用于相鄰孔壁精密測量的電容測孔傳感器

用于相鄰孔壁精密測量的電容測孔傳感器

近年來，對儀器和工藝的精度要求越來越高。長期以來，富有經(jīng)驗(yàn)的工人們對相鄰微盲孔或孔壁的厚度進(jìn)行了測量。由于其精度，它是一個長期問題。如何準(zhǔn)確測量和應(yīng)用孔壁的厚度，以及快速、操作的便利性是作者研究的出發(fā)點(diǎn)。作者描述的三通道電傳感器系統(tǒng)包括兩個孔壁中心的精確測量和孔壁測量，以實(shí)現(xiàn)各種方向上的孔壁測量。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)中規(guī)定的焊接槽壁厚測量的精度可控制在0.5.m以下。1規(guī)范電極顯示電路該系統(tǒng)采用運(yùn)算式測量電路(調(diào)幅式),如圖1所示.測量公式為U=?CsUsεSh=kh(1)U=-CsUsεSh=kh(1)式中:Cs為標(biāo)準(zhǔn)電容,F;Us為標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓信號,V;U為放大器輸出信號,V;h為電極與被測工件間距,m;S為兩極板間面積,m2;ε為介電常數(shù).1.1測頭的設(shè)計(jì)及ct電容傳感器測頭必須使用保護(hù)環(huán)克服電容的邊場效應(yīng),并消除保護(hù)環(huán)與電極間的雜生電容即電容傳感器的邊場效應(yīng)。電容傳感器測頭設(shè)計(jì)如圖2所示.利用如下公式:Cg=C12(1?V1V2)+CT(2)Cg=C12(1-V1V2)+CΤ(2)式中:Cg為測頭總電容,F;C12為電極與保護(hù)環(huán)間雜生電容,F;CT為電極與被測表明間電容,F;V1和V2為電極和保護(hù)環(huán)電位,V.由式(2)可知,運(yùn)用電路實(shí)現(xiàn)V1與V2相等,即可使測頭總電容等于電極所產(chǎn)生的電容,即消除了邊場效應(yīng).1.2保護(hù)環(huán)的最佳寬度理論上,保護(hù)環(huán)寬度應(yīng)無窮大才可完全消除邊場效應(yīng),但考慮到標(biāo)準(zhǔn)卡具尺寸和已往經(jīng)驗(yàn),可知保護(hù)環(huán)的最佳寬度為有效電極尺寸與3倍極板間距離之和.1.3電子表格測試1.3.1電極測量電極成圓柱形,當(dāng)其處于被測孔中心位置時(shí),忽略傳感器邊緣效應(yīng)影響,測頭與被測孔間電容量為C=2πεLm/ln(R/r)(3)式中:C為傳感器電極1與被測孔3之間電容,F;ε為介電常數(shù),空氣中取值ε0=8.85415×10-12F/m;Lm為測量電極長度,m;R為被測孔半徑,m;r為測量電極半徑,m.若h表示電極與孔壁之間距離,當(dāng)h=0.1r時(shí),測量產(chǎn)生的理論誤差只有5×10-3.式(1)轉(zhuǎn)化為h=U?2πεLmrUs?Cs(4)h=U?2πεLmrUs?Cs(4)式中:h為測量電極與被測孔之間的間隙,m.由式(4)可見,電容傳感器輸出電壓U與測量電極和被測孔之間的間隙h成線性關(guān)系,測得U即可知被測孔直徑D=d+2h,此處d為測頭直徑.1.3.2電容c與偏心量的關(guān)系以上討論的是測量電極與被測孔同心時(shí)的情況,若有二者偏心時(shí),電容量的計(jì)算公式為C=2πεLmch?1R21+R22?e22R1R2(5)C=2πεLmch-1R12+R22-e22R1R2(5)式中:e為偏心量,m;R1為傳感器測頭半徑,m;R2為被測孔半徑,m;C為傳感器測頭與被測孔之間電容,F;Lm為電極長度,m.電容C與偏心量e的關(guān)系曲線如圖4所示.利用圖4所示關(guān)系曲線,當(dāng)電容最小時(shí)確定為對準(zhǔn)孔心.由于測量電極為環(huán)形電極,小孔中心附近范圍內(nèi)電極兩側(cè)因偏心產(chǎn)生的電容量增減基本被抵消.實(shí)驗(yàn)表明,測頭有1μm的位移可以產(chǎn)生100mV以上的電壓變化;電壓變化不超過10mV時(shí),可認(rèn)為已經(jīng)準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)工件中心.此時(shí)輸出電容量代表小孔孔徑尺寸.1.4ku26式相鄰孔壁的厚度采用2個傳感器進(jìn)行差動式測量,如圖5所示.測量公式為Δh=L-(k1U1+k2U2)(6)式中:Δh為待測厚度,m;L為傳感器兩測頭間距離,m,已知;k1和k2分別為傳感器1和2的比例系數(shù),m/v,由標(biāo)定知;U1和U2分別為傳感器1和2的輸出電壓值,V.測量中,2個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.1.5基于軟件設(shè)計(jì)的數(shù)字模擬視頻處理數(shù)據(jù)的采集與處理部分包含變換電路、RS232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模擬電信號進(jìn)行放大,噪聲處理后,最終轉(zhuǎn)換為模擬電壓值經(jīng)由RS232接口轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給計(jì)算機(jī),軟件對信號處理運(yùn)算,得出被測壁厚.系統(tǒng)采用LabVIEW軟件編程,其8個通道可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對4個相鄰孔壁厚度的測量,操作方便、快捷.圖6為LabVIEW軟件處理流程圖.2系統(tǒng)的測量和模擬試驗(yàn)2.1測量klnr/r的公式將測頭插入一已知尺寸標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)中,尋找最小電容量位置,即小孔中心,瞄準(zhǔn)定位.由公式ln(R/r)=UU0ln(R0/r)(7)ln(R/r)=UU0ln(R0/r)(7)式中:R為被測孔半徑,m;R0為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)半徑,m;r為電容測頭半徑,m;U0為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)時(shí),傳感器的電壓輸出,V;U為傳感器實(shí)測電壓輸出,V.2.2差動測量放線測量由于需要兩套傳感器及其各自轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行差動測量,需要標(biāo)定式(6)中k1和k2兩個系數(shù),故使用兩個高精度量塊進(jìn)行測量,方法同測孔傳感器標(biāo)定過程.2.3模型模擬測量結(jié)果工件如圖7所示.圓柱體上對稱分布上下兩列共8個盲孔,測量上下相鄰兩孔的壁厚及各小孔孔徑.壁厚0.48mm,孔徑3mm.模擬測量結(jié)果如表1和表2所示.測量最大誤差0.31μm,相對誤差1.4×10-4.測量最大誤差0.5μm,相對誤差1.5×10-4.3電容傳感器非接觸精確測量孔壁測量本系統(tǒng)解決了一直以來只能在鏜床加工過程中主觀得出相