角度传感器现场自动校准装置的研制*

黄 雷 窦艳红 杨 璐 刘桂忠 王洪喜

(1.吉林省计量科学研究院吉林省计量测试仪器与技术重点实验室，长春 130012；2.吉林东光精密机械厂,长春 130012；3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033；4.通化市产品质量检验所，通化 134000)



角度传感器现场自动校准装置的研制*

黄 雷1窦艳红1杨 璐2刘桂忠3王洪喜4

(1.吉林省计量科学研究院吉林省计量测试仪器与技术重点实验室，长春 130012；2.吉林东光精密机械厂,长春 130012；3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033；4.通化市产品质量检验所，通化 134000)

采用高精度圆光栅作为标准器，代替多面棱体和自准直仪，研制一种角度传感器现场校准装置。通过设计二级连轴器、装夹附件和全自动驱动系统，实现了现场环境下对角度传感器的高精度自动测量。实验结果表明，该系统分度误差为±9.4″。对分度误差为±30″的光栅编码器进行校准，测得其分度误差为±22.5″，满足不确定度分析要求。

计量学；角度传感器；光栅编码器；现场校准；同轴度

0 引言

角度传感器主要应用于材料疲劳试验机、角度作动器和汽车四轮定位仪等检测仪器上，其主要类型包括角位移传感器和光学编码器等。目前，校准此类仪器的方法是在实验室采用高精度棱体配合自准直仪和光学转盘进行。但是此方法有如下弊端：首先，大多数角度传感器作为试验机的一部分，无法送到实验室进行校准；其次，该方法标准器设备较大，不能携带到现场，致使无法对其校准[1-4]。

本文介绍一种高精度全自动角度传感器现场校准装置，采用高精度圆光栅作为主标准器，代替多面棱体和自准直仪，设计配套高精度二级连轴器、装夹附件和全自动驱动系统。该装置可满足各科研院所及企业试验机角度传感器在现场环境下的检测需求，保证角度量值的可靠溯源。

1 系统原理及结构特点

1.1 系统原理及技术指标

如图1所示，圆光栅安装于系统基座上，手动鼓轮安装于圆光栅上，并在鼓轮上安装了蜗轮和蜗杆，这样可实现步进电机或手动鼓轮分别驱动系统转角。被检角度传感器与圆光栅通过二级连轴器连接。连接法兰上安装被检角度传感器，其孔位采用了多种类型，保证各种类型的角度传感器可以装配到系统上。等高垫块采用多种厚度设计，可针对不同类型的角度传感器进行高度调整。控制电脑用于控制和显示系统转角，并可对校准数据进行计算和补偿。

1.系统基座;2.圆光栅; 3.二级连轴器;4.支杆; 5.等高垫块;6.支撑台;7.被检角度传感器; 8.连接法兰;9.控制电脑;10.手动鼓轮; 11.蜗轮;12.蜗杆;13.步进电机图1 系统结构图

系统主要技术指标[4]：分度误差MPE:±5″，系统分辨率0.5″，测角重复性1″，回程误差1″，主轴回转误差：3 μm。

1.2 结构特点

系统设计的核心是在保证高精度的前提下，实现角度位移传感器的现场校准。主要考虑下几点：

1.2.1 高精度圆光栅

采用8192线的高精度圆光栅，细分电路采用12细分方式，分辨率可达0.5″，分度误差MPE:±5″，其用于代替棱体和自准直仪，可大为减小系统体积并提高现场检测效率。

1.2.2 总体结构及控制系统

总体结构采用了铝质材料，较钢结构减小一半以上的质量。为使被检角度传感器与圆光栅自由顺畅连接，并尽量减小整套仪器的同轴度误差、塔差和径向跳动等，对连轴器、等高垫块和连接法兰等关键部件在提高加工精度的同时，采用了耐磨性和硬度较好的鉻钼合金钢材料。系统控制部分，采用圆光栅控制步进电机，配合蜗轮、蜗杆对系统转角进行精确驱动，并利用虚拟仪器采集系统，对检测数据进行采集、计算和补偿，实现角度传感器的自动检测[6-7]。同时，系统设计了手动鼓轮，以保证在特定情况下可手动对角度传感器进行校准。

1.2.3 二级连轴器

由于同轴度对系统精度指标影响很大，在设计上采用了二级连接轴的方式，如图2所示。一级连轴器直接与圆光栅主轴连接，同轴度可精调到2 μm以内。在校准时，通过换用较短的二级连接轴即可保证较高的同轴度指标。同时，二级连轴器采用变径设计，可根据不同直径的角度传感器，换用不同孔径，实现多类型角度传感器的检测。

1.圆光栅主轴；2.一级连轴器；3.二级连轴器图2 二级连轴器

1.2.4 高精度装夹附件

等高块采用多种厚度块设计，这样在现场校准时，可针对不同类型的角度传感器进行高度调整。由于配套支杆、等高垫块和支撑台的精度直接关系到系统的塔差，在加工时保证相互配对的等高垫块高度差控制在±3μm以内。

