激光位移传感器的实例应用介绍
激光位移传感器的实例应用介绍
作者:屠淳;夏慧;范海艇;
材料试验机是在各种条件、环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等的机械性能、工艺性能、内部缺陷和校验旋转零部件动态不平衡量的精密测试仪器。在研究探索新材料、新工艺、新技术和新结构的过程中,材料试验机是一种不可缺少的重要检测仪器。多用于金属及非金属(含复合材料)的拉伸、压缩、弯曲、剪切、剥离、撕裂、保载、松弛、往复等项的静力学性能测试分析研究,可自动求取ReH'ReL、RpO.2、Fm、RtO. 5、RtO. 6、RtO. 65、RtO. 7、Rm、E 等试验参数,并可根据GB、ISO、DIN、ASTM、JIS等国内、国际相关标准进行试验和提供数据。由于受到设计、加工、安装、实际操作等多种因素的影响,材料试验机的横梁在进行上下移动的时候,无法避免会产生相应的误差。根据JJG475-2008(电子式万能试验机》检定规程规定,对首次检定的电子式万能试验机应包括横梁位移误差的检定。目前绝大多数材料试验机横梁的位置信息通过滚珠丝杠与光电编码器所获得,分辨力可以达到0.001mm。而JJG475-2008《电子式万能试验机》检定规程中采用的标准器具为一级千分表(百分表)以及量程为1000 mm、误差为±0. 2 mm的钢直尺等通用简易测量仪器。在实际检定过程中,该检定方法在测量准确度方面略显不足,与客户期望相去较远,也与现代计量检测的要求不相符合。本文提出采用激光位移传感器,实现对电子式万能试验机横梁位移检定的新方法。经实际应用证明,该方法操作便捷、数据可靠。
1激光位移传感器的工作原理
1. 1光学三角法
激光的基本原理是光学三角法,如图1所示,半导体激光器被镜片聚焦到被测物体,反射光被镜片收集,投射到CCD阵列上;信号处理器通过三角函数计算阵列上的光点位置得到距物体的距离。
1.2激光传感器原理
激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器⑴,它激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表,它的优点是能实现无接触远距离测量,速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等。
1.3激光测长
精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一⑵。现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的,其精度主要取决于光的单色性的好坏。激光是最理想的光源,它比以往最好的单色光源(氟-86灯)还纯10万倍。因此激光测长的量程大、精度高。由光学原理可知单色光的最大可测长度厶与波长A和谱线宽度E之间的关系是L=2X/8O用氟-86灯可测最大长度为38. 5 cm,对于较长物体就需分段测量而使精度降低。若用氮氛气体激光器,则最大可测几十公里。一般测量数米之内的长度,其精度可达0.1 “m。
1.4激光传感器的特点
激光传感器可用于其他技术无法应用的场合。例如,当目标很近时,计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务。但是,当目标距离较远或目标颜色变化时,普通光电传感器就难以应付了。
虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作,但是,在目标角度不固定或目标太亮时,其性能的可预测性变差。此外,普通光电三角测量传感器一般量程只限于0.5 m以内。
超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体,而且由于它不是光学装置,所以不受颜色变化的影响。但是,超声波传感器是依据声速测量距离的,因此存在一些固有的缺点,不能用于以下场合:
(1) 待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合,因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10。角以内。
(2) 需要光束直径很小的场合,因为一般超声波束在离开传感器2 m远时直径为0. 76 cm。
(3) 需要可见光斑进行位置校准的场合。
(4) 多风的场合。
(5) 真空场合。
(6) 温度梯度较大的场合,因为这种情况下会造成声速的变化。
(7)需要快速响应的场合。
而激光传感器能解决上述所有场合的检测。
2计量方法及测量不确定度分析
2- 1计量方法
JJG475-2008(电子式万能试验机》检定规程规定,电子式万能试验机横梁位移误差的计量点为在移动横梁的工作范围内任意位置选择最大位移的1%和50%两个测量范围。移动横梁位移示值相对误差不应超过±0.5%⑶。
本文使用基恩士公司的激光位移传感器计量Zwick电子万能试验机。GAGE PLUS激光位移传感器的测量范围为-250 mm -750 mm,分辨率为0.001 mm。根据JJG475-2008<电子式万能试验机》检定规程要求,检定时,将激光位移传感器放置在万能材料试验机水平机座位置,对准试验机横梁,调整好初始位置,记录零位。移动横梁后,再次使用激光位移传感器测量并读取第二个位置,与电子式万能试验机横梁移动的相对示值比较,即可得到横梁位移示值的相对误差。
2.2测量不确定度分析
激光位移传感器测量试验机位移的不确定度主要来源包括⑷:测量重复性、位移传感器的分辨率、位移传感器摆放角度、位移传感器校准时的测量不确定度。
2.2. 1激光位移传感器对0.5级试验机的测量不确定度评定
1) 重复性引起的测量不确定度
激光位移传感器对0. 5级试验机100 mm点进行10次测量,结果依次为:99. 974 mm, 99. 976 mm, 99. 978mm,99. 977 mm, 99. 978 mm, 99. 974 mm, 99. 977 mm,99. 978 mm,99. 978 mm,99. 974 mmo测量数据的标准差为:i(xk-xyl = 1________n 一 1通过计算得到:s = o. 002 mm0
2) 激光位移传感器分辨率引起的不确定度
位移传感器的分辨率为0.001 mm,因而引起的不确定度为:〃2 =0.000 3 mm。
3) 激光位移传感器摆放角度引起的不确定度
位移传感器测量位移时,摆放角度介于0。~5。,引起位移传感器的最大偏差为0.05 mm,此误差服从正态分布,因而产生的不确定度为:〃3 -0.03 mm。
4) 激光位移传感器校准引起的不确定度
激光位移传感器校准时,上一级单位给岀的相对不确定度为:4“ =0.02%,对于100 mm这个点,产生的不确定度为:匕=0.006 mm。
合成不确定度为:
U = a/iz,2 +u22 +u32 +u42 =0. 03 mm
2.2.2激光位移传感器对1.0级试验机的测量不确定度评定
1)重复性引起的测量不确定度
激光位移传感器对1 - 0级试验机100 mm点进行10次测量,结果依次为:99. 874 mm,99. 876 mm,99. 878mm,99. 877 mm, 99. 878 mm, 99. 874 mm, 99. 877 mm,测量数据的标准差为:通过计算得到:S =0.002 mmo
2) 激光位移传感器分辨率引起的不确定度
位移传感器的分辨率为0.001 mm,因而引起的不确定度为:〃2 =0-000 3 mm。
3) 激光位移传感器摆放角度引起的不确定度
位移传感器测量位移时,摆放角度介于0。~5。,引起位移传感器的最大偏差为0. 05 mm,此误差服从正态分布,因而产生的不确定度为:〃3 =0.03 mmo
4) 激光位移传感器校准引起的不确定度
激光位移传感器校准时,上一级单位给出的相对不确定度为:=0.02%,对于100 mm这个点,产生的不确定度为:乞=0.006 mm。合成不确定度为:U = Ju: + u; + zz; + uj =0. 03 mm因此,激光位移传感器测量位移时的扩展不确定度为:(/=0.06 mm,/c=2。
3结论
本文提出了将激光位移传感器应用于电子式万能试验机横梁位移误差检定的创新方法,解决了常规检定方法中标准器具量程不足、测量准确度较低,以及标准器具固定困难、测试手段复杂等诸多问题。使用法如基恩士公司的GAGE PLUS系列激光位移传感器在Zwick公司的Z010电子万能试验机上验证,证明检定方法可行,数据准确,满足检定要求。
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