角位移传感器校准技术探究

魏 健

（陕西东方航空仪表有限责任公司， 陕西 西安 710199）

引言

随着电子工业的快速发展，角位移传感器在航空航天、铁路、公路、国防等领域中的应用越来越广泛，角位移传感器的精度直接影响着航空发动机的工作性能和安全可靠性。

1 相关理论概述

角位移传感器（RVDT）的静态位移特性是指，在一定的负载下，测量角速度的变化量。它是一种线性位移，与外业的位移相比，其动态响应的精确程度较低，因此一般不用于高精度场合[1]。但是随着电子技术的飞快发展，特别是现代检测与计算机技术的迅速崛起，传统的元器件也正逐渐被新型的元器件所取代，这就使RVDT 的应用范围越来越广，其使用的功能也愈来愈强大。对于不同类型的传感器来说，其静态位移的特点和自身的特点都是各不相同的，具体表现如下：

1）在结构上，由于被测物体物理性质的限制及被测参数的微小，导致整个系统的性能不能完全达到设计要求。

2）因为存在各种噪声干扰，使采集到的信号出现偏差，影响了试验的准确性。

3）电路的安装位置、元器件的材料强度和加工工艺，都会对数据的准确度产生直接的影响。

2 RVDT 校准技术现状

目前常用的一些元器件结构参数都是已知的（如阻尼比、电阻等），这些参数对于飞机的飞行来说，都存在一定的误差，使得飞机的运动轨迹不准确，从而威胁到了乘客的生命财产安全和机床的正常运行。在一些对大位移量要求较高的场合中，常用到的角位移传感器有以下两种：一种是用光电测距传感器来测量物体的位置变化，这种类型的角位移传感器结构简单、性能可靠，但是价格较高；另一种则是采用光敏电阻或超灵敏电容来进行测距的单轴角度或者多轴的位移量。由于这两类角位移传感器都存在不足之处，所以在实际生产中，一般会选择第一种元器件。随着电子技术的飞速发展，现代电子产品的小型化、微型化已经成为未来的趋势和目标，而检测这些产品的方法也会变得更加多样化和智能化，其中近些年兴起的半双工方式的角位移传感器就是典型代表。半全工式的角位移传感器是指通过控制元器件的开关频率，或改变其相对的距离，从而得到不同的输出信号值。

3 RVDT 的基本原理

在采集的数据信息中，由于不同的测量对象，其物理结构的参数存在较大的差异性，再加上一些外界因素的干扰等，使得角位移的准确度会有一定的偏差。因此，为了保证能够准确、快速地检测出角位移量，就需要对传感器的工作原理和基本的工作流程进行进一步的研究分析，以提高整个系统的精度和可靠性。RVDT 的主要功能是将被测的信号从被测的非电量转化为电压或功率的形式并输出，从而经转换电路处理后，得到所要的角位移的数字量。但是在实际应用中，一般都是把元器件固定在一个支架上，通过导线与支撑的连接方式来对元器件进行直接操作，这样不仅增加了维修的难度系数，而且容易造成元器件的损坏。另外，如果电容的数值较小，则无法精确地反映出被测的变化趋势，并且当出现不稳定的情况时，也不能很好地显示出来，这都不利于后期的维护与管理。

4 RVDT 校准技术的设计

元器件的选择是整个系统的关键所在，在进行元器件的选用时，要根据所选元器件的精度、性能等因素，然后再结合理论上的分析来对电路进行设计和仿真。目前很多角位移传感器都是传统的，其结构也存在体积大、重量多、价格高等缺点，而且有可能会发生失真。由于这些缺陷，使得现在的角位移传感器的应用范围有限，不能完全满足实际生产中的要求；再有，因为集成模块的限制导致无法实现真正意义上的数字化，使其功能变得少之又少；再加上有些元器件的参数计算不够准确，误差太大，直接影响了测量结果的准确性和实时性。因此需要一种更先进的检测方法来提高RVDT 的精确度，以达到最精准的目的，满足用户的需求。

4.1 校准系统设计方案

通过上述分析知道，元器件的型号、规格和安装位置会影响到检测的精度与范围。在进行角位移量的测量时，传感器本身的结构形式会对元器件的输出有很大的干扰作用。所以，在设计时，要考虑元器件的情况，以及如何最大限度地减小外界的干扰，以提高系统的准确性与灵敏度。现在市面上有多种多样的角位移传感器，根据本课题的研究需求，应选用合适的方案来实现对采集的数据准确有效的显示出角度。校准系数的计算式是指，将一个待测的信号与该待测的信号之间的误差值用加权求和的方法，来得到该信号的加权平均数，然后再利用ADC 转换将实际测得的值转化成对应的标准正弦的三角函数，再使用卡尔曼滤波，对原始的位移信号的离散化模型中的未知量加以估计，从而把特征提取出来。但是由于不同的算法其推导的公式可能不一样，因此要想精确地求出这几种信息的关系式，就需要采用一定的数学手段[2]。

4.2 传感器校准方法及参数确定

当电路中元器件的参数发生变化时，在一定的时间间隔内，其输出的电压或者电流值也会随之变化，这就是标量。标量的定义是，一个待测信号的基准值和另一个待测信号参考值的差数值。当实际测量的被测信号的误差在±1 mm 时，被测得的标量精度即为被校准精度[3]。由于存在非正常的干扰因素，所以不能准确地反映被检测的真指标，只能作为微调的依据之一。但经过理论的研究发现，影响系统真伪的主要原因是电源的谐振而不是负载，因此根据上述思想，可以采用补偿电容法来解决。为了提高数据采集的准确性和灵敏度，可采取的措施如下：

1）搭建硬件平台，将整个仪器的主控芯片、输入模块、通信接口等集成到一起，然后将所有的元器件都封装到同一个软件上，这样不仅方便后续的维护更换，也能使试验更加简单直观。

2）使用固定式非接触式测量法，其是根据被测物体在不同位置位移量的大小来进行标定，通过被测元件的形变来测得角位移量的一种非接触式检测方法。该方法的优点是可以直接读出待标产品的静态位移量，缺点是不准确，而且需要对被测零件的材料作一定的处理才能获得正确的结果。

3）光电感探测头探测器+应变片结构型法，这种方式的特点是不要求与传感器的接口有任何形变，但是由于存在物性误差，当被测件的外力作用时，引起器件的电学或磁学性质的改变而导致器件发生抖动。因此只需将这些因素都考虑在内，即应将其用万用表打出来加以校正即可。但此种装置的输出信号的幅值受环境的影响很大，容易受到周围其他外部干扰的影响而产生误读。

5 结语

针对RVDT 的误差源进行分析与探究，通过试验和理论的结合来验证其正确性，并且得出的结论更加贴近实际的参数值，此种技术具有一定的准确性和说服力。