王樹剛 王國民/無錫市計(jì)量檢定測試中心

角位移傳感器校準(zhǔn)裝置

王樹剛 王國民/無錫市計(jì)量檢定測試中心

介紹了角位移傳感器的工作原理。根據(jù)實(shí)際校準(zhǔn)的角位移傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制出對其校準(zhǔn)的裝置。對裝置的主體結(jié)構(gòu)以及校準(zhǔn)過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并對該裝置校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行了不確定評(píng)定。

角位移傳感器；校準(zhǔn)；測量不確定度

0 引言

角位移傳感器是較常見的一種傳感器，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、飛機(jī)雷達(dá)天線的伺服系統(tǒng)以及電腦控制運(yùn)動(dòng)器械等需要準(zhǔn)確測量角位移的場合，其性能參數(shù)的可靠性、穩(wěn)定性直接關(guān)系到國防建設(shè)，故對角位移傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)是十分必要的。角位移傳感器與同步分析器和電位計(jì)等其他傳統(tǒng)角位移測量儀相比，有效提高了長期可靠性，其設(shè)計(jì)獨(dú)特，在不使用諸如滑環(huán)、葉片、接觸式游標(biāo)、電刷等易磨損活動(dòng)部件的前提下仍可保證測量準(zhǔn)確度。為解決角位移傳感器量值溯源問題，研制出一種角位移傳感器校準(zhǔn)裝置。

1 角位移傳感器校準(zhǔn)裝置

該裝置具有較強(qiáng)的綜合檢測與校準(zhǔn)能力，操作簡單、方便、可靠，能快速完成校準(zhǔn)，很好地解決角位移校準(zhǔn)問題。

1.1 工作原理

本裝置采用XDFT-720A型細(xì)分多齒分度臺(tái)為主要標(biāo)準(zhǔn)器，其具有如下特點(diǎn)：測量范圍整分度0～360°、細(xì)分度0～30′、最小分度值整分度0.5°、細(xì)分度0.1″、整分度示值誤差≤±0.2″、綜合示值誤差≤±1″；可實(shí)現(xiàn)任意角度的測量，分度準(zhǔn)確度高，重復(fù)性好，定心準(zhǔn)確度高；利用多齒的嚙合平均效應(yīng)降低誤差，保證準(zhǔn)確度；結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。當(dāng)旋轉(zhuǎn)細(xì)分多齒分度臺(tái)時(shí)，會(huì)通過連接套及連接軸帶動(dòng)角位移傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對任意角位移進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.2 主體部分結(jié)構(gòu)

圖1 角位移傳感器校準(zhǔn)裝置主體部分結(jié)構(gòu)

如圖1所示，角位移傳感器校準(zhǔn)裝置主體部分主要由細(xì)分多齒分度臺(tái)、連接套、連接軸、壓板、上面板、底板、立柱等構(gòu)成。

1）細(xì)分多齒分度臺(tái)與連接套的連接

加工φ105的連接套與細(xì)分多齒分度臺(tái)上表面凹槽形成過盈配合。利用細(xì)分多齒分度臺(tái)上表面4×M6的螺紋孔，通過四個(gè)緊定螺絲使細(xì)分多齒分度臺(tái)帶動(dòng)連接套轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)連接套不打滑。

2）連接套與連接軸的連接及連接軸與被校準(zhǔn)角位移傳感器的連接

連接軸加工成“凸”字形，通過球頭鎖緊螺絲與連接套連接。根據(jù)被校準(zhǔn)角位移傳感器轉(zhuǎn)軸的尺寸，加工多套“凸”字形連接軸予以替換。連接軸與被校準(zhǔn)角位移傳感器通過鎖緊螺絲連接，保證被校準(zhǔn)傳感器與連接軸及連接套的同軸度。

3）被校準(zhǔn)角位移傳感器的固定

被校準(zhǔn)角位移傳感器與上面板的平行度，直接影響校準(zhǔn)結(jié)果。為了保證校準(zhǔn)準(zhǔn)確度，加工時(shí)需保證上面板的粗糙度，同時(shí)在均勻分布90°的位置上利用測長儀的壓板固定被校準(zhǔn)傳感器。此時(shí)，應(yīng)保證被校傳感器在四個(gè)方向受力均勻并大小適合。

