角位移傳感器校準(zhǔn)技術(shù)探究

魏 健

（陜西東方航空儀表有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710199）

引言

隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，角位移傳感器在航空航天、鐵路、公路、國(guó)防等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，角位移傳感器的精度直接影響著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和安全可靠性。

1 相關(guān)理論概述

角位移傳感器（RVDT）的靜態(tài)位移特性是指，在一定的負(fù)載下，測(cè)量角速度的變化量。它是一種線性位移，與外業(yè)的位移相比，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)的精確程度較低，因此一般不用于高精度場(chǎng)合[1]。但是隨著電子技術(shù)的飛快發(fā)展，特別是現(xiàn)代檢測(cè)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速崛起，傳統(tǒng)的元器件也正逐漸被新型的元器件所取代，這就使RVDT 的應(yīng)用范圍越來越廣，其使用的功能也愈來愈強(qiáng)大。對(duì)于不同類型的傳感器來說，其靜態(tài)位移的特點(diǎn)和自身的特點(diǎn)都是各不相同的，具體表現(xiàn)如下：

1）在結(jié)構(gòu)上，由于被測(cè)物體物理性質(zhì)的限制及被測(cè)參數(shù)的微小，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的性能不能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2）因?yàn)榇嬖诟鞣N噪聲干擾，使采集到的信號(hào)出現(xiàn)偏差，影響了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

3）電路的安裝位置、元器件的材料強(qiáng)度和加工工藝，都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度產(chǎn)生直接的影響。

2 RVDT 校準(zhǔn)技術(shù)現(xiàn)狀

目前常用的一些元器件結(jié)構(gòu)參數(shù)都是已知的（如阻尼比、電阻等），這些參數(shù)對(duì)于飛機(jī)的飛行來說，都存在一定的誤差，使得飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡不準(zhǔn)確，從而威脅到了乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全和機(jī)床的正常運(yùn)行。在一些對(duì)大位移量要求較高的場(chǎng)合中，常用到的角位移傳感器有以下兩種：一種是用光電測(cè)距傳感器來測(cè)量物體的位置變化，這種類型的角位移傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，但是價(jià)格較高；另一種則是采用光敏電阻或超靈敏電容來進(jìn)行測(cè)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(shí)際生產(chǎn)中，一般會(huì)選擇第一種元器件。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電子產(chǎn)品的小型化、微型化已經(jīng)成為未來的趨勢(shì)和目標(biāo)，而檢測(cè)這些產(chǎn)品的方法也會(huì)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(guān)頻率，或改變其相對(duì)的距離，從而得到不同的輸出信號(hào)值。

3 RVDT 的基本原理

在采集的數(shù)據(jù)信息中，由于不同的測(cè)量對(duì)象，其物理結(jié)構(gòu)的參數(shù)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(zhǔn)確度會(huì)有一定的偏差。因此，為了保證能夠準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)出角位移量，就需要對(duì)傳感器的工作原理和基本的工作流程進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析，以提高整個(gè)系統(tǒng)的精度和可靠性。RVDT 的主要功能是將被測(cè)的信號(hào)從被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)化為電壓或功率的形式并輸出，從而經(jīng)轉(zhuǎn)換電路處理后，得到所要的角位移的數(shù)字量。但是在實(shí)際應(yīng)用中，一般都是把元器件固定在一個(gè)支架上，通過導(dǎo)線與支撐的連接方式來對(duì)元器件進(jìn)行直接操作，這樣不僅增加了維修的難度系數(shù)，而且容易造成元器件的損壞。另外，如果電容的數(shù)值較小，則無法精確地反映出被測(cè)的變化趨勢(shì)，并且當(dāng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況時(shí)，也不能很好地顯示出來，這都不利于后期的維護(hù)與管理。

4 RVDT 校準(zhǔn)技術(shù)的設(shè)計(jì)

元器件的選擇是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，在進(jìn)行元器件的選用時(shí)，要根據(jù)所選元器件的精度、性能等因素，然后再結(jié)合理論上的分析來對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。目前很多角位移傳感器都是傳統(tǒng)的，其結(jié)構(gòu)也存在體積大、重量多、價(jià)格高等缺點(diǎn)，而且有可能會(huì)發(fā)生失真。由于這些缺陷，使得現(xiàn)在的角位移傳感器的應(yīng)用范圍有限，不能完全滿足實(shí)際生產(chǎn)中的要求；再有，因?yàn)榧赡K的限制導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化，使其功能變得少之又少；再加上有些元器件的參數(shù)計(jì)算不夠準(zhǔn)確，誤差太大，直接影響了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。因此需要一種更先進(jìn)的檢測(cè)方法來提高RVDT 的精確度，以達(dá)到最精準(zhǔn)的目的，滿足用戶的需求。

