超声波电机驱动主从结构电感传感器校准方法与装置属于精密测量技术领域。其校准方法与装置以三光轴激光干涉仪作为运动基准，超声波电机作为驱动元件，驱动主动双V型槽导轨，主动双V型槽导轨与从动气浮导轨通过柔性铰链相连，驱动从动气浮导轨做直线运动，直线光栅尺作为反馈元件进行大行程、精定位。利用三光轴激光干涉仪补偿位移传递机构运动的俯仰与偏航误差；本发明专利技术可以有效解决位移传感器校准装置行程与精度之间的矛盾，实现大行程、高精度电感位移传感器的动静态校准。
Method and device for calibrating inductance sensor of master-slave structure driven by ultrasonic motor
The calibration method and device of ultrasonic motor driven master-slave inductance sensor belong to the field of precision measurement technology. The calibration method and device with three-axis laser interferometer as the benchmark, the ultrasonic motor as driving device, the driving double V groove guide, active double V groove guide rail and the guide rail from the air floating through a flexible hinge is driven from the air float guide rail linear movement, large stroke, fine positioning straight line grating as the feedback element. Pitch and yaw error compensation interferometer displacement transmission mechanism movement by three axis laser; the invention can effectively solve the contradiction between the calibration of displacement sensor device stroke and precision, large stroke and high precision inductance displacement sensor static and dynamic calibration.
【技术实现步骤摘要】
超声波电机驱动主从结构电感传感器校准方法与装置
本专利技术属于精密测量
，主要涉及一种超声波电机驱动主从结构电感传感器校准方法与装置。
技术介绍
目前，我国大型高速回转装备没有超精密测量手段，装配精度无法保证，装配效率低下，发动机振动噪声等，这些都是制约我国军事工业和国民经济发展的重大难题。大型高速回转装备主要指各类大型高端燃气涡轮发动机，主要包括航空发动机、舰船用燃气轮机和高性能电站燃机。目前，航空发动机行业已成为世界航空强国的军事工业和国民经济的支柱产业。航空发动机在追求高性能的前提下，还要追求产品的高质量、高可靠性和长工作寿命，将两个都十分困难而又相互矛盾的目标兼顾起来，且同时得到提高，是十分困难的；此外航空发动机工作于极端环境，关键零部件都是在高温、高压、高负载力下工作，因此航空发动机的设计和制造的难度进一步加大。发动机振动是影响飞机安全的一个重要因素，也是反应发动机性能的一项重要指标。发动机涡轮部件转速高、质量大，是发动机的一个主要振源。为了降低此影响，除了在发动机动平衡测试过程中加以消除，还必须严格控制其装配过程，因为发动机装配是动平衡的前一步骤，由装配体形位误差精度低导致振动在高速运转时会放大100至1000倍，装配时消除同心度/同轴度造成的偏摆可以很大程度上减小动平衡的压力。所以，作为提升航空发动机性能的关键技术，航空发动机装配过程中同心度/同轴度乃至圆柱度的精密测量越来越受到重视。