1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該裝置可較好完成角位移傳感器基本誤差、線性誤差、重復(fù)性誤差等計(jì)量特性的校準(zhǔn)。且該裝置操作簡單、方便，校準(zhǔn)效率高，可實(shí)施現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境下角位移傳感器的校準(zhǔn)。

2 校準(zhǔn)過程及不確定度分析

2.1 校準(zhǔn)過程

1）如圖1所示，對型號(hào)為ALI 12.200、編號(hào)為MT20048-23的角位移傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。將角位移傳感器通過鎖緊螺絲與連接軸連接，再將連接軸和連接套固定。安裝時(shí)應(yīng)使傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)軸與多齒分度臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心同軸。

2）將直流穩(wěn)壓源的輸出電壓值設(shè)定為傳感器所要求值，如10 V 或20 V。傳感器的輸出端接數(shù)字電壓表輸入端，傳感器供電電源線接直流穩(wěn)壓源的輸出端，直流穩(wěn)壓源、數(shù)字電壓表接穩(wěn)壓源。

3）轉(zhuǎn)動(dòng)分度臺(tái)，滿量程轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)測回，觀察數(shù)據(jù)的變化情況。各起始點(diǎn)、終點(diǎn)位置輸出電壓值變化量不大于允許基本誤差的絕對值時(shí)便可以測量。

4）校準(zhǔn)時(shí)依次按所取測量點(diǎn)進(jìn)行測量，同時(shí)記下多齒分度臺(tái)的讀數(shù)及數(shù)字電壓表讀數(shù)。要求從起點(diǎn)到終點(diǎn)往返測量、讀數(shù)，校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

表1 角位移傳感器校準(zhǔn)結(jié)果

2.2 不確定度評(píng)定

該型號(hào)的角位移傳感器最大允許示值誤差MPE：±0.5%，為了驗(yàn)證該校準(zhǔn)裝置的可行性，作如下測量不確定度評(píng)定。

2.2.1 多齒分度臺(tái)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u1

多齒分度臺(tái)檢定規(guī)程規(guī)定，1級(jí)多齒分度臺(tái)最大分度間隔誤差為±0.5″，設(shè)其服從均勻分布，則其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1為

2.2.2 數(shù)字電壓表引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u2

采用34401A數(shù)字多用表，其最大允許誤差為±0.06%，則在量程為10 V檔位上，測量范圍為60°內(nèi)所帶來的角度誤差為

設(shè)其服從均勻分布，則其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2為

2.2.3 測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u3

在相同條件下，對被校準(zhǔn)角位移傳感器重復(fù)測量6次，由貝塞爾公式計(jì)算出單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差

2.2.4 傳感器安裝不同軸引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u4

校準(zhǔn)過程中，其不同軸度ΔL =0.20 mm，該型號(hào)的角位移傳感器半徑R = 22.5 mm，連接軸高度h = 20 mm，則其帶來的角度誤差為

設(shè)其服從均勻分布，則其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4為

2.2.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

2.2.6 擴(kuò)展不確定度

本次校準(zhǔn)的最小角度值為±15°，按照被校角位移傳感器的最大允許誤差MPE：±5%計(jì)算，±15°時(shí)的MPE為270″。校準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度22″（k = 2）小于最大允許誤差270″的1/5，說明此校準(zhǔn)裝置具有可行性。

3 結(jié)語

試驗(yàn)結(jié)果表明，新研制的角位移傳感器校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠，完全可以開展對角位移傳感器的校準(zhǔn)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

[1]周駿，戚麗紅.一種新型四輪定位檢測儀校準(zhǔn)裝置的研究[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2015(02)：24-25.

[2]全國法制計(jì)量管理計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJF 1059-2012[S].北京：中國質(zhì)檢出版社,2012.

[3]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局計(jì)量司. 測量不確定度評(píng)定與表示指南[M].北京：中國計(jì)量出版社,2013.

A calibration device for angular displacement sensors

Wang Shugang , Wang Guomin
（Wuxi Metrological Verification & Testing Center）

This paper introduces the working principle of the angular displacement sensor. According to the structure characteristics of the angular displacement sensor, a calibration device for it has been developed. The main structure of the device and the calibration procedure are described in detail. The measure uncertainty is evaluated.

angular displacement sensor; calibration; measurement uncertainty