一种电涡流传感器球面位移测量的标定方法
【专利摘要】本发明一种电涡流传感器球面位移测量的标定方法属于精密测量领域，涉及利用电涡流传感器测量球面零件到传感器探头端面距离的标定方法。该方法针对多组不同曲率球面的位移进行测量标定，基于标定数据建立电涡流传感器球面位移测量的校准曲面。首先将电涡流位移传感器夹持固定在机床主轴上，将用于校准的半球形标定件装夹在机床工作台上，对多组不同曲率的半球形标定件进行传感器探头的对中处理，机床主轴带动电涡流位移传感器探头移动，完成在其量程范围内的位移标定，采用最小二乘法建立电涡流传感器球面位移测量的校准曲面。本发明实现了对任意曲率球面位移测量的输出标定，提高曲面位移测量精度，准确性高，实用性强。
【专利说明】一种电涡流传感器球面位移测量的标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于精密测量领域，涉及利用电涡流传感器测量球面零件到传感器探头端 面距离的标定方法。
【背景技术】
[0002] 航空航天及核工业中存在大批量具有复杂曲面特征的高精度关键零部件，其数字 化加工中由于金属基面（即软质涂层等厚度加工基准）的实际面形不能用原始设计表示， 需在机测量获得。电涡流检测因具有对非金属材料透射好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率 高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响等优点，为不可视状态下的金属基面 测量提供了有效途径。目前电涡流位移传感器的工作原理是基于线圈与平板间的互感效 应，只在测量平面可以保证结果精度。因此，研究电涡流传感器对不同曲率曲面的测量误差 对提高曲面的测量精度十分必要。
[0003] 电涡流位移传感器在实际工程应用中，当被测导体表面非平面而具有曲面特征 时，以曲率参数表示曲面特征。虽然目标测点与电涡流位移传感器之间的距离没有发生变 化，但由于被测零件中产生的涡流呈一定区域分布，电涡流场的空间分布将发生变化，从而 导致探头线圈的阻抗较测量相同的平面位移相比发生变化，使得电涡流位移传感器测量电 路的输出电压发生改变。即此时电涡流位移传感器的测量结果已经不能代表目标测点的 实际距离，存在曲率误差。经实验验证，当被测表面为球面，曲率半径为20mm时，曲率误差 将为电涡流位移传感器测量误差可达〇. 〇5_，不能满足测量的精度要求。而实际测量过程 中，被测零件普遍存在大量的曲面特征，尤其在复杂曲面的精密测量过程中，曲率误差成为 制约高精密测量的关键因素之一，严重限制电涡流位移传感器的测量精度与使用范围。因 此，曲面零件位移的测量校准技术显得尤为重要。
[0004] 2005年，清华大学贾永平、丁天怀等在《传感技术学报》发表的论文《曲面体间隙 电涡流检测的有限元分析》中提出利用与被测曲面形状一致的异形线圈的电涡流效应进行 曲面零件的位移测量，但此方法制造成本较高，而且线圈的普遍适用性差。2013年，中北大 学信息工程学院胡鹏在硕士学位论文《基于平板标定法的曲面涂层测厚精度分析》中介绍 了一种球形金属零件非金属涂层厚度的测量方法，即按照电涡流传感器测量平面时的标定 结果直接测量曲面涂层的厚度。该方法严重限制了被测零件的曲率范围，而且测量精度不 能保证。国内外学者和机构的研究尚未提及保证利用电涡流位移传感器测量任意曲面零件 距离的测量精度方法与技术。
【发明内容】
[0005] 本发明主要解决的技术问题是克服上述曲面测量方法的不足，针对电涡流传感器 测量曲面零件位移时测量精度难以保证问题，发明了一种适用于电涡流位移传感器球面位 移测量的标定方法。该方法基于传感器对多组不同曲率球面的位移测量标定数据，建立球 面零件位移测量的曲率误差校准曲面，实用价值高，应用范围广。传感器可在一次装夹下 完成对不同曲率球面零件位移的多次标定测量，保证标定过程的快速高效；并且该标定方 法对球面零件的曲率限制少，使用范围广；此外传感器的对中处理作为本方法的重要环节， 将球面中沿主轴方向最高点作为目标测量点，以目标测点的位移作为球面的位移保证标 定结果的准确性；采用最小二乘法拟合电涡流传感器测量不同曲率半球形零件位移的"位 移-曲率-输出"校准曲面，保证了标定结果精度，实现对任意曲率球面的位移测量误差的 补偿。