传感器作为航空发动机动静子表面轮廓信息的提取装置在同心度/同轴度乃至圆柱度的精密测量就显得尤为重要，位移传感器的机械系统和电路系统所带来的误差是限制传感器精度的重要因素，为了抑制或补偿这些误差，需要对位移传感器进行校准处理，使其能够溯源到更高精度的基准上。要实现对高精度位移传感器的校准，需要设计出一台具有更高精度的位移传感器校准系统。各种位移传感器之间的行程也有较大差异，有的位移传感器行程可以达到几十毫米甚至几米，有的则只能达到几微米的行程。因此，需使校准系统具有大行程、高精度的特点才能满足纳米传感器的校准需求。然而行程和精度本身就是矛盾的，这也增加校准系统的设计难度，也是目前迫切需要大行程、高精度位移传感器校准系统的原因。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所提出一种标定平板电容位移传感器的装置(平板电容位移传感器标定装置。公开号：CN104048588A)。该装置采用单轴激光干涉仪作为位移基准，传感器被测面安装在导向机构前端，导向机构采用过约束的对称平行四边形机构，平板电容位移传感器安装在传感器支撑座中间，支撑座安装在微位移调整机构两侧，在驱动器的左端安装有驱动器推杆，该驱动器推杆顶推微位移调整机构的导向机构做单自由度直线运动，进而实现对平板电容位移传感器的标定。该装置存在的问题在于：只限于对平板电容位移传感器进行标定，且标定行程较小。常州市计量测试技术研究所提出了一种用于直线位移传感器校准的装置(直线位移传感器自动化校准装置。公开号：CN103630099A)。该装置主要包括一基座，双直线导轨、光栅尺、伺服电机、垂直升降装置固定在基座上；滚轴丝杆通过联轴器与伺服电机连接；水平调整装置、通用夹具、锁紧螺母彼此卡扣并与垂直升降装置连接；滑动式激光反射镜支撑架、滑动式激光干涉镜支撑架、滑动式双频激光干涉仪支撑架固定在直线导轨上，其中固定拉杆、激光反射镜、光栅尺读数传感器固定在滑动式反射镜支撑架上，激光干涉镜固定在滑动式干涉镜支撑架，双频激光干涉仪固定在滑动式双频激光干涉仪支撑架上，可以实现对拉杆式、拉绳式等多种类型直线位移传感器的自动化检定与校准。该装置存在的问题在于：没有兼顾行程和精度指标，精度较低，无法实现高精度位移传感器校准。德国联邦物理技术院(PTB)与Physik-Instrumente公司合作，研制出一种用于接触式探针位移传感器动态性能校准的新型运动装置，该探针位移传感器可以用到形貌测量、表面轮廓测量及坐标测量中。该装置具有尺寸小，集成度高的特点，系统采用压电陶瓷管来产生运动，并由一个微型光纤干涉仪实时测量，将测量结果反馈到DSP处理器实现闭环控制，因此，该校准平台可以溯源到国家长度标准(RongLiang,OttoJusko,FrankLudicke,MichaelNeugebauer.Anovelpiezovibrationplatformforprobedynamicperformancecalibration[J].MeasurementScienceAndTechnology,Meas.Sci.Technol.12(2001)1509–1514)。该装置校准行程小，无法实现对大行程、高精度的位移传感器进行校准。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的不足，提出一种超声波电机驱动主从结构电感传感器校准方法与装置，以解决现有位移传感器校准装置行程与精度之间的矛盾，实现大行程、高精度电感位移传感器的动静态校准。本专利技术的目的是这样实现的：一种超声波电机驱动主从结构电感传感器校准方法与装置，该方法与装置可以校准电感位移传感器的线性度；其特征主要包括被校准位移传感器、位移传递机构和位移基准仪器三部分，所述被校准位移传感器为电感位移传感器，电感位移传感器采用传感器夹持臂进行夹持固定，调整电感位移传感器的位置，保证电感位移传感器的测针运动轴线与三光轴激光干涉仪的光束二所在光轴共线，传感器支座安装在基台上，传感器夹持臂固定在传感器支座的侧面；所述位移传递机构采用超声波电机驱动主从式导轨的结构，位移传递机构由主动双V型槽导轨、从动气浮导轨、柔性铰链、校准平台、超声波电机、直线光栅尺和直线光栅尺读数头组成，主动双V型槽导轨的主动导轨座安装在基台上，所述主动双