低溫液位傳感器校準裝置幾何誤差辨識方法的研究

       低溫磁致伸縮液位傳感器校準裝置采用相對運動原理，即液面保持不變，被校準液位傳感器由校準裝置夾持，相對于液面豎直運動，當校準裝置夾具端存在誤差時，將直接影響傳感器的校準結果，因此對傳感器夾具端的幾何誤差辨識具有重要意義。

目前檢測機床、加工中心等幾何誤差的方法很多，常見的有激光球桿儀、實物基準法、激光干涉測最法等。 激光跟蹤儀由千具有 高精度、大范圍、動態測量等特點，已延伸到航 空、 航天、船舶等工業 各領域。 英國國家物理實驗室和日本國家計量研究院已研制出基千激光跟蹤儀的柔性坐標測量機雛形，天津大學和合肥工業大學研究了四路激光跟蹤干涉三維坐標測量系統的自標定問題[1 ~ 5] 。同時，國內外已將激光跟蹤儀應用到機床精度檢測領域。 德國聯邦物理研究院能夠在2h內完成對一臺三軸機床的誤差標定[6]' 西安交通大學在4h內完成對一臺數控銑床的精度檢測，并且分離出銑床的各項誤差[7 ,8] 。

       本文基于以上方法，提出以重力加速度方向為Z軸反方向建立虛擬坐標系，利用剛體中兩點位置始終不變的特性，獲得被測點6項誤差的冗余數據，來實現對校準裝置幾何誤差的辨識，并用matlab進行仿真驗證，對校準裝置誤差進行補償。

2 多邊法原理

       激光跟蹤儀測暈可分為單站法、三角法和多邊法。 單站法采用球坐標系測量得到一個長度值和兩個角度值，從而獲得目標點的空間坐標；三角法采用兩臺激光跟蹤儀瞄準目標點，獲得兩個水平角、兩個垂直角，加上兩臺儀器的水平距離和垂 直距離，可獲得目標點的 空間坐標。 由于激光跟蹤儀采用編碼器進行角度測量，精度相對較低，上述兩種方法不適于高精度檢測。 多邊法采用全球定位系統(GPS)原理，如圖1所示，已知pl ,P2 ,P3 這3個基站的坐標，通過一臺激光跟蹤儀先后在3個基站測鼠目標點T1 ,測得距離P1T1 ,P2仇，P3仇，則可獲得仇的坐標。

        由千激光跟蹤儀測距采用相對距離而非絕對距離，為了防止測量中出現一條光路被遮擋時整個實驗需要重新進行，采用四基站方法增加冗余數據。

3 校準裝置上目標點坐標測量原理

       通過標定 傳感器同一 母線上不同位置的坐標，即可獲得夾具端6項誤差的冗余數據。 如圖2所示，測量時，將貓眼安裝在傳感器上夾具附近并隨著校準裝置的運動機構一起運動，通過多邊法原理獲得目標點在三維 空間中的實際坐標。 下面以四站分時測量為例進行闡述。

由于傳感器理想運動軌跡與重力加速度方向平行，需建立一個坐標系，其Z軸始終與重力加速度方向相反，即XOY平面為水平面，使傳感器實際運動軌跡與理論運動軌跡在同一坐標系下。 如圖3所示，以基站九(0,0,0)為坐標原點，保持激光跟蹤儀支架位置不變，利用激光跟蹤儀的精密水平測量儀及精密升降機構提升激光跟蹤儀至P2 ' 定義幾(0, 0 , Zz) , p 3 (X3 , 0 , Z 3 )位千X,Z軸組成的平面內，按右手法則可以建立坐標系，P4 (X4 ,y4 , Z4 )。 設Tu、T21、幾為被校準傳感器同一條母線上 的3個目標點在第一個測量點的實際位置，T12 、 T22、幾為上述目標點在第2個測匱點的實際位置。

       分別在Pk(k=l,2,3,4)位置測量凡到目標點兀(i=l,2,3;j=l,2, …，n)的相對距離變化量 (jk。其中，口表示 傳感器上同一 母線上不同的位置，j表示目標點在空間中不同的測量位置，k表示不同的基站標號。由于初始距離Lik 未知，共12個未知數，4個基站坐標的 6個未知數，加上3n個目標點坐標引入9n個未知數，共9n+ 18個未知數，而由兩點距離公式，3n個目標點可獲得已知數據12n個。即對于上述多邊法標定目標點坐標時，測量點至少為6個，即目標點為18個時可以獲得各基站及目標點的坐標。由于各基點、各測量點的坐標是所有測量數據 共同計算得到的。

4 校準裝置幾何誤差分離原理

       OA 為理想初始位置，由于傳感器夾具端產生的 3個角度誤差'Y、/3、a,OB為傳感器實際初始位置，當OB沿Z軸豎直向上運動z時，其實 際位置應為0龍；由于校準裝置運動過程中存在6項誤差，分別為定位誤差 a,、直線度誤差 a,、ay ,滾轉 誤差生、俯仰誤差By 和偏擺誤差玄，傳感器實際位 置為 02B2 。

       已知(xii'Y,1' Z;J)

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