小盲孔相鄰孔壁加工過程現(xiàn)場檢測系統(tǒng)

2004年10月A版

摘要： 本文提出了一種應(yīng)用電容傳感器對兩個(gè)微小盲孔間相鄰孔壁加工過程中進(jìn)行精密檢測的系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 電容傳感器；現(xiàn)場檢測；非接觸測量；Lab VIEW；孔壁
引言
近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對儀器及工件的精密性要求也越來越高。一直以來，對相鄰的微小盲孔或通孔的孔壁厚度測量都是由富有經(jīng)驗(yàn)的工人通過手工進(jìn)行大概測量，精度始終不易達(dá)到要求，成為一個(gè)長期難以解決的問題。如何做到既能精確的測量出孔壁的厚度，又能達(dá)到現(xiàn)代化科學(xué)對快速和操作簡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)測量和孔壁測量于一體，實(shí)現(xiàn)了對任意方向的小孔孔壁的非接觸、簡便、精密的測量。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)對工件孔壁的壁厚測量的精度為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 測量電路

圖2 測頭內(nèi)部設(shè)計(jì)示意圖

圖3 差動測厚傳感器
測量公式為：
       (1)
式中：CS —標(biāo)準(zhǔn)電容(pF)；US —穩(wěn)幅激勵電源(mV)，要求漂移0.01%以下；U —放大器輸出信號(mV)；h —電極與被測工件間距(mm)；S —兩極板間面積(mm2)；k —比例系數(shù)，k，ε 為介電常數(shù)。
消除邊場效應(yīng)
由于電容傳感器測頭都必須使用保護(hù)環(huán)來克服電容的邊場效應(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效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)采用的電容傳感器測頭的設(shè)計(jì)如圖2所示。1為測量電極，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)用電路來實(shí)現(xiàn)V1，V2相等，即可使測頭總電容等于電極產(chǎn)生的電容，也就是消除了邊場效應(yīng)。
保護(hù)環(huán)的寬度選擇
理論上保護(hù)環(huán)的寬度應(yīng)無窮大才可完全消除邊場效應(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。
差動式測厚傳感器
相鄰孔壁的厚度采用兩個(gè)傳感器進(jìn)行差動式測量。其測量如圖3所示。
測量公式為：
Dh=L-(k1U1+k2U2)     (3)
式中：Δh —待測厚度(mm)；L —傳感器兩測頭間距離(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)。
測量中，兩個(gè)電容傳感器測頭各自對準(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量得到的微弱的模擬電信號進(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)字信號傳輸給計(jì)算機(jī)，軟件對接受到的信號進(jìn)行處理運(yùn)算得出被測壁厚的讀數(shù)，并可與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行自動比對，即刻顯示檢測結(jié)果并保存。最大限度的消除噪聲的影響是測量電路的關(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時(shí)間工作的溫漂曲線來補(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)對四個(gè)相鄰孔壁厚度的測量，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)行差動測量，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)行測量來確定測厚傳感器標(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)行了模擬測量，結(jié)果如表1。
測量最大誤差為0.31mm，相對誤差為1.4