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基于电涡流位移传感器和虚拟仪器设备技术的微小位移测量

编辑:金沙官网        发布日期:2018-05-27        点击量:940

微小位移量的精确测量是测控工程技术中一个重要的课题。先容一种针对具体工程的、基于电涡流位移传感器和虚拟仪器设备技术的微小位移测量方法。采用高精度电涡流位移传感器和虚拟仪器设备技术、合理设计测量机械机构和数据采集与处理系统,使计算机可以精确测量微小位移量,为准确分析数据结果提供了有利的先决条件,使测量系统精度大大提高。

基于电涡流位移传感器和虚拟仪器设备技术的微小位移测量

随着现代科学技术的发展,针对位移特别是微小位移的测量方法越来越多。本研究将针对具体的工程应用———力矩马达参数的测量,设计基于电涡流位移传感器及虚拟仪器设备设备技术的微小位移测量方法。力矩马达是液压舵机的关键部件,其各个特性参数直接反应了它的工作性能。力矩马达特性参数的测量是检验力矩马达产品质量的重要手段。力矩马达的关键性能指标是电流-位移(微小位移)曲线,由此曲线数据计算得到的对称度、滞回度等参数。这些参数指示了位移与相应电流之间的关系,也就决定了电磁阀门开度与电流之间的精确对应程度。因此,微小位移测量精度的高低对力矩马达的生产和应用有着非常重要的影响。传统的力矩马达特性参数测量方法多为通过显微镜下人工读数,然后计算参数来实现。这种方法由于人工读数的原因造成偏差较大且不稳定,测量精度不高,效率低下。为了实现力矩马达特性参数的高精度自动测量,设计一种新的自动测量方法。测量系统主要由以下部分组成:位移传感器、测试平台(包括马达安装夹具和各种测试机械构件)、工控机、数据采集与处理系统等。

在微小位移的高精度测量中,测量对偏差和干扰有非常严格的要求。仪器检测用的砝码、质量测量仪器:标准砝码、专用砝码。因此,设计测量系统的重点及难点在于:

①位移传感器的选型及测试技术的选择;

②测量系统机械结构的设计,系统要求设计合适的结构,尽量消除测量偏差;

③数据采集与处理,为保证测量的高精度,需要对采集到的数据进行App滤波处理。

 

虚拟仪器设备技术及电涡流位移传感器

为实现微位移的高精度测量,需要适当选择测量系统各组件。拉力仪器检测试验机、推拉力计、扭矩等力值测量仪器。其中尤为关键的是位移传感器的选型和测试技术的选择。开发系统过程中,选择了高精度非接触式电涡流位移传感器和稳定可靠的虚拟仪器设备技术。

决定测量精度的关键之一是位移传感器的精度。在微小位移测量系统中,接触式的传感器测量时会产生较大的形变偏差,在此选择高精度非接触式电涡流位移传感器。电涡流位移传感器利用涡流效应将位移转换为阻抗的变化,即变频电流产生高频场,使金属面产生涡流,电涡流反向磁场又影响线圈电感量,电感量的变化与线圈至金属面间隙有关,故位移变化使电流产生变化,从而获得位移测量值。本研究所采用的非接触式电涡流位移传感器可以分辨低至0.8μm的微小位移,量程是0~2 mm,并且具有±1%的线性度,为实现高精度测量提供了有利的前提条件。虚拟仪器设备设备(VI,virtual instrument)是计算机硬件资源、仪器设备与测控系统硬件资源和虚拟仪器设备App资源三者的有效结合。LabVIEW是实验室虚拟仪器设备集成环境的简称,是美国国家仪器设备(NI)开发的App产品,其功能强大、应用便捷,是最成功的虚拟仪器设备App。

综合系统精度及成本的要求,考虑到需要在App系统中做一些必要的数据处理措施,采用基于LabVIEWApp平台虚拟仪器设备设备技术开发数据采集与处理系统。

 

测量系统机械结构的设计

由于需要精确测量微小位移,所以对测量系统中机械机构的设计和加工要求非常苛刻,设计和加工上的任何小的偏差都会对测量结果造成极大的影响。因此,在确保以足够高的精度加工马达的安装夹具、测量平台等机械构件的前提下,合理设计测量机械结构将对最终测量结果起到关键性的影响。