[0006] 本发明所采用的技术方案是一种电涡流传感器球面位移测量的标定方法，该方法 针对多组不同曲率球面的位移进行测量标定，基于标定数据建立电涡流传感器球面位移测 量的校准曲面。首先将电涡流位移传感器夹持固定在机床主轴上，将用于校准的半球形标 定件装夹在机床带T形槽的回转工作台上，然后对多组不同曲率的半球形标定件进行传感 器探头的对中处理，保证传感器的测量初始位置处于被测曲面上目标测点的正上方，并且 传感器的轴线沿实验被测表面的法线方向，机床主轴带动电涡流位移传感器探头移动，完 成在其量程范围内的位移标定，采用最小二乘法建立电涡流传感器球面位移测量的校准曲 面，电涡流传感器半球面位移测量标定方法的具体步骤如下：
[0007] 第一步电涡流传感器安装
[0008] 将电涡流传感器探头6通过其自身的螺纹和2个传感器探头连接螺母12固定在 平板4中间，平板4通过4个螺栓3和螺母5与转接装置2连接，最后将转接装置2通过胀 套直接夹持在机床主轴1上，完成传感器的安装；
[0009] 第二步半球形标定件的装夹
[0010] 将半球形标定件7放置在带T形槽的回转工作台11上并通过两个专用夹具10夹 紧，通过螺栓的压板9压紧夹具10,完成标定件的装夹；
[0011] 第三步传感器的对中处理
[0012] 首先，移动机床主轴1沿X轴负向、Y轴负向，Z轴正向离开半球形标定件7,然后， 使传感器探头6以一定进给速度Vi垂直接近带T形槽的回转工作台11表面，探头端面与 带T形槽的回转工作台11表面接触时,停止机床主轴1的进给,记录下机床此时主轴z轴 的坐标值 Ζ(ι，将主轴1沿z轴正向抬高至Zl = Z(l+H+0. 02, Η为被测半球形标定件7的高度， 保证传感器对中时测量到的位移在其测量范围内。粗对中过程中手动控制机床主轴1带动 传感器探头6通过目测接近半球形标定件7球面的中心点，停止时，记录此时传感器对中的 起始坐标位置为（χ〇, ％，Zl)，锁住机床主轴在Ζ轴与Υ轴方向不动，机床主轴1沿X轴正向 以一定速度v2移动距离1:，同时以采样频率f采集此期间内传感器反馈电压值，待机床主 轴1停止后，寻找反馈值最小值的时间坐标t x，计算半球形零标定件的X轴方向的中点&为 X(l+tx X v2 ;同理寻找半球形标定件的Y轴方向的中点时，反馈电压值最小值的时间坐标ty， 半球形标定件的Y轴方向的中点yi为y〇+t yXv2 ;
[0013] 第四步不同曲率半球形标定件位移标定测量
[0014] 将机床主轴1移动到坐标系下（Xi，yp Zi)点处，初始的测量位移为0. 02mm。使传 感器探头6在量程范围内沿Z轴以特定步进量程不断提升，探头与试件表面的间隙不断增 大，在每一个步进完成后，记录一定曲率半径r下η组不同测量距离t传感器的输出信号值 yi。半球形标定件的曲率半径^范围为电涡流传感器可测的最小球面半径到受曲率半径影 响最大球面半径，并以等半径差的方式选择多组校准的半球形标定件进行测量，测量过程 重复上述实验步骤第二、三、四步；
[0015] 第五步建立曲率误差校准曲面
[0016] 基于标定过程中获得的不同曲率半径的球面标定件的"位移-曲率-输出"数据 点（ti， ri，yi) i = 1，2, . . .，N，共N组，建立电涡流传感器测量不同曲率半径的半球形标定件 位移的校准曲面，曲面方程为：
[0017]
【权利要求】
