在航空器的研制、試驗、生產(chǎn)過程中，運(yùn)用到大量的直線位移傳感器，如飛機(jī)強(qiáng)度試驗中測量變形量的位移傳感器，飛機(jī)飛行地面試驗中監(jiān)測飛機(jī)作動筒的位移傳感器，測量航空發(fā)動機(jī)推力的六力素天平校準(zhǔn)裝置中采用的監(jiān)測位移傳感器等。要保證這些傳感器的正常使用，須定期進(jìn)行校準(zhǔn)測試，但目前市場上還沒有成熟的位移傳感器校準(zhǔn)設(shè)備。為此，我們研制了一臺高準(zhǔn)確度、校準(zhǔn)對象廣的位移傳感器校準(zhǔn)裝置，它將滿足位移、速度測試設(shè)備傳感器的定期校準(zhǔn)需求，使測試設(shè)備保持著良好的工作狀態(tài)，為科研生產(chǎn)提供可靠的技術(shù)保證。
1 工作原理及技術(shù)指標(biāo)
位移傳感器校準(zhǔn)裝置以 633 nm 穩(wěn)頻 He － Ne 激光波長作為基準(zhǔn)，采用干涉條紋計數(shù)原理，對被測傳感器進(jìn)行直接測量。該裝置通過配置多套裝夾附件，可實現(xiàn)拉桿式、拉繩式等多種類型直線位移傳感器的手動、半自動和自動校準(zhǔn)功能，包括位移傳感器的基本誤差、線性度誤差、重復(fù)性誤差、回程誤差、滿量程輸出和靈敏度等靜態(tài)特性指標(biāo)的校準(zhǔn)。主要技術(shù)指標(biāo): 測量范圍 0 ～ 1000 mm; 測量不確定度 U = ( 0. 5 + 2L) μm ( L 單位為 m，k = 2) ;分辨力 0. 1 μm; 測量速度 0. 3 m /s。
2 裝置的組成及設(shè)計
位移傳感器校準(zhǔn)裝置由大理石基座導(dǎo)軌、工作臺粗進(jìn)給系統(tǒng)、微位移驅(qū)動系統(tǒng)、激光干涉系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、專用軟件、傳感器安裝座和多套附件等組成，工作臺朝傳感器安裝座一側(cè)有一傳感器固定裝夾座，通過螺紋與傳感器連接。對于小量程傳感器則直接通過彈簧復(fù)位方式連接。
2. 1 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計
要想實現(xiàn)高準(zhǔn)確度位移傳感器的校準(zhǔn)，不僅需要激光干涉儀能夠提供高準(zhǔn)確的長度基準(zhǔn)，同時需要可編程位移發(fā)生器實現(xiàn)高分辨力的定位。為此，從系統(tǒng)的驅(qū)動實現(xiàn)上，采用兩種驅(qū)動方式，即工作臺在伺服電機(jī)的驅(qū)動下實現(xiàn)粗進(jìn)給、微動臺在壓電陶瓷驅(qū)動控制下實現(xiàn)微位移定位，二者可以二級聯(lián)動或者根據(jù)校準(zhǔn)需要單獨(dú)定位，從而實現(xiàn)不同準(zhǔn)確度級別的位移傳感器的校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集卡在工作臺運(yùn)動過程中可按照要求不斷同步讀取干涉儀及被測傳感器讀數(shù)值，實現(xiàn)位移傳感器的自動校準(zhǔn)。在粗進(jìn)給方式的實現(xiàn)上，為滿足傳動平穩(wěn)靈活、阻力小的要求，選用標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠傳動和高準(zhǔn)確度的直線運(yùn)動導(dǎo)軌導(dǎo)向。微動臺采用柔性鉸鏈為運(yùn)動機(jī)構(gòu)的基本組成單元，由壓電陶瓷驅(qū)動器直接驅(qū)動，實現(xiàn)高分辨力的定位。本位移傳感器校準(zhǔn)裝置設(shè)計的壓電陶瓷驅(qū)動器的有效行程范圍為 20 μm，分辨力為 1 μm。壓電陶瓷驅(qū)動器與計算機(jī)之間采用串口通訊實現(xiàn)微定位。
2. 2 位移傳感器裝夾機(jī)構(gòu)設(shè)計
為保證傳感器安裝符合阿貝原則，考慮到位移傳感器種類的多樣性及傳感器安裝調(diào)整的方便性，傳感器安裝座設(shè)計成四維調(diào)整機(jī)構(gòu)，四維調(diào)整機(jī)構(gòu)具有上下、左右平移和偏擺、俯仰調(diào)整功能，可保證位移傳感器的伸縮軸線與測量基準(zhǔn)在同一直線上。針對拉桿式位移傳感器，設(shè)計了 V 型裝夾附件; 針對拉繩位移傳感器，設(shè)計了壓板型裝夾附件。
