机械专业外文文献翻译-外文翻译--位移传感器的一种绝对的校准方法

外文资料名称： An absolute calibration method for displacement sensors (用外文写)外文资料出处： Measurement 附 件： 1.外文资料翻译译文 2.外文原文 指导教师评语： 签名： 年 月 日位移传感器的一种绝对的校准方法张诗洲 清野聪卞秋燕 译摘要：在现代研究中，一种新的位移传感器的绝对校准方法被提出并且校准系统被开发。这种新方法不但能确定线性错误而且能确定在波长上的平均敏感性(校准线的倾斜)。新测量系统由一个小型的激光干涉仪在以前开发的校准系统里。激光干涉计只通过半波长的整数倍的激光光源来确定必要的位移量。通过使用这个知道位移量，一台位移传感器的平均敏感性和线性误差就可以被绝对确定下来。被提议的方法的准确性只依赖被校验的位移传感器的自身的稳定性以及激光光源的波长。一种电容型非接触位移传感器被校验成功，这种传感器有别于通过信噪比决定的有稳定极限的位移传感器。关键词：绝对校验；位移传感器；灵敏度；非线性。1序言位移传感器早就被用于极端精密的几何量的测量，例如确定位置，震动以及轴和表面的外形测量。 使用特殊的检测技术，位移传感器能达到极其高的分辨率. 但是， 精确的位移传感器被固有的系统误差影响， 例如传感器出产的线性错误(线与校准线的偏差)。 尤其，线性错误的影响比分辨率水平的影响要大得多。例如， 尽管一些位移传感器有纳米，最大量程却只有100微米， 准确地说， 主要由于线性误差，只能达到量程的0.2%. 另外，特有的线性误差是不稳定，极端精密的测量要求位移传感器频繁校准，使它适应被使用的环境(在原处状态)。 不过，一些问题与这样的校准有关。这些问题的困难是涉及到获得比附属纳米分辨率更好的正确参考，并且涉及到怎样执行那些测量系统中需要位移传感器的频繁校正。另外，那些位移传感器需要在原处校准。现在作者提出一种对一些几何传感器来说在原处自校准线性错误的方法，例如一台位移传感器以及一台角度传感器. 这种方法 也已经被用于校验一台扫描白光干涉计显微镜.被提出的方法是基于获得校准曲线导出功能，校准曲线只是稍微的受那些精确入量影响.这些原理被准确地分析阐明。电子计算机模拟用来确定线性误差，百分之多点的量程，可以使用刚刚提出的方法正确校核。 提出的方法的准确只依赖被校验的传感器的稳定性和分辨率。 不过，被提出的方法还基于传感器的平均的敏感性被事先给出； 因此，只有线性误差（与线的校准线的偏差）可以被确定。在现在的研究中，一种对位移传感器的新的绝对校准方法被提出，并且校准系统被开发。 这种新方法不仅可以用于确定线性误差，而且可以在波长的基础上确定平均敏感性(校准线的倾斜度)。 新测量系统结合一台小型激光干涉计和以前开发的原处校准系统. 激光干涉计只用激光光源的半波长的整数倍来确定必要的位移量。通过使用这个知道位移量，一台位移传感器的平均敏感性和线性误差就可以被绝对确定下来。目前的报道中， 绝对校准的原理使位移传感器和校准系统被提出。 另外，被提议的方法的可行性被实验上证明。 一种电容型非接触位移传感器被校验成功，这种传感器有别于通过信噪比决定的有稳定极限的位移传感器。2绝对校正原理通常，校准可能被分成两个部分：平均敏感性为校准和线性误差校准 参阅图1 ( a ) . 在前边部分里，平均敏感性，与确定的传感器校准线的倾斜度有关。 另外，线性误差，和线与确定的校准线的偏差有关。21 原理绝对校准的原理与位移传感器在原处校准的概念相同,在原处校准的位移传感器，不进行收敛计算，而是反函数被计算。 图1（a）显示的f(x)是位移传感器的输出曲线，那一般被表示为有斜度S和偏差O的直线的总和，直线的功能为重力加速度g(x)。 f(x)的功能表示如下：z=f(x)=S0×x+g(x) (1) 这里，S和g(x)分别描述平均敏感性和线性误差, 让位移传感器在xi位子取样输出mi并且在xi+x处（x是位移量）输出mi+。如果反函数f(x)如图1(b)显示：zi = mi,f-1(zi)=zi/S0-h(zi) (i=1,2,n) (2)这里n是取样的数目h(z)是g(x)的反函数。h(z)的导数在离散采样点可以表示为：h(zi)=1/s0-x/mi (mi=mi+-mi) (3) 这里，必要位移量x可以使用激光光源的半波长的整数倍数来确定。S0可以通过下式计算出：S0=mi/x/n (4)并且h(z)可以通过对h(zi)积分求出。22 模拟结果图2 显示出了模拟结果。 校准位移的传感器的测量范围是100微米。位移量是4微米。 敏感性的标准值是0.2vum-1。线性误差是一条以零线对称的正弦曲线，振幅为200nm。 随机误差有=2的偏差,这主要包含在采样正弦曲线里. 通常抽样间隔是0.5um，并且200个样本数据都在位移传感器的量程内取得。 另外， 在实际应用中，随机值中有+-0.2um 的最大值,这增加了扫描间隔使得模拟抽样间隔的挠度。 剩余误差不同于规定的线性误差和被获得的线性误 差，也如图2所示。最大的剩余误差是大约4纳米，是噪 图1（a）输出曲线 b）输出曲线的反函数音的幅度的两倍。这个结果类似于收敛计算方法获得的数据. 3.