V型槽导轨的主动滑块安装在主动导轨座上，保证主动双V型槽导轨的运动轴线与三光轴激光干涉仪的光束二平行，所述超声波电机的动子紧贴主动双V型槽导轨的主动滑块，保证超声波电机的摩擦力作用在主动双V型槽导轨上时，主动双V型槽导轨能沿运动轴线运动，超声波电机支座安装在基台上，超声波电机的定子安装在超声波电机支座上，直线光栅尺贴在主动双V型槽导轨的主动滑块外侧面，保证直线光栅尺与主动双V型槽导轨的运动轴线平行，读数头支撑板安装在基台上，直线光栅尺读数头安装在读数头支撑板上，并位于主动双V型槽导轨的主动滑块的外侧，保证直线光栅尺读数头与直线光栅尺等高且平行，从动导轨左支座与从动导轨右支座安装在基台上，所述从动气浮导轨的一端安装在从动导轨左支座上，另一端安装在从动导轨右支座上，从动气浮导轨的从动导轨座与从动导轨左支座固连，从动气浮导轨的从动导轨座与从动导轨右支座固连，并位于主动双V型槽导轨上方，与主动双V型槽导轨通过柔性铰链相连接，保证从动气浮导轨的运动轴线与三光轴激光干涉仪的光束二平行，所述校准平台由转接板、传感器校准板和测量反射镜组成，转接板与从动气浮导轨的从动滑块固连，测量反射镜位于三光轴激光干涉仪的测量光路上，并安装在转接板上，传感器校准板安装在转接板上的另一端，保证传感器校准板上的对准刻线在三光轴激光干涉仪的光束二所在的光轴上；控制位移传递机构进行回零运动，使其回到校准装置的初始零点；控制位移传递机构进行压表运动，使其运动到电本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种超声波电机驱动主从结构电感传感器校准方法与装置，其特征在于：该校准装置主要包括被校准位移传感器、位移传递机构和位移基准仪器三部分，所述被校准位移传感器为电感位移传感器(3)，电感位移传感器(3)采用传感器夹持臂(2)进行夹持固定，调整电感位移传感器(3)的位置，保证电感位移传感器(3)的测针(3a)运动轴线与三光轴激光干涉仪(14)的光束二(14b)所在光轴共线，传感器支座(1)安装在基台(8)上，传感器夹持臂(2)固定在传感器支座(1)的侧面；所述位移传递机构采用超声波电机驱动主从导轨的结构，位移传递机构由主动双V型槽导轨(9)、从动气浮导轨(6)、柔性铰链(16)、校准平台、超声波电机(18)、直线光栅尺(10)和直线光栅尺读数头(11)组成，主动双V型槽导轨(9)的主动导轨座(9b)安装在基台(8)上，所述主动双V型槽导轨(9)的主动滑块(9a)安装在主动导轨座(9b)上，保证主动双V型槽导轨(9)的运动方向与三光轴激光干涉仪(14)的光束二(14b)平行，所述超声波电机(18)的动子(18a)紧贴主动双V型槽导轨(9)的主动滑块(9a)，保证超声波电机(18)的摩擦力作用在主动双V型槽导轨(9)上时，主动双V型槽导轨(9)能沿运动轴线运动，超声波电机支座(19)安装在基台(8)上，超声波电机(18)的定子(18b)安装在超声波电机支座(19)上，直线光栅尺(10)贴在主动双V型槽导轨(9)的主动滑块(9a)外侧面，保证直线光栅尺(10)与主动双V型槽导轨(9)的运动方向平行，读数头支撑板(12)安装在基台(8)上，直线光栅尺读数头(11)安装在读数头支撑板(12)上，并位于主动双V型槽导轨(9)的主动滑块(9a)的外侧，保证直线光栅尺读数头(11)与直线光栅尺(10)等高且平行，从动导轨左支座(7)与从动导轨右支座(15)安装在基台(8)上，所述从动气浮导轨(6)的一端安装在从动导轨左支座(7)上，另一端安装在从动导轨右支座(15)上，从动气浮导轨(6)的从动导轨座(6b)与从动导轨左支座(7)固连，从动气浮导轨(6)的从动导轨座(6b)与从动导轨右支座(15)固连，并位于主动双V型槽导轨(9)上方，与主动双V型槽导轨(9)通过柔性铰链(16)相连接，保证从动气浮导轨(6)的运动方向与三光轴激光干涉仪(14)的光束二(14b)平行，所述校准平台由转接板(5)、传感器校准板(4)和测量反射镜(17)组成，转接板(5)与从动气浮导轨(6)的从动滑块(6a)固连，测量反射镜(17)位于三光轴激光干涉仪(14)的测量光路上，并安装在转接板(5)上，传感器校准板(4)安装在转接板(5)上的另一端，保证传感器校准板(4)上的对准刻线(4a)在三光轴激光干涉仪(14)的光束二(14b)所