本实施例中：位移输出杆的右端通过输出杆夹具54与位移台移动座57相连，输出杆夹具包括上侧夹持板541和下侧夹持板542，上侧夹持板、下侧夹持板上设置有槽口相对的用于夹持位移输出杆的V形夹持槽544，V形夹持槽544的槽壁与位移输出杆之间设置有隔热材料层，在本实施例中，隔热材料层使用二氧化硅气凝胶材料制备的纳米气凝胶毡。这种材料导热系数小于0.020W/m·K，可以有效避免温度较高的位移输出杆将热量通过输出杆夹具传导至位移台从而对标准器（激光干涉仪）组件产生影响。图中543表示实现上侧夹持板与下侧夹持板相连的紧固件，紧固件包括螺杆和与螺杆相连的螺母。

底座上于输出杆夹具的左侧设置有输出杆支撑机构55，输出杆支撑机构55包括由导热金属制成的输出杆支撑座552，输出杆支撑座上端具有开口朝上的用于与位移输出杆接触导热配合的V形支撑槽554。本实施例中，输出杆支撑座由导热系数高的铝材料制成。这样设置利于将位移输出杆的热量通过输出杆支撑座传导至底座，从而进一步避免温度对位移台、激光干涉仪组件的影响。图中551表示两个间隔布置的双侧支撑杆，项553表示与双侧支撑螺杆螺纹连接的调整螺栓。

输出端头和位移输出杆由石英玻璃或者微晶陶瓷材料制成，石英玻璃或者微晶陶瓷材料的膨胀系数大于0小于0.7×10^-6/K。这种材料可认为温度变化时，其几何尺寸不发生改变，可以避免温度对位移输出标准尺寸的影响。

该线位移传感器校准装置的使用过程为：

1、保持整个系统在恒温室内恒温至少8h以上，恒温室的温度为（20±2）℃；

2、打开温度调节箱的操作舱门，将待校准的线位移传感器稳定安装于传感器调整台，并根据线位移传感器的类型选择输出端头的结构型式；

3、观察并调整传感器调整台，使待校准的线位移传感器的位移检测方向与伸入温度调节箱内的位移输出杆的位移输出方向保持同轴；

4、驱动位移输出装置使得其输出端头接近待校准的线位移传感器，直至线位移传感器零位附近；

5、关闭温度调节箱的操作舱门，温度调节箱内温度至线位移传感器在线使用时的环境温度，进行环境温度模拟，每个温度点下至少应在温度调节箱内温度稳定后保持密封状态恒温至少3h；

6、将被校准的线位移传感器量程x等分为十份，位移输出杆的位移输出端顺着线位移传感器的检测方向移动x/10的距离；

7、保持系统恒温至少10min后，记录此时的线位移传感器输出数据Vi，记录此时的激光干涉仪数据Di；

8、重复步骤7直到位移输出装置将被校准的线位移传感器的全部量程输出，完成单方向的校准；

9、根据校准需求重复步骤5~8直至完成所需的全部校准操作。

本实用新型，可解决线位移传感器在偏离标准20℃温度下无法计量溯源的问题，解决线位移传感器实际使用工况下的输出情况与计量溯源情况存在差异的问题，且本实用新型不会打破长度计量中标准器的溯源条件，属于真正意义上的计量校准，而非标定试验；

进一步的，本实用新型中的位移输出装置的输出杆夹具有隔热能力，结合低热膨胀系数材料制成的输出杆，导热系数高的金属材料制成的输出杆支撑机构，能够将温度对校准系统和计量标准器带来的温度影响减少到最小；

进一步的，本实用新型中可以模拟环境温度（5～80）℃情况下线位移传感器在线使用的环境，涵盖绝大部分线位移传感器的工业现场使用工况，且不影响计量标准器的性能，校准精度高，使用范围广；

进一步的，本实用新型中的位移输出杆与输出端头具有两型组合样式，适用于激光式、拉线式、拉杆式共三型线位移传感器的计量校准。

在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

根据本说明书的上述描述，本领域技术人员还可以理解如下使用的术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”、“中心”、“纵向”、“横向”、“顺时针”或“逆时针”等指示方位或位置关系的术语是基于本说明书的附图所示的方位或位置关系的，其仅是为了便于阐述本实用新型的方案和简化描述的目的，而不是明示或暗示所涉及的装置或元件必须要具有所述特定的方位、以特定的方位来构造和进行操作，因此上述的方位或位置关系术语不能被理解或解释为对本实用新型方案的限制。

另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示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”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种线位移传感器校准装置，包括恒温室和温度调节箱，温度调节箱内设置有用于安装待校准的线位移传感器的传感器调整台，其特征在于：温度调节箱设置于所述恒温室内，恒温室内于所述温度调节箱的右侧设置有位移台，位移台上沿左右方向导向移动装配有轴线沿左右方向延伸的位移输出杆，位移输出杆的左端伸入到温度调节箱内并设置有用于与线位移传感器配合使用的输出端头，恒温室内还设置有驱动位移输出杆左右移动的输出杆驱动机构和用于测量位移输出杆移动位移的位移测量机构。

2.根据权利要求1所述的线位移传感器校准装置，其特征在于：位移台包括位移台固定座及沿左右方向导向移动装配于位移台固定座上的位移台移动座，位移输出杆的右端固定于位移台移动座上，输出杆驱动机构与位移台移动座传动相连而实现驱动位移输出杆左右移动。

3.根据权利要求2所述的线位移传感器校准装置，其特征在于：位移测量机构包括激光干涉仪，激光干涉仪包括激光干涉仪主机、入射分光镜和固定于位移台移动座上的反射镜，入射分光镜、激光干涉仪主机位于位移台的右侧。

4.根据权利要求2所述的线位移传感器校准装置，其特征在于：位移台固定于底座上，底座包括底座支撑杆及固定于底座支撑杆上端的底板。

5.根据权利要求4所述的线位移传感器校准装置，其特征在于：底板上均布有多个螺纹孔，底座支撑杆上端设置有用于与对应螺纹孔相连的螺纹段。

6.根据权利要求1所述的线位移传感器校准装置，其特征在于：传感器调整台包括调整台支座和相对调整台支座能够左右、前后、上下和水平面内周向转动调整的传感器安装座。

7.根据权利要求4所述的线位移传感器校准装置，其特征在于：位移输出杆的右端通过输出杆夹具与位移台移动座相连，输出杆夹具包括上侧夹持板和下侧夹持板，上侧夹持板、下侧夹持板上设置有槽口相对的用于夹持位移输出杆的V形夹持槽，V形夹持槽的槽壁与位移输出杆之间设置有隔热材料层。

8.根据权利要求7所述的线位移传感器校准装置，其特征在于：底座上于输出杆夹具的左侧设置有输出杆支撑机构，输出杆支撑机构包括由导热金属制成的输出杆支撑座，输出杆支撑座上端具有开口朝上的用于与位移输出杆接触配合的V形支撑槽。

9.根据权利要求1~8任意一项所述的线位移传感器校准装置，其特征在于：输出端头包括用于分别单独与位移输出杆可拆卸连接的第一端头和第二端头，第一端头包括工作板，工作板具有用于配合激光式线位移传感器和拉杆式线位移传感器使用的与左右方向垂直的工作板面；第二端头包括连接盒，连接盒具有用于容纳拉线式线位移传感器的拉线端的容纳腔，连接盒的左侧盒壁上开设有拉线穿孔。

10.根据权利要求9所述的线位移传感器校准装置，其特征在于：输出端头和位移输出杆由石英玻璃或者微晶陶瓷材料制成。

Images