校准系统 图3(A)所示为一台校验位移传感器的输出曲线的实验仪器。 图3(A)显示系统由一台已校验的位移传感器，一台小型激光干涉计，一根z轴组成，小型激光干涉计只提供半波长的整数倍的激光光源，z轴平板用来扫描位移传感器的量程。 位移传感器被固定到一根柱子上，直对着工作台的中心使得可以 安装激光干涉仪的小轴。根据管PZT 移动,位移传感器识别工作台上的位移。激光干涉计被安置在z轴平板上，由步进电机驱动。 图3(b)显示了另一台校验位移传感器输出曲线实验仪器。 这样的话，一个x轴平板和一个用于扫描位移传感器量程的倾斜平面都被用来代替z轴平板。 倾斜的平面由一个计量器块制成，被固定到激光干涉计的工作台中心上，并且激光干涉计被放置在由步进电机驱动的x轴平板上。当X轴平板沿着X方向运动时，倾斜平面在Z轴方向，校准范围之上能产生一连续改变的位移。3.1激光干涉仪图4 所示机构是在光学系统上发展起来的激光干涉仪。 入射光从激光光源系统(LDS)发出，再PZT管中(15.5 mm*313.5mm)中被光束分离器分成两束光。 一束光通过装在工作台底部的移动的镜子反射出来，另一束光被一面固定的镜子反射出来。两束光再反射回光束分离器，产生一条干涉条纹，干涉条纹通过一只双凹透镜之后被两个分开的发光二极管接收。当工作台通过PZT管移动时，条纹根据两束反射光移动距离改变而改变。两个点上的相位差条纹的输出有两个分开的发光二极管识别。如果x1和x2是两个分开的发光二极管的输出量，并且Y是激光干涉仪的输出量，那么下列方程式确定Y： Y=(X1-X2)/(X1+X2) (5) 这种差动识别方法能用来有效地消除激光干涉计的光源的强度变化。 而且，因为两束干涉光之间的光程差很小并且在PZT管里的干涉光束仅仅只稍微受空气湍流的影响，这样，就可以获得稳定的干涉条纹。 不过，由于热漂移而导致激光光源的波长变化却不能用这种差动识别方法来消除。 因此， 为了提高波长的稳定性，而且因此需要有更高的精确度的热控制器来加给激光光源。 在图4(b)的激光光源由一个激光二极管(10 mW，= 785nm)， 一个热敏元件和一个塞贝克效应元件组成。塞贝克效应元件用来调节被识别的激光光源的温度从而来减少激光光源的热漂移。 为了在激光光源里镇压热漂流，佩尔蒂埃要素用来调节被发现的激光光源的温度。 在图4(c)所示为激光干涉仪的输出量和正弦电压信号关于零线对称。3.2.信号处理系统 图5是一张用来校验位移传感器的信号处理系统的图。 校验传感器的输出量由一台数字化的万用表识别。位移传感器的输出校准数据曲线mi由第一个取样选通脉冲通过步进电机在Z轴上的移动在激光干涉仪上采样。校准数据mi+要和m相符合，在第一个采样脉冲信号后连续采样。当PZT管移动时，采样信号在正弦电压的零交叉点从激光干涉仪中产生。正弦电压信号有两个发光二极管输出，发光二极管由I-V转换器和计算电路（加，减，除）转换。PZT管由一个频率为1赫兹锯齿电压（通过一个模拟多路复用器和调压器，由一个函数发生器）驱动，相邻的脉冲之间的位移量是/2（是激光的波长，/2是条纹周期）。在原处绝对校准的必要位移量X为N*/2(N是一个整数)。以前提过的校准系统提供一个极其简单的机械结构，还有校准系统重要的具体特性。因为当插值法干涉条纹不必要时，零交叉点干涉条纹是必要的，所以那是一个极其简单的激光干涉仪。在校准系统里的激光干涉仪只用来被获得一个激光源波长的整数倍的平均敏感性，因此，系统的校准精度不受非线性运动PZT管的影响。另一种重要的具体的特性是系统的校准精度不和理论采样点相关，即，当只在Z 方向产生连续的位移量时，也受z轴平板倾斜度影响 参阅图3 ( a ) 或者x轴平板 参阅图3 ( b ) 。4.实验结果 校准传感器是有+-50微米量程的电容型非接触位移传感器。制造商报告的(ADE3046-A01控制台，2102/2001的微感)位移传感器的平均敏感性的额定值是0.2Vum-1。 图6 所示是位移传感器的热漂移。步进电机和PZT管在稳定状态被打开并且保持。测量时期是10分钟。 在这段时期，绝热箱内包含了位移传感器和校正器，它的环境温度的改变必须小于0.01Cº。热漂流的高频率零部件大约在3nm min-1，低频零部件大约在2nm min-1。引起高频漂流的主要原因是电噪音。引起低频漂流的主要原因是校准系统机构的变形和PZT管的频率飘移。不过，在图(3)和(4)里的mi只稍微受低频漂流的影响。 因此，位移传感器在校准环境内的分辨率根据热漂移值来估算。图7 所示为两条位移传感器在不同时期获得的输出曲线。z轴平板上的扫描间隔是大约0.5um，并且193个校准数据在位移传感器的100um量程内被采样。系统要求大约5分钟进行一次校准。在绝对校准中必要的位移量x是10*/2。用HP70950光学的频谱分析激光的波长为 784.73nm。如图7，虚线表示位移校正传感器平均敏感性的额定值，获得两个重复的平均敏感性值的几率大约1%，少于额定值。图8(a)所示为校验位移传感器和校准结果稳定性的线性误差。最大的线性误差大约为200nm。在不同时间两个校正结果的偏差大约在+-10nm。这些结果比那些在图6显示的使用热漂流试验获得的结果更坏。这可能由于校准系统不稳定。图8