4.1 校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

通過上述分析知道，元器件的型號(hào)、規(guī)格和安裝位置會(huì)影響到檢測(cè)的精度與范圍。在進(jìn)行角位移量的測(cè)量時(shí)，傳感器本身的結(jié)構(gòu)形式會(huì)對(duì)元器件的輸出有很大的干擾作用。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)，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(tǒng)的準(zhǔn)確性與靈敏度。現(xiàn)在市面上有多種多樣的角位移傳感器，根據(jù)本課題的研究需求，應(yīng)選用合適的方案來實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效的顯示出角度。校準(zhǔn)系數(shù)的計(jì)算式是指，將一個(gè)待測(cè)的信號(hào)與該待測(cè)的信號(hào)之間的誤差值用加權(quán)求和的方法，來得到該信號(hào)的加權(quán)平均數(shù)，然后再利用ADC 轉(zhuǎn)換將實(shí)際測(cè)得的值轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正弦的三角函數(shù)，再使用卡爾曼濾波，對(duì)原始的位移信號(hào)的離散化模型中的未知量加以估計(jì)，從而把特征提取出來。但是由于不同的算法其推導(dǎo)的公式可能不一樣，因此要想精確地求出這幾種信息的關(guān)系式，就需要采用一定的數(shù)學(xué)手段[2]。

4.2 傳感器校準(zhǔn)方法及參數(shù)確定

當(dāng)電路中元器件的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，其輸出的電壓或者電流值也會(huì)隨之變化，這就是標(biāo)量。標(biāo)量的定義是，一個(gè)待測(cè)信號(hào)的基準(zhǔn)值和另一個(gè)待測(cè)信號(hào)參考值的差數(shù)值。當(dāng)實(shí)際測(cè)量的被測(cè)信號(hào)的誤差在±1 mm 時(shí)，被測(cè)得的標(biāo)量精度即為被校準(zhǔn)精度[3]。由于存在非正常的干擾因素，所以不能準(zhǔn)確地反映被檢測(cè)的真指標(biāo)，只能作為微調(diào)的依據(jù)之一。但經(jīng)過理論的研究發(fā)現(xiàn)，影響系統(tǒng)真?zhèn)蔚闹饕蚴请娫吹闹C振而不是負(fù)載，因此根據(jù)上述思想，可以采用補(bǔ)償電容法來解決。為了提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和靈敏度，可采取的措施如下：

1）搭建硬件平臺(tái)，將整個(gè)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(gè)軟件上，這樣不僅方便后續(xù)的維護(hù)更換，也能使試驗(yàn)更加簡(jiǎn)單直觀。

2）使用固定式非接觸式測(cè)量法，其是根據(jù)被測(cè)物體在不同位置位移量的大小來進(jìn)行標(biāo)定，通過被測(cè)元件的形變來測(cè)得角位移量的一種非接觸式檢測(cè)方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以直接讀出待標(biāo)產(chǎn)品的靜態(tài)位移量，缺點(diǎn)是不準(zhǔn)確，而且需要對(duì)被測(cè)零件的材料作一定的處理才能獲得正確的結(jié)果。

3）光電感探測(cè)頭探測(cè)器+應(yīng)變片結(jié)構(gòu)型法，這種方式的特點(diǎn)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(dāng)被測(cè)件的外力作用時(shí)，引起器件的電學(xué)或磁學(xué)性質(zhì)的改變而導(dǎo)致器件發(fā)生抖動(dòng)。因此只需將這些因素都考慮在內(nèi)，即應(yīng)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(hào)的幅值受環(huán)境的影響很大，容易受到周圍其他外部干擾的影響而產(chǎn)生誤讀。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)RVDT 的誤差源進(jìn)行分析與探究，通過試驗(yàn)和理論的結(jié)合來驗(yàn)證其正確性，并且得出的結(jié)論更加貼近實(shí)際的參數(shù)值，此種技術(shù)具有一定的準(zhǔn)確性和說服力。