测斜探头单轴线性误差标定与补偿方法研究

王理; 邱正宇; 杨璐; 刘丽娟

doi:10.12338/j.issn.2096-9015.2022.0232

测斜探头单轴线性误差标定与补偿方法研究

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2022.0232

湖南省计量检测研究院，长沙 410014

基金项目: 湖南省自然科学基金项目（2022JJ90044）。

详细信息

作者简介:
王理（1988-），湖南省计量检测研究院工程师，研究方向：几何量计量、精密测量，邮箱：stevewangli@163.com

通讯作者:
刘丽娟（1965-），湖南省计量检测研究院高级实验师，研究方向：几何量计量，邮箱：347948057@qq.com

中图分类号: TB921
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2022-09-14
- 修回日期: 2023-04-28
- 网络出版日期: 2023-05-16
- 刊出日期: 2023-03-18

Research on Calibration and Compensation Methods for Single-Axis Linear Errors of Inclinometer Probes

Hunan Institute of Metrology and Test, Changsha 410014, China

摘要

摘要: 通过分析测斜探头的技术参数、工作原理、特点、使用和标定时的安装方式等，研究了其应用于建筑和工程监测领域测量误差的来源。针对误差来源总结了具体的解决方案，选择最小二乘法对测斜探头单轴线性误差进行补偿。提出了一种基于光学分度头的测斜探头标定方法，通过实验对测斜探头单轴线性误差补偿前后的测量结果进行对比分析，结果表明该方法可有效减小测斜探头单轴线性测量误差。对测量不确定度进行评定及分析，证明该标定方法满足要求，最后通过重复安装对补偿效果进行了验证。
- 计量学 /
- 测斜探头 /
- 倾角传感器 /
- 测量不确定度分析 /
- 误差补偿 /
- 标定方法
Abstract: This research focuses on the calibration and compensation methods for single-axis linear errors in inclinometer probes. The study begins with an analysis of the probe's technical parameters, working principles, characteristics, and installation methods during use and calibration, aiming to investigate the sources of measurement errors when applied in the construction and engineering monitoring fields. From these error sources, specific solutions are identified, employing the least squares method for compensation of the probe's single-axis linear error. A new calibration method for the inclinometer probe, based on an optical dividing head, is proposed. The study conducts experimental comparisons of measurement results before and after the compensation of single-axis linear error. The results indicate that the proposed method can significantly reduce the single-axis linear measurement error of the inclinometer probe. Measurement uncertainty is evaluated and analyzed to validate that the calibration method meets the requisite standards. Lastly, the effectiveness of the compensation method is verified through repeated installation trials.
- metrology /
- inclinometer probe /
- inclination sensor /
- analysis of measurement uncertainty /
- error compensation /
- calibration method

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图 1 测斜探头

Figure 1. Inclinometer probe

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图 2 倾角传感器工作原理

Figure 2. Working principle of the inclination sensor

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图 3 垂直安装使用

Figure 3. Vertical installation and use

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图 4 水平安装使用

Figure 4. Horizontal installation and use

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图 5 标定时测斜探头的安装方式

Figure 5. Installation method of inclination probe during calibration

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图 6 测斜探头安装示意图

Figure 6. Schematic diagram of inclinometer probe installation

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图 7 光学分度头显示装置

Figure 7. Display device of the optical dividing head

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图 8 测斜探头测量数据软件界面

Figure 8. Software interface for data mesurement of the inclinometer probe

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图 9 X轴最小二乘法拟合函数

Figure 9. Least square fitting function for the X-axis

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图 10 误差补偿界面

Figure 10. Error compensation interface

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图 11 X轴误差补偿后的测量结果

Figure 11. Measurement results after X-axis error compensation

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图 12 X轴补偿前后线性测量误差对比

Figure 12. Comparison of linear measurement error before and after X-axis compensation

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表 1 标定项目及测量标准装置

Table 1. Calibration items and measuring standard devices

标定项目	测量标准装置
X、Y轴线性测量误差	1.主要测量标准仪器：精密光栅光学分度头；规格型号：SJJF-2；出厂编号：201503；MPE：2″。 2.配套设备：电源；规格型号：GPC-3060D；出厂编号：GER854617；测量范围：电压：0 ～ 30 V；电流：0 ～ 3 A。

