角位移傳感器校準技術探究

魏 健

（陜西東方航空儀表有限責任公司， 陜西 西安 710199）

引言

隨著電子工業的快速發展，角位移傳感器在航空航天、鐵路、公路、國防等領域中的應用越來越廣泛，角位移傳感器的精度直接影響著航空發動機的工作性能和安全可靠性。

1 相關理論概述

角位移傳感器（RVDT）的靜態位移特性是指，在一定的負載下，測量角速度的變化量。它是一種線性位移，與外業的位移相比，其動態響應的精確程度較低，因此一般不用于高精度場合[1]。但是隨著電子技術的飛快發展，特別是現代檢測與計算機技術的迅速崛起，傳統的元器件也正逐漸被新型的元器件所取代，這就使RVDT 的應用范圍越來越廣，其使用的功能也愈來愈強大。對于不同類型的傳感器來說，其靜態位移的特點和自身的特點都是各不相同的，具體表現如下：

1）在結構上，由于被測物體物理性質的限制及被測參數的微小，導致整個系統的性能不能完全達到設計要求。

2）因為存在各種噪聲干擾，使采集到的信號出現偏差，影響了試驗的準確性。

3）電路的安裝位置、元器件的材料強度和加工工藝，都會對數據的準確度產生直接的影響。

2 RVDT 校準技術現狀

目前常用的一些元器件結構參數都是已知的（如阻尼比、電阻等），這些參數對于飛機的飛行來說，都存在一定的誤差，使得飛機的運動軌跡不準確，從而威脅到了乘客的生命財產安全和機床的正常運行。在一些對大位移量要求較高的場合中，常用到的角位移傳感器有以下兩種：一種是用光電測距傳感器來測量物體的位置變化，這種類型的角位移傳感器結構簡單、性能可靠，但是價格較高；另一種則是采用光敏電阻或超靈敏電容來進行測距的單軸角度或者多軸的位移量。由于這兩類角位移傳感器都存在不足之處，所以在實際生產中，一般會選擇第一種元器件。隨著電子技術的飛速發展，現代電子產品的小型化、微型化已經成為未來的趨勢和目標，而檢測這些產品的方法也會變得更加多樣化和智能化，其中近些年興起的半雙工方式的角位移傳感器就是典型代表。半全工式的角位移傳感器是指通過控制元器件的開關頻率，或改變其相對的距離，從而得到不同的輸出信號值。

3 RVDT 的基本原理

在采集的數據信息中，由于不同的測量對象，其物理結構的參數存在較大的差異性，再加上一些外界因素的干擾等，使得角位移的準確度會有一定的偏差。因此，為了保證能夠準確、快速地檢測出角位移量，就需要對傳感器的工作原理和基本的工作流程進行進一步的研究分析，以提高整個系統的精度和可靠性。RVDT 的主要功能是將被測的信號從被測的非電量轉化為電壓或功率的形式并輸出，從而經轉換電路處理后，得到所要的角位移的數字量。但是在實際應用中，一般都是把元器件固定在一個支架上，通過導線與支撐的連接方式來對元器件進行直接操作，這樣不僅增加了維修的難度系數，而且容易造成元器件的損壞。另外，如果電容的數值較小，則無法精確地反映出被測的變化趨勢，并且當出現不穩定的情況時，也不能很好地顯示出來，這都不利于后期的維護與管理。

4 RVDT 校準技術的設計

元器件的選擇是整個系統的關鍵所在，在進行元器件的選用時，要根據所選元器件的精度、性能等因素，然后再結合理論上的分析來對電路進行設計和仿真。目前很多角位移傳感器都是傳統的，其結構也存在體積大、重量多、價格高等缺點，而且有可能會發生失真。由于這些缺陷，使得現在的角位移傳感器的應用范圍有限，不能完全滿足實際生產中的要求；再有，因為集成模塊的限制導致無法實現真正意義上的數字化，使其功能變得少之又少；再加上有些元器件的參數計算不夠準確，誤差太大，直接影響了測量結果的準確性和實時性。因此需要一種更先進的檢測方法來提高RVDT 的精確度，以達到最精準的目的，滿足用戶的需求。

4.1 校準系統設計方案

通過上述分析知道，元器件的型號、規格和安裝位置會影響到檢測的精度與范圍。在進行角位移量的測量時，傳感器本身的結構形式會對元器件的輸出有很大的干擾作用。所以，在設計時，要考慮元器件的情況，以及如何最大限度地減小外界的干擾，以提高系統的準確性與靈敏度。現在市面上有多種多樣的角位移傳感器，根據本課題的研究需求，應選用合適的方案來實現對采集的數據準確有效的顯示出角度。校準系數的計算式是指，將一個待測的信號與該待測的信號之間的誤差值用加權求和的方法，來得到該信號的加權平均數，然后再利用ADC 轉換將實際測得的值轉化成對應的標準正弦的三角函數，再使用卡爾曼濾波，對原始的位移信號的離散化模型中的未知量加以估計，從而把特征提取出來。但是由于不同的算法其推導的公式可能不一樣，因此要想精確地求出這幾種信息的關系式，就需要采用一定的數學手段[2]。

4.2 傳感器校準方法及參數確定

當電路中元器件的參數發生變化時，在一定的時間間隔內，其輸出的電壓或者電流值也會隨之變化，這就是標量。標量的定義是，一個待測信號的基準值和另一個待測信號參考值的差數值。當實際測量的被測信號的誤差在±1 mm 時，被測得的標量精度即為被校準精度[3]。由于存在非正常的干擾因素，所以不能準確地反映被檢測的真指標，只能作為微調的依據之一。但經過理論的研究發現，影響系統真偽的主要原因是電源的諧振而不是負載，因此根據上述思想，可以采用補償電容法來解決。為了提高數據采集的準確性和靈敏度，可采取的措施如下：

1）搭建硬件平臺，將整個儀器的主控芯片、輸入模塊、通信接口等集成到一起，然后將所有的元器件都封裝到同一個軟件上，這樣不僅方便后續的維護更換，也能使試驗更加簡單直觀。

2）使用固定式非接觸式測量法，其是根據被測物體在不同位置位移量的大小來進行標定，通過被測元件的形變來測得角位移量的一種非接觸式檢測方法。該方法的優點是可以直接讀出待標產品的靜態位移量，缺點是不準確，而且需要對被測零件的材料作一定的處理才能獲得正確的結果。

3）光電感探測頭探測器+應變片結構型法，這種方式的特點是不要求與傳感器的接口有任何形變，但是由于存在物性誤差，當被測件的外力作用時，引起器件的電學或磁學性質的改變而導致器件發生抖動。因此只需將這些因素都考慮在內，即應將其用萬用表打出來加以校正即可。但此種裝置的輸出信號的幅值受環境的影響很大，容易受到周圍其他外部干擾的影響而產生誤讀。

5 結語

針對RVDT 的誤差源進行分析與探究，通過試驗和理論的結合來驗證其正確性，并且得出的結論更加貼近實際的參數值，此種技術具有一定的準確性和說服力。