檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試誤差及對(duì)儀器設(shè)備的要求(1)專(zhuān)題講座
徐勵(lì)華（西安微電機(jī)研究所）
控制電機(jī)中的信號(hào)電機(jī)是精密檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的傳感元件．其本身的精度要求較高，為了滿(mǎn)足高精度的要求，對(duì)檢測(cè)它的儀器、設(shè)備、線(xiàn)路、工裝以至測(cè)試方法、安裝調(diào)試均有嚴(yán)格要求。但也有些產(chǎn)品和用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品精度要求并不太高，如果都應(yīng)用高、精、尖的設(shè)備來(lái)檢測(cè)是很不經(jīng)濟(jì)的。為此，對(duì)不同要求的電機(jī)應(yīng)對(duì)其檢測(cè)系統(tǒng)的各種誤差進(jìn)行詳細(xì)分析和計(jì)算，正確合理地選擇儀器設(shè)備工裝線(xiàn)路和采取相應(yīng)的措施。
本文按各類(lèi)電機(jī)（感應(yīng)同步器，自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器，測(cè)速發(fā)電機(jī)等）分別進(jìn)行闡述。
1 感應(yīng)同步器檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試誤差分析
感應(yīng)同步器在信號(hào)電機(jī)中是精度極高的位置傳感元件，它將線(xiàn)（角）位移變成電信號(hào)，前者為直線(xiàn)式感應(yīng)同步器，后者為旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器，其本身的精度足以與計(jì)量基準(zhǔn)相比擬，要檢測(cè)這樣高精度的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)外有很多種方法，工廠(chǎng)批量大的要求自動(dòng)化裎度高，可采用對(duì)比法。計(jì)量部門(mén)要求檢測(cè)準(zhǔn)確度高，對(duì)直線(xiàn)式采用激光比長(zhǎng)儀進(jìn)行比較，對(duì)旋轉(zhuǎn)式采用全組合法來(lái)消除儀器本身的誤差。現(xiàn)從滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求出發(fā)．對(duì)其檢測(cè)系統(tǒng)的各部分誤差進(jìn)行分析計(jì)算。
旋轉(zhuǎn)式、直線(xiàn)式感應(yīng)同步器的基本參數(shù)和技術(shù)要求及其試驗(yàn)方法目前沒(méi)有國(guó)標(biāo)而有部標(biāo)JB3586-3587-8/1、JB／GQ0565-84和BlGQ1l39-89，其中正確度用峰值表示，為了統(tǒng)一起見(jiàn)，檢浸系統(tǒng)的誤差分析也均用峰值計(jì)算。旋轉(zhuǎn)式和直線(xiàn)式感應(yīng)同步器的品種規(guī)格很多。現(xiàn)以其中正確度****及適中的產(chǎn)品為例來(lái)說(shuō)明，列于表1，表2及表3。
感應(yīng)同步器的正確度測(cè)量主要用細(xì)分誤差和零位誤差進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試線(xiàn)路如圖1圖2所示。
從圖1可看出，旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)用步器的檢測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器（電源）、電源隔離變壓器、高精度轉(zhuǎn)臺(tái)、感應(yīng)分壓箱、相敏電壓表（即指零儀）和調(diào)試工裝組成。
從圖2可看出，直線(xiàn)式感應(yīng)同步器的檢測(cè)系統(tǒng)除了高精度轉(zhuǎn)臺(tái)用測(cè)量?jī)x替代及工裝線(xiàn)路不同外，其它儀器均相同，也可用相當(dāng)精度的數(shù)顯表代替信號(hào)發(fā)生囂、感應(yīng)分壓箱、匹配變壓器和相敏電壓表．使檢測(cè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單方便。
檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試誤差在計(jì)量檢測(cè)中稱(chēng)為測(cè)量準(zhǔn)確度它由檢測(cè)儀器設(shè)備的檢定誤差、人工誤差、安裝和環(huán)境誤差組成，由于這些誤差是相互獨(dú)立不相關(guān)的．所以合成的綜合誤差（即系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度）
1.1 儀器設(shè)備的檢定誤差
1．I．1 高精度轉(zhuǎn)臺(tái)
對(duì)表中應(yīng)該用修正值校正或全組合法來(lái)消除分度頭引起的誤差，以使系統(tǒng)測(cè)試誤差減小到要求范圍內(nèi)。
1.1.2測(cè)長(zhǎng)儀
對(duì)于正確度為5Um以下的產(chǎn)品可用阿貝比長(zhǎng)儀，其檢定誤差不大于1．5μm，對(duì)于正確度高于5μm的定尺．如用阿貝比長(zhǎng)儀必須用修正值校正，可提高到0.9，如檢測(cè)滑尺，其細(xì)分誤差的節(jié)距一般為9mn．故可選擇任 2mh，其精度不大于0.3μm的位置進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于高于3krm的零級(jí)品定尺應(yīng)該用激光干涉儀。
1．1.3相敏電壓表（即指零儀）
當(dāng)最小量程為0.1 Um／30格，其分辨率17。“為3.3×1 0 - 3mv．假設(shè)旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器極對(duì)數(shù)p= 360．****輸電壓時(shí)，會(huì)引起****角誤這對(duì)于正確度為2的產(chǎn)品．顯然太大了，若縮小1 0倍（采用低噪聲放大器）即將分辨率提高10倍，使其引起的角誤差縮小為0. 06。假設(shè)直線(xiàn)式感應(yīng)同步器的節(jié)距為2mm，****輸出電壓Vr，則d.12約為0。26Um（取（5.12=0。3um。基本上可以滿(mǎn)足要求。
I．I．4感應(yīng)分壓箱
圖l和圖2中測(cè)試細(xì)分誤差時(shí)通常用二臺(tái)國(guó)產(chǎn)型組成正切函數(shù)（旋轉(zhuǎn)式）或正余弦函數(shù)（直線(xiàn)式），在lOkHz時(shí)．實(shí)則檢定誤差為2×l0-5，當(dāng)p= 360時(shí)，會(huì)引起****角誤差，d.13約為0.014(旋轉(zhuǎn)式)。對(duì)直線(xiàn)式感應(yīng)同步器．當(dāng)節(jié)距為2mm時(shí)．會(huì)引起****位移誤差d_13約為0．O1pm，說(shuō)明用感應(yīng)分壓箱引起的誤差可忽略不計(jì)。
1．1．5 數(shù)顯表
根據(jù)數(shù)顯表的結(jié)構(gòu)原理可以替代圖1和圖2中的信號(hào)發(fā)生器、感應(yīng)分壓箱、隔離變壓器和相敏指零儀，萁本身的精度取決于內(nèi)部的函數(shù)變壓器的抽頭誤差。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的SFl lB型，只能用于正確度為10 μm以下的產(chǎn)品，對(duì)于高于5 μm的產(chǎn)品，應(yīng)用ZBS -16型超精密數(shù)顯表，其誤差為士0.2測(cè)量重復(fù)性3a≤士0．116。根據(jù)各類(lèi)產(chǎn)品的正確度要求，選擇不同精度的儀器設(shè)備組成的檢測(cè)系統(tǒng)，其測(cè)試誤差也可稱(chēng)為系統(tǒng)不確定度，選擇和計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1、表2、表3中
1.2人工誤差
人工誤差即由于人的因素引起的偏差，大量觀察一般符合正態(tài)鈴布規(guī)律。為了衡量觀測(cè)結(jié)果的精確度．習(xí)慣均方誤差o（即中誤差）。