电涡流位移传感器位移探测头为一直径1 cm的敏感平面,它对对应的测量基准面的材料和平面度都有特定要求。测量时,位移传感器探头固定,而固定在力矩马达转轴上的量杆随着转轴转动。如图2所示,当力矩马达加载正电流时,马达转轴逆时针转动,量杆接近位移传感器探头;加载负电流时,则正好相反。此过程中,测量基准面随马达力臂作圆弧运动,因而导致了马达通电流后,在非初始位置测量基准面与位移传感器探测面不平行。因为电涡流位移传感器只能精确测量两平行面之间的距离,所以此时所测位移值偏差较大。引入挠性连接机构,重新设计测量结构如图3所示。采用弹簧支撑代替刚性结构,并辅以固定支架,组成挠性连接机构。此机构的特点为:允许对垂直方向的受力产生应力作用而发生微小形变,而在水平方向保持刚性体的特点,不会因受力产生此方向上的形变。挠性连接机构的这些特点可确保在马达通电流运动过程中,虽然马达力臂仍然作圆弧运动,但测量基准面在水平方向直线运动,始终与探测面保持平行,而且保证测量基准面在水平方向上的位移等于马达力臂末端在此方向的位移值。

表中位移0、位移1和位移2分别为人工测量参考数据、未采用挠性连接机构和采用挠性连接机构后的相应电流的位移测量值(仅附部分数据,全部数据由图4反映)。计量器具广泛应用于生产.科研.领域和人民生活等各方面。

在未采用挠性连接机构前,绝对值相等的正负电流值所对应的位移值严重不对称,数据明显有误。引入挠性连接机构之后,所测得数据理想,与参考数据也基本吻合。因此,采用挠性连接机构意义明显。

 

数据采集与处理

测量中,系统的数据采集功能由数据采集与处理系统完成。利用虚拟仪器设备设备技术开发的数据采集系统硬件部分包DAQ(数据采集)卡和工控计算机。App部分在LabVIEW环境下开发,包括测量控制与显示、参数设置、数据采集存储及分析处理和故障检测及报警等功能模块。

测量时,利用LabVIEW开发的数据采集与处理系统输出电压信号控制精密电流源,电流源输出恒定电流控制力矩马达的正反向运动,位移传感器探头根据与被测面的距离产生相应的电涡流,送入位移传感器,传感器转化为电压信号送出。工控机中,利用Lab2VIEW开发的数据采集系统以设定的采样率控制DAQ卡采集此电压信号。然后将所得数据作数学处理和计算,得到测量结果。App系统还具备测量记录保存和打印输出以及测量过程中检测故障并报警等功能。在测量过程中,有效信号为直流量,而在工业现场,不可避免地存在有工频干扰和各种低频交流干扰信号。因此,要得到准确的测量结果,必须采取经济有效的抗干扰信号措施。虽然在数据采集卡中已存在硬件模拟滤波电路,但滤波结果并不十分理想,在采集所得数据中,仍然存在一部分干扰信号。要达到高精度测量的要求,在测量系统中进行再次App滤波十分必要。在此采用四阶巴特沃斯(Buttworth)滤波器对所采集数据进行滤波处理。巴特沃斯滤波器传递函数具有如下特点(式中ω0为滤波器截止频率):

测量时,干扰信号主要为工频干扰信号和大于10Hz的低频干扰信号,有效信号为直流,采用LabVIEWApp中Buttworth Filter子VI,选择采样率为1 000 Hz,低通截止频率为10Hz。滤波结果如图5所示,图中数据为力矩马达加载50 mA电流时测量系统所测得的位移数据。可以看出经过App滤波后的数据大为改善,纹波消除,干扰信号基本得到控制。

 

结束语

解决上述技术关键点后,将所设计测量系统应用于实际测试中。经过与标准量块测量结果的比对及多次重复性测量,位移测量精度可达1μm,重复精度在0.5%以内,达到了预期的高精度要求。适当设计测量机械机构及数据采集与处理系统,可以开发出基于电涡流位移传感器和虚拟仪器设备技术的经济实用的微小位移测量系统。测量结果表明,本方法测量精度高,实现了测量自动化、提高了效率、节约了人力资源。

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