1. 一种电涡流传感器球面位移测量的标定方法，其特征在于，该方法针对多组不同曲 率球面的位移进行测量标定，基于标定数据建立电涡流传感器球面位移测量的校准曲面； 首先将电涡流位移传感器夹持固定在机床主轴上，将用于校准的半球形标定件装夹在机床 带T形槽的回转工作台上，然后对多组不同曲率的半球形标定件进行传感器探头的对中处 理，保证传感器的测量初始位置处于被测曲面上目标测点的正上方，并且传感器的轴线沿 实验被测表面的法线方向，机床主轴带动电涡流位移传感器探头移动，完成在其量程范围 内的位移标定，采用最小二乘法建立电涡流传感器球面位移测量的校准曲面，电涡流传感 器球面位移测量标定方法具体步骤如下： 第一步电涡流传感器安装 将电涡流传感器探头（6)通过其自身的螺纹和2个传感器探头连接螺母（12)固定在 平板（4)中间，平板（4)通过4个螺栓（3)和螺母（5)与转接装置（2)连接，最后，将转接 装置（2)通过胀套直接夹持在机床主轴1上，完成传感器的安装； 第二步半球形标定件的装夹 将半球形标定件（7)放置在带T形槽的回转工作台（11)上并通过两个专用夹具（10) 夹紧，通过螺栓的压板（9)压紧夹具（10)，完成标定件的装夹； 第三步传感器的对中处理 首先移动机床主轴沿X轴负向、Y轴负向，Z轴正向离开半球形标定件（7)，然后，使传 感器探头￠)以一定进给速度^垂直接近带T形槽的回转工作台（11)表面，探头端面与 带T形槽的回转工作台（11)表面接触时,停止机床主轴（1)的进给,记录下机床此时主轴 z轴的坐标值Z(l，然后，将机床主轴（1)沿z轴正向抬高至Zl = Z(l+H+0. 02,其中，Η为被测 半球形标定件（7)的高度，保证传感器对中时测量到的位移在其测量范围内；粗对中过程 中手动控制机床主轴（1)带动传感器探头（6)通过目测接近半球形标定件（7)球面的中心 点，停止时，记录此时传感器对中的起始坐标位置为（χ〇, ％，Zl)，锁住机床主轴在Ζ轴与Υ轴 方向不动，机床主轴（1)沿X轴正向以一定速度？2移动距离h，同时以采样频率f采集此 期间内传感器反馈电压值，待机床主轴停止后，寻找反馈值最小值的时间坐标t x，计算半球 形零标定件的X轴方向的中点Xi为Xd+kXvs ;同理，寻找半球形标定件的Y轴方向的中点 时，反馈电压值最小值的时间坐标ty，半球形标定件的Y轴方向的中点 yi为y(l+tyXv2 ; 第四步不同曲率半球形标定件位移标定测量 将机床主轴移动到坐标系下（XpypZi)点处，初始的测量位移为0.02mm;使传感器探 头（6)在量程范围内沿Z轴以特定步进量程不断提升，探头与试件表面的间隙不断增大，在 每一个步进完成后，记录一定曲率半径r下η组不同测量距离^传感器的输出信号值 yi ; 半球形标定件的曲率半径^范围为电涡流传感器可测的最小球面半径到受曲率半径影响 最大球面半径，并以等半径差的方式选择多组校准的半球形标定件进行测量，测量过程重 复上述实验步骤第二、三、四步； 第五步建立曲率误差校准曲面 基于标定过程中获得的不同曲率半径的球面标定件的"位移-曲率-输出"数据点 (% ri，yi) i = 1，2,. . .，N，共N组，建立电涡流传感器测量不同曲率半径的半球形标定件位 移的校准曲面，曲面方程为： n m ^=Z(Zw，w,,/) (η 其中，t为测量位移，r为球面半径，y为输出电压，c表示曲面方程的多项式系数，m为 t的最尚阶数，η为r的最尚阶数； 采用最小二乘法建立校准曲面y，拟合曲面结果的总误差Q为： =t [>，/.- ? (lx')]2 (2) 左=1 j=Q i=j 令总误差Q最小，归结为多元函数的极值问题，即cj;i_j应满足： ^- = 〇 (3) dcu-j 首先将数据点& yi) i = 1，2,. . .，N，代入公式（2)得Q的数学表达式，接着将Q代 入公式（3)中组成多元方程组，由方程组可解得系数的值，代入式（1)即可得拟合的 校准曲面数学表达式。
【文档编号】G01B7/28GK104279946SQ201410473255
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】王永青, 廉盟, 刘海波, 盛贤君, 贾振元, 王凤彪, 郭东明, 康仁科 申请人:大连理工大学