位移传感器测量方法

窦艳红 关维琦 许 静

(1.吉林省计量科学研究院，长春 130022；2.一汽大众汽车有限公司，长春 130022)

0 引言

位移传感器可以测量设备、部件运动的位移变化及微小变形。按工作原理可分为拉线位移传感器、激光位移传感器、电感式位移传感器及电容式位移传感器和磁致伸缩位移传感器等。

由于位移传感器的种类多，目前还没有一种通用方法可适用于所有类型的位移传感器。目前常用的测量方法是用半自动式大量程指示表检定仪作为标准设备对其示值进行检测，但这种方法的缺点是，利用手动操作对准每一个测量点，测量速度慢，而且此方法只适用于电感式、电容式和磁致伸缩式的位移传感器。本文介绍的方法是以测长机作为标准设备，并根据不同类别的位移传感器配置专用测量附件，以实现对各种位移传感器的检测。

1 设计制做装夹附件

考虑到不同型号、规格的位移传感器固定杆的直径不同，测长机尾座的尾管安装孔不能与之相匹配，需要设计制作专用附件，各种专用附件的外观图如图1 、图2、图3所示。

图1 电感式位移传感器测量附件

图2 拉线位移传感器测量附件

图3 激光位移传感器测量附件

下面以电感式位移传感器专用附件(图1)进行详细说明(如图4所示)。

1.1 装夹套筒

为消除由于测量仪器的轴线与位移传感器测量杆不在同一直线上或不平行而带来的阿贝误差，设计要求装夹套筒1、装夹套筒2的轴线应在同一直线上，并平行于测长机导轨。所以设计套筒时，其直径差及其与测长机头、尾座套筒的间隙配合应严格控制尺寸公差。

1.2 微调旋钮

对于绝对式位移传感器，不能任意位置清零，为了方便操作并方便数据处理，装夹套筒2上设置微调旋钮。测量时，通过微调旋钮可控制位移传感器测量杆伸缩量，准确对准位移传感器的零位。

图4 装配图

2 测量方法

本装置可以测量的位移传感器示值误差如表1所示。

表1 位移传感器示值误差技术指标

2.1 测量前的准备

以测量一支电感式位移传感器为例：

按操作手册要求，先将位移传感器与显示仪表正确连接，并开机预热15分钟。同时把装夹套筒1、装夹套筒2分别安装在测长机头座、尾座上，再把位移传感器安装在装夹套筒1的里侧。

通过调整，使测长机尾座位于分米尺0刻度处，头座位于毫米尺0～50mm范围的任意整刻度处。

安装装夹套筒2使微调旋钮上的测头与位移传感器的测头接触，调节微调旋钮使位移传感器置于零值，同时在测长机毫米读数显微镜中读取测量起始值。

2.2 测量过程

测量时，按均匀分布的等间隔分别移动测长机，以测长机毫米尺上的对应值为标准值定位，在位移传感器显示仪表上读取相应位移值。位移传感器的示值与标准值的差值即为位移传感器的误差值，当误差值超过规定要求时，可通过位移传感器数显装置上所记录的率定值(通常以电压值表示)对位移量进行数据修正，使位移传感器示值误差达到规定要求。

3 测量不确定度的分析

以测量50mm量程的电感式位移传感器为例：

3.1 数学模型

lw=lj

式中，lw为位移传感器的测量值，单位mm;lj为测长机读数，单位mm。

3.2 输入量lj的不确定度分量

3.2.1 标准器——测长机示值误差引入的不确定度分量u1

测长机毫米尺示值误差为(0.6+L/200)μm

式中，L为被测长度，在50mm处示值误差为0.85μm，按均匀分布处理，则

3.2.2 测量重复性引入的不确定度分量u2

经重复性实验得出单次实验标准偏差

s=8μm

则

u2=8μm

3.2.3 位移传感器与测长机测量轴线不重合时阿贝误差引入的不确定度分量u3

式中，φ为位移传感器与测长机测量轴线不重合产生的夹角，估计最大为60″，当被测长度L=50mm时e≈0.005μm，可忽略不计，则u3≈0。

3.2.4 环境变化量引入的不确定度分量u4

因恒温实验室温度控制在(20±2)℃，引入的不确定度分量远小于合成不确定分量，可忽略不计，故u4≈0

3.3 合成不确定度

3.4 扩展不确定度

U=16.04μmk=2

该电感式位移传感器示值误差允许值为±0.10%，最大量程为50mm时，绝对误差为0.050mm,分析得出的测量不确定度为0.016mm小于允许误差的1/3,符合误差传递原则，满足对位移传感器的测量要求。

通过测量不确定度分析得知，测量重复性引入的不确定度分量贡献最大，远大于其它不确定度分量，由测量装置带来的不确定度分量非常小，因此本文提到的测量装置的准确度足以满足测量各种类型位移传感器的要求。

4 结论

本装置设计制作难点是专用附件要严格控制形位公差，并保证安装在测长机上有很好的间隙配合。通过实例测量的结果分析表明，用测长机为标准器配以专用检测附件对各类位移传感器示值误差的检测方法具有可操作性，能够满足位移传感器的检定校准要求，具有一定推广应用价值。

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