在的光轴上；控制位移传递机构进行回零运动，使其回到校准装置的初始零点；控制位移传递机构进行压表运动，使其运动到电感位移传感器(3)校准起始点；所述位移基准仪器采用三光轴激光干涉仪(14)，三光轴激光干涉仪(14)可以提供三束激光光束进行位移测量，即光束一(14a)、光束二(14b)和光束三(14c)，其中光束二(14b)测量位移传递机构运动方向上的位移，光束一(14a)测量位移传递机构运动过程中所产生的俯仰角，光束三(14c)测量位移传递机构运动过程中所产生的偏转角，干涉仪支座(13)固装在基台(8)上，三光轴激光干涉仪(14)固装在干涉仪支座(13)上；控制位移传递机构进行校准运动，在电感位移传感器(3)校准行程内，等间隔选取10个点，当位移传递机构运动到选取测量点时，同步采集三光轴激光干涉仪(14)光束一(14a)位移测量值s1'、光束二(14b)位移测量值s2'、光束三(14c)位移测量值s3'与电感位移传感器(3)位移测量值s；利用三光轴激光干涉仪(14)所测得的光束一(14a)位移测量值s1'、光束三(14c)位移测量值s3'对光束二(14b)位移测量值s2'进行补偿，得到三光轴激光干涉仪(14)补偿后位移测量值s'；将采集到的数据进行线性拟合得到函数yi＝k×si+b，其中，i＝1，2，…，10，yi为拟合后电感位移传感器(3)位移测量值，k为拟合系数，b为拟合截距，si为拟合前电感位移传感器(3)位移测量值，则校准行程内最大非线性误差max|yi‑si'|与全量程的比值为线性度，其中，i＝1，2，…，10，si'为校准行程内选取测量点处三光轴激光干涉仪(14)补偿后位移测量值。...
【技术特征摘要】
1.一种超声波电机驱动主从结构电感传感器校准方法与装置，其特征在于：该校准装置主要包括被校准位移传感器、位移传递机构和位移基准仪器三部分，所述被校准位移传感器为电感位移传感器(3)，电感位移传感器(3)采用传感器夹持臂(2)进行夹持固定，调整电感位移传感器(3)的位置，保证电感位移传感器(3)的测针(3a)运动轴线与三光轴激光干涉仪(14)的光束二(14b)所在光轴共线，传感器支座(1)安装在基台(8)上，传感器夹持臂(2)固定在传感器支座(1)的侧面；所述位移传递机构采用超声波电机驱动主从导轨的结构，位移传递机构由主动双V型槽导轨(9)、从动气浮导轨(6)、柔性铰链(16)、校准平台、超声波电机(18)、直线光栅尺(10)和直线光栅尺读数头(11)组成，主动双V型槽导轨(9)的主动导轨座(9b)安装在基台(8)上，所述主动双V型槽导轨(9)的主动滑块(9a)安装在主动导轨座(9b)上，保证主动双V型槽导轨(9)的运动方向与三光轴激光干涉仪(14)的光束二(14b)平行，所述超声波电机(18)的动子(18a)紧贴主动双V型槽导轨(9)的主动滑块(9a)，保证超声波电机(18)的摩擦力作用在主动双V型槽导轨(9)上时，主动双V型槽导轨(9)能沿运动轴线运动，超声波电机支座(19)安装在基台(8)上，超声波电机(18)的定子(18b)安装在超声波电机支座(19)上，直线光栅尺(10)贴在主动双V型槽导轨(9)的主动滑块(9a)外侧面，保证直线光栅尺(10)与主动双V型槽导轨(9)的运动方向平行，读数头支撑板(12)安装在基台(8)上，直线光栅尺读数头(11)安装在读数头支撑板(12)上，并位于主动双V型槽导轨(9)的主动滑块(9a)的外侧，保证直线光栅尺读数头(11)与直线光栅尺(10)等高且平行，从动导轨左支座(7)与从动导轨右支座(15)安装在基台(8)上，所述从动气浮导轨(6)的一端安装在从动导轨左支座(7)上，另一端安装在从动导轨右支座(15)上，从动气浮导轨(6)的从动导轨座(6b)与从动导轨左支座(7)固连，从动气浮导轨(6)的从动导轨座(6b)与从动导轨右支座(15)固连，并位于主动双V型槽导轨(9)上方，与主动双V型槽导轨(9)...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵勃，王雷，谭久彬，孙传智，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23
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