小盲孔相鄰孔壁加工過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)

2004年10月A版

摘要： 本文提出了一種應(yīng)用電容傳感器對(duì)兩個(gè)微小盲孔間相鄰孔壁加工過(guò)程中進(jìn)行精密檢測(cè)的系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 電容傳感器；現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)；非接觸測(cè)量；Lab VIEW；孔壁
引言
近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)儀器及工件的精密性要求也越來(lái)越高。一直以來(lái)，對(duì)相鄰的微小盲孔或通孔的孔壁厚度測(cè)量都是由富有經(jīng)驗(yàn)的工人通過(guò)手工進(jìn)行大概測(cè)量，精度始終不易達(dá)到要求，成為一個(gè)長(zhǎng)期難以解決的問(wèn)題。如何做到既能精確的測(cè)量出孔壁的厚度，又能達(dá)到現(xiàn)代化科學(xué)對(duì)快速和操作簡(jiǎn)便的要求是本文研究的出發(fā)點(diǎn)。本文所描述的三通道電容傳感器系統(tǒng)集兩孔中心的瞄準(zhǔn)測(cè)量和孔壁測(cè)量于一體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意方向的小孔孔壁的非接觸、簡(jiǎn)便、精密的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)對(duì)工件孔壁的壁厚測(cè)量的精度為0.3微米。
電容傳感器
本系統(tǒng)采用調(diào)幅式運(yùn)算放大電路，其電路如圖1所示。

圖1 測(cè)量電路

圖2 測(cè)頭內(nèi)部設(shè)計(jì)示意圖

圖3 差動(dòng)測(cè)厚傳感器
測(cè)量公式為：
       (1)
式中：CS —標(biāo)準(zhǔn)電容(pF)；US —穩(wěn)幅激勵(lì)電源(mV)，要求漂移0.01%以下；U —放大器輸出信號(hào)(mV)；h —電極與被測(cè)工件間距(mm)；S —兩極板間面積(mm2)；k —比例系數(shù)，k，ε 為介電常數(shù)。
消除邊場(chǎng)效應(yīng)
由于電容傳感器測(cè)頭都必須使用保護(hù)環(huán)來(lái)克服電容的邊場(chǎng)效應(yīng)。再消除保護(hù)環(huán)與電極間的雜生電容即克服了電容傳感器的邊場(chǎng)效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)采用的電容傳感器測(cè)頭的設(shè)計(jì)如圖2所示。1為測(cè)量電極，2為保護(hù)環(huán)，3為絕緣層，4為外殼。利用如下公式：
     (2)
其中：Cg—測(cè)頭總電容(pF)；C12—電極與保護(hù)環(huán)間雜生電容(pF)；CT—電極與被測(cè)表明間電容(pF)；V1,V2—電極和保護(hù)環(huán)的電位(mV)。
由公式(2)可知，運(yùn)用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)V1，V2相等，即可使測(cè)頭總電容等于電極產(chǎn)生的電容，也就是消除了邊場(chǎng)效應(yīng)。
保護(hù)環(huán)的寬度選擇
理論上保護(hù)環(huán)的寬度應(yīng)無(wú)窮大才可完全消除邊場(chǎng)效應(yīng)，但是考慮到標(biāo)準(zhǔn)卡具的尺寸且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知道保護(hù)環(huán)的寬度為有效電極尺寸與三倍的極板間距離之和效果最佳。
差動(dòng)式測(cè)厚傳感器
相鄰孔壁的厚度采用兩個(gè)傳感器進(jìn)行差動(dòng)式測(cè)量。其測(cè)量如圖3所示。
測(cè)量公式為：
Dh=L-(k1U1+k2U2)     (3)
式中：Δh —待測(cè)厚度(mm)；L —傳感器兩測(cè)頭間距離(mm)，為已知；k1 —傳感器1的比例系數(shù)(mm/mV)，由標(biāo)定知；k2 —傳感器2的比例系數(shù)(mm/mV)，由標(biāo)定知；U1 —傳感器1的輸出電壓值(mV)；U2 —傳感器2的輸出電壓值(mV)。
測(cè)量中，兩個(gè)電容傳感器測(cè)頭各自對(duì)準(zhǔn)相鄰孔壁的一側(cè)，與接地的金屬孔壁構(gòu)成電容。公式3中，L為已知。k1和k2由標(biāo)定確定。根據(jù)電壓U1和U2可得到Δh。
數(shù)據(jù)采集與處理
數(shù)據(jù)的采集與處理部分，包含變換電路，USB接口和軟件處理部分。其中，變換電路將傳感器測(cè)量得到的微弱的模擬電信號(hào)進(jìn)行放大，處理噪聲等，最終轉(zhuǎn)換成一定的模擬電壓值經(jīng)由USB接口轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，軟件對(duì)接受到的信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算得出被測(cè)壁厚的讀數(shù)，并可與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)，即刻顯示檢測(cè)結(jié)果并保存。最大限度的消除噪聲的影響是測(cè)量電路的關(guān)鍵技術(shù)。此外，根據(jù)軟件記錄的傳感器在一定溫度下長(zhǎng)時(shí)間工作的溫漂曲線來(lái)補(bǔ)償溫度漂移，修正壁厚讀數(shù)，保證最終結(jié)果的精確。本系統(tǒng)采用了Lab VIEW軟件進(jìn)行編程，其八個(gè)通道可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)相鄰孔壁厚度的測(cè)量，操作方便、快捷。

系統(tǒng)標(biāo)定及模擬實(shí)驗(yàn)
由于需要兩套傳感器及其各自的轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行差動(dòng)測(cè)量，需要標(biāo)定公式3中k1和k2兩個(gè)系數(shù)，所以使用兩個(gè)精度為0.04mm的高精度的量塊進(jìn)行測(cè)量來(lái)確定測(cè)厚傳感器標(biāo)定。
經(jīng)上述方法標(biāo)定后，實(shí)驗(yàn)室利用自備工件進(jìn)行了模擬測(cè)量，結(jié)果如表1。
測(cè)量最大誤差為0.31mm，相對(duì)誤差為1.4