壓函夏囊硒的平方和 觀測(cè)次數(shù)值越小．說(shuō)明測(cè)量精確度越高．測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確。在一定條件下，其****值不會(huì)超過(guò)一定界限·所以一般確定極限（容許）誤差30．若超過(guò)三倍中誤差，則該次觀測(cè)不能用，應(yīng)重測(cè)。在計(jì)算測(cè)試準(zhǔn)確度6時(shí)．我們?cè)诖罅康脑囼?yàn)觀察中得到的讀數(shù)誤差．如表l、表2、表3所示。
1.3安裝和環(huán)境誤差
1．3.1 安裝誤差
在檢測(cè)系統(tǒng)中，雖然儀器設(shè)備的固有誤差是系統(tǒng)謾差的主要成份，但如果安裝調(diào)試不符合規(guī)定，將使測(cè)試誤差大大增加。對(duì)旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器，如果同軸度和垂直度沒(méi)到規(guī)定范圍內(nèi)．則其誤差曲線(xiàn)呈明顯的一次周期變化，例如GY30／720．當(dāng)同軸度和垂直度得到****位置時(shí)，測(cè)得正確度為4（如圖3中曲線(xiàn)1）．當(dāng)同軸度偏離0. 005mm．垂直度偏離0. Olmm時(shí)，測(cè)得正確度為6（如圖3中曲線(xiàn)2。當(dāng)同軸度偏離0. Olmm．垂直度偏離0. 02mm時(shí)．測(cè)得正確度為8(如圖3中曲線(xiàn)3)可見(jiàn)偏離規(guī)定范圍越大，測(cè)得正確度越差．也就是使系統(tǒng)綜合測(cè)試誤差越過(guò)了允許范圍，但由于旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器通常安裝在同軸度和垂直度可任意調(diào)整的特殊專(zhuān)用試驗(yàn)中，通過(guò)電氣調(diào)試，可以調(diào)整到****位置，安裝誤差可以控制在0.2～0.4以?xún)?nèi)(見(jiàn)表1)，甚至可基本消除。
在直線(xiàn)式感應(yīng)同步器中．對(duì)定尺滑尺的安裝位援、平行度、正面、背面、側(cè)面均有嚴(yán)格要求，否則將使測(cè)試誤差增大。
1.3.2環(huán)境溫度變化引起的誤差
對(duì)直接式感應(yīng)同步器特別明顯。JB／GQ0565-84標(biāo)準(zhǔn)型和窄型直線(xiàn)式感應(yīng)同步器試驗(yàn)方法中規(guī)定環(huán)境溫度為20土0.5℃，溫度波動(dòng)每小時(shí)不超過(guò)0.2℃，由此引起的定尺誤差如表2所示。因滑尺長(zhǎng)度較短，影響較小，對(duì)旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器幾乎沒(méi)影響。但溫度變化太大或超過(guò)了儀器規(guī)定的范圍，則會(huì)影響儀器正常工作。
1.3。3其它環(huán)境條件誤差
除溫度外，濕度、震動(dòng)、電源波動(dòng)也會(huì)使測(cè)試系統(tǒng)不穩(wěn)定。另外，由于感應(yīng)同步器頻率較高．輸出電壓較小、屏蔽接地等因素又會(huì)引起偶然誤差。通常要求有獨(dú)立的接地系統(tǒng)，輸出信號(hào)線(xiàn)必須屏蔽接地，且遠(yuǎn)離同頻率輸入電源線(xiàn)，香則會(huì)引起附加誤差。激磁電源不對(duì)稱(chēng)也會(huì)引起誤差，故在激磁回路中，一般均接對(duì)稱(chēng)的電源隔離變壓器。若輸入端不接地，產(chǎn)品上可不加屏蔽膜，但若一端接地，則產(chǎn)品定子（滑尺）上應(yīng)加屏蔽膜，并統(tǒng)一接地，以避免輸入不對(duì)稱(chēng)引起零位誤差奇偶跳。
安裝和環(huán)境條件誤差對(duì)不同精度等級(jí)的產(chǎn)品要求的允許值也不一樣，通過(guò)調(diào)試和控制，可掌握在一定范圍內(nèi)，使綜合測(cè)試誤差不超過(guò)規(guī)定的允許值，詳見(jiàn)表1、表2、表3
滑尺壓線(xiàn)位置應(yīng)使滑尺繞組端部中心線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)定尺繞組引出線(xiàn)的中心線(xiàn)，如果滑尺繞組端部高出定尺繞組引出線(xiàn)（如圖所示）．則當(dāng)滑尺進(jìn)入定尺開(kāi)口區(qū)時(shí)．使零位誤差奇偶波動(dòng)．細(xì)分誤差也隨著相鄰三點(diǎn)零位誤差奇偶跳動(dòng)而變大。
（待續(xù)）
|