1.2.5 同轴度误差补偿技术

经分析，同轴度带来的偏心误差不可避免，且在不确定度评定中占据了绝大部分比例。但该类误差属于系统误差，通过校准数据进行补偿，可大为减小该项误差对校准结果的影响。

2 测量不确定度分析

以校准分度误差为±30″光栅编码器为例，对整套装置进行不确定度分析。

将被校光栅编码器主轴与系统主轴通过连轴器连接在一起，并使其主轴轴线与转台轴线重合，固定编码器，记下编码器示值及系统示值a1,b1。然后，系统转动一个标准角度，记录第2点示值a2,b2，以此类推，直至测量要求的全部测点。则有：

δi=(ai-a1)-(bi-b1)

(1)

式中，δi为第i点的示值误差。各点的测量不确定度为：

(2)

式中，c1=c2=c3=1,c4=-1。

2.1 安装同轴度引起的标准不确定度分量u1[8-9]

当光栅编码器与系统连接时，必然存在被检光栅编码器与圆光栅的偏心误差e，如图3所示。O为圆光栅的回转中心，O1为被检光栅编码器的回转中心。两者距离为e。当圆光栅旋转一个标准角度a 时，被检光栅编码器旋转角度为a ′。r为被检光栅编码器的半径。

图3 同轴度误差

由图3所示的几何关系，经简化可以得到：

(3)

令β=a ′-a ，可得到：

(4)

(5)

2.2 安装倾斜误差引入的标准不确定度分量u2[10]

安装倾斜误差将导致被检光栅编码器的光栅尺与读数装置存在一个倾斜角，如图4所示。

图4 安装倾斜

此误差将引起两种情况：读数装置与光栅尺发生位移；读数装置与光栅尺产生一定的倾角。假设光栅尺与读数装置转动平面之间的夹角为θ，光栅尺的半径为r， 则有：

(6)

式中，φ为光栅之间的夹角，；Δa 为由倾斜引起的误差角；S为光栅莫尔条纹间距。

(7)

2.3 编码器读数引入的标准不确定度分量u3[11-13]

(8)

2.3.2 被校准编码器测角重复性引人的标准不确定度分量u″3[5]

该被校准编码器测角重复性为Δ=2″,取k=3得：

(9)

取编码器量化误差和重复性引入的测量不确定度中较大者，则：

u3=u″3=0.67″

(10)

2.4 标准器引入的标准不确定度分量u4

(11)

2.5 标准不确定度计算

=9.73″

(12)

2.6 扩展不确定度的计算

取k=2,则有:

U=kuc=2×9.73″=19.46″

(13)

3 同轴度误差的修正

经上述分析，同轴度误差属于系统误差，可通过数学模型进行修正。将公式(3)简化后，得：

a ″≈a ′+lsina ′

(14)

l为数学模型修正系数,可通过校准数据，使用最小二乘拟合算法进行计算。a ″为修正后角度值。检测中对被检编码器每间隔15°进行校准，共检测24个点。则可得到l的函数：

(15)

(16)

=5.2″

(17)

则：

(18)

4 实验与分析

4.1 系统校准实验

采用北京304所的三等24面棱体和示值误差为0.2″的英国泰勒的光电自准直仪对系统精度进行校准[14]。

首先，使用普通连轴器直接与24面棱体连接，误差曲线如图5方节点曲线所示。其误差波动较大，最大误差值为+15.3″(165°位置处)，最小误差值为-17.3″(300°位置处)。在采用二级连接轴后，由于产生的同轴度误差减小，系统最大示值误差为+9.4″(135°位置处)，最小误差值为-9.4″(300°位置处)，如图5三角节点曲线所示。系统分度误差为：±9.4″。

图5 系统校准误差图

4.2 编码器校准实验

选取分度误差为±30″的被测光栅编码器进行校准，分别进行两组测量。首先，对系统进行第一次校准，其结果见图6方节点曲线。在首次测量基础上，系统利用同轴度误差修正技术，对所测数据进行修正，校准结果见图6三角节点曲线。

图6 编码器校准误差图

由图6方节点曲线可知，在第一次校准时，最大误差为+40.7″(135°位置处)，最小误差为-29.4″(300°位置处)，且一部分测量点误差超出了该标准编码器标称分度误差。经过同轴度误差修正后，如图6三角节点曲线所示，表明数据修正后，减小了同轴度误差对校准结果的影响。最大误差为+25.7″(150°位置处)，最小误差为-19.3″(315°位置处)，校准结果符合技术指标要求。

4.3 比对实验

为进一步验证校准结果，将该被编码器由分度误差为±3″的光学分度头再次进行校准，将测量结果与该系统结果进行比对，其En值结果见图7。

图7 比对En值

由图7可知，两系统对同一被测量的校准结果在各点的En值最大值为0.83(240°处)，均小于1，比对结果满意。

5 结束语

以高精度圆光栅作为标准器，并在装置结构上采用了二级连轴器、同轴度误差修正和自动驱动等技术方法，同时对系统进行了不确定度分析。结果表明，该系统分度误差可达±9.4″。通过对分度误差为±30″的光栅编码器进行校准，测得其分度误差为±22.5″，满足不确定度分析要求。为验证校准结果，系统与高精度光学分度头测量数据进行比对，各点En值均小于1，比对结果满意。以上分析表明，该系统能够满足在现场环境下对角度传感器的校准要求，可保证角度量值的可靠溯源。

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国家质量监督检验检疫总局科技计划项目 项目编号：T2014-JLQTS-0003

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.15