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表 2 X轴向角度测量结果

Table 2. X-axis angle measurement results

序号	测量点（°）	补偿前测量值（°）	补偿后测量值（°）	序号	测量点（°）	补偿前测量值（°）	补偿后测量值（°）	序号	测量点（°）	补偿前测量值（°）	补偿后测量值（°）
1	−15.000	−14.863	−14.998	12	−4.000	−3.965	−4.004	23	7.000	6.940	6.999
2	−14.000	−13.869	−13.998	13	−3.000	−2.969	−3.004	24	8.000	7.932	8.001
3	−13.000	−12.875	−13.001	14	−2.000	−1.975	−2.004	25	9.000	8.933	9.002
4	−12.000	−11.893	−11.998	15	−1.000	−0.986	−1.005	26	10.000	9.922	10.002
5	−11.000	−10.897	−11.001	16	0.000	0.000	−0.002	27	11.000	10.919	11.006
6	−10.000	−9.909	−10.001	17	1.000	0.996	0.999	28	12.000	11.903	12.003
7	−9.000	−8.916	−9.002	18	2.000	1.990	1.997	29	13.000	12.894	13.005
8	−8.000	−7.917	−8.004	19	3.000	2.978	2.998	30	14.000	13.888	13.999
9	−7.000	−6.935	−7.001	20	4.000	3.964	4.000	31	15.000	14.888	15.005
10	−6.000	−5.937	−6.004	21	5.000	4.957	4.999	/	/	/	/
11	−5.000	−4.945	−5.003	22	6.000	5.951	5.996	/	/	/	/

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表 3 X轴线性测量误差

Table 3. X-axis linear measurement error

序号	测量点（°）	补偿前测量值（°）	补偿后测量值（°）	序号	测量点（°）	补偿前测量值（°）	补偿后测量值（°）	序号	测量点（°）	补偿前测量值（°）	补偿后测量值（°）
1	−15.000	0.137	0.002	12	−4.000	0.035	−0.004	23	7.000	−0.060	−0.001
2	−14.000	0.131	0.002	13	−3.000	0.031	−0.004	24	8.000	−0.068	0.001
3	−13.000	0.125	−0.001	14	−2.000	0.025	−0.004	25	9.000	−0.067	0.002
4	−12.000	0.107	0.002	15	−1.000	0.014	−0.005	26	10.000	−0.078	0.002
5	−11.000	0.103	−0.001	16	0.000	0.000	−0.002	27	11.000	−0.081	0.006
6	−10.000	0.091	−0.001	17	1.000	−0.004	−0.001	28	12.000	−0.097	0.003
7	−9.000	0.084	−0.002	18	2.000	−0.010	−0.003	29	13.000	−0.106	0.005
8	−8.000	0.083	−0.004	19	3.000	−0.022	−0.002	30	14.000	−0.112	−0.001
9	−7.000	0.065	−0.001	20	4.000	−0.036	0.000	31	15.000	−0.112	0.005
10	−6.000	0.063	−0.004	21	5.000	−0.043	−0.001	/	/	/	/
11	−5.000	0.055	−0.003	22	6.000	−0.049	−0.004	/	/	/	/

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表 4 重复安装后测斜探头X轴线性测量结果和测量重复性

Table 4. X-axis linear measurement results and measurement repeatability of the inclinometer probe after repeated installation

序号	测量点（°）	第一次（°）	第二次（°）	第三次（°）	重复性s(i)（°）	序号	测量点（°）	第一次（°）	第二次（°）	第三次（°）	重复性s(i)（°）
1	−15.000	−14.998	−14.998	−14.994	0.00237	17	1.000	0.996	0.995	0.992	0.00237
2	−14.000	−14.000	−13.997	−13.998	0.00178	18	2.000	1.995	1.997	2.000	0.00296
3	−13.000	−13.000	−13.003	−12.997	0.00355	19	3.000	2.996	2.999	2.998	0.00178
4	−12.000	−11.998	−12.000	−11.997	0.00178	20	4.000	3.997	4.002	4.000	0.00296
5	−11.000	−11.003	−11.003	−10.999	0.00237	21	5.000	4.999	4.999	4.998	0.00059
6	−10.000	−10.004	−10.000	−9.999	0.00296	22	6.000	5.997	5.996	5.996	0.00059
7	−9.000	−9.002	−9.004	−8.998	0.00355	23	7.000	6.999	7.002	6.997	0.00296
8	−8.000	−8.003	−8.006	−8.000	0.00355	24	8.000	8.004	8.002	7.998	0.00355
9	−7.000	−7.002	−7.002	−6.998	0.00237	25	9.000	9.001	9.004	8.998	0.00355
10	−6.000	−6.005	−6.005	−5.999	0.00355	26	10.000	10.002	10.002	10.003	0.00059
11	−5.000	−5.006	−5.001	−5.002	0.00296	27	11.000	11.004	11.005	11.005	0.00059
12	−4.000	−4.003	−4.006	−4.006	0.00178	28	12.000	12.003	12.004	11.998	0.00355
13	−3.000	−3.006	−3.003	−3.000	0.00355	29	13.000	13.003	13.007	13.005	0.00237
14	−2.000	−2.003	−2.005	−2.000	0.00296	30	14.000	13.995	13.998	14.001	0.00355
15	−1.000	−1.006	−1.006	−1.003	0.00178	31	15.000	15.006	15.003	15.008	0.00296
16	0.000	−0.002	−0.003	0.003	0.00355	/	/	/	/	/	/

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