2. 3 干涉測量系統(tǒng)設(shè)計
為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用光纖將光源引入集成干涉單元，系統(tǒng)機(jī)械布局上只需考慮干涉單元和反射鏡的安裝，而激光頭和電路單元可獨(dú)立安裝定位，僅需單獨(dú)調(diào)整反射鏡即可實現(xiàn)原本復(fù)雜的干涉測量系統(tǒng)搭建。利用屏幕對李沙育圓的形狀進(jìn)行監(jiān)控，不斷地設(shè)置修改相位和幅值 ，以保證干涉信號細(xì)分精度。
3 應(yīng)用軟件設(shè)計
軟件采用 VC + + 編程語言模塊化設(shè)計，利用DELTA TAU 公司提供的 Pcomm32Pro 動態(tài)鏈接庫進(jìn)行軟件開發(fā)，實現(xiàn)位移發(fā)生裝置的可編程控制。軟件可以實現(xiàn)被校傳感器信息的錄入、校準(zhǔn)控制參數(shù)的設(shè)置、校準(zhǔn)過程數(shù)據(jù)的自動采集和校準(zhǔn)信息的自動處理，最后生成校準(zhǔn)原始記錄和校準(zhǔn)證書。主要包括控制調(diào)整模塊、位移傳感器校準(zhǔn)模塊、證書記錄查詢打印模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、幫助模塊。
1) 控制調(diào)整模塊
控制調(diào)整模塊可以實現(xiàn)工作臺粗進(jìn)給、精進(jìn)給的調(diào)整功能，干涉儀數(shù)據(jù)的實時顯示功能及干涉信號的實時調(diào)整監(jiān)控功能。
2) 位移傳感器校準(zhǔn)模塊
位移傳感器校準(zhǔn)模塊可以輸入證書信息和計量器具信息，設(shè)定運(yùn)動平臺的采樣點、速度、采數(shù)方式依據(jù)采樣點設(shè)定信息和模式設(shè)置信息等，按照位移傳感器的校準(zhǔn)規(guī)范要求，實現(xiàn)位移傳感器的手/自動校準(zhǔn); 對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和比較，得到一系列采樣點的測量誤差及其曲線，對直線位移傳感器的線性度做出評價。
3) 證書記錄查詢打印模塊
實現(xiàn)原始校準(zhǔn)記錄的數(shù)據(jù)庫檢索，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的編輯和原始記錄、校準(zhǔn)證書的自動編輯打印功能。
4) 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊
提供用戶密碼修改設(shè)置功能、記錄證書編號規(guī)則設(shè)計和記錄證書格式設(shè)計模板。
5) 數(shù)據(jù)庫管理模塊
對被校傳感器的檢測數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)庫管理方式進(jìn)行存儲，以利于用戶的查詢比較，同時提供數(shù)據(jù)庫的維護(hù)功能。
6) 幫助模塊提供軟件操作的詳細(xì)說明和在線幫助。
4 校準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度試驗
為驗證系統(tǒng)的實用性，采用線性度為 0. 2% 的拉繩位移傳感器、線性度為 0. 5% 的拉桿式位移傳感器進(jìn)行傳感器的校準(zhǔn)測試，并與國家線紋工作基準(zhǔn)裝置———激光干涉比長儀進(jìn)行了相關(guān)數(shù)據(jù)的比對。數(shù)據(jù)表明，運(yùn)用位移傳感器校準(zhǔn)裝置檢測后的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)具有可信度，可以用于實際應(yīng)用。
5 結(jié)論
位移傳感器校準(zhǔn)裝置的研制成功，國內(nèi)長期以來無位移傳感器專用測量儀器的空白，滿足了直線位移傳感器的校準(zhǔn)需求。位移傳感器校準(zhǔn)裝置可廣泛用于位移傳感器的實驗室校準(zhǔn)和位移傳感器生產(chǎn)檢測需要，提升了我所在位移傳感器校準(zhǔn)和檢測方面的能力。
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