电容传感器测量小盲深孔孔径系统的设计

电容传感器测量小盲深孔孔径系统的设计

洞测量是几何量测量的重要组成部分，其特点是测量对象的活动空间有限，操作调整方便，测量速度慢，尤其是大孔和深孔。随着微型化和高精度技术的发展，加工孔的尺寸精度达到了微米级，其中大部分为深孔、盲孔、球形碗或半球碗。然而，在国际上，对每个小细胞的大小和形状的误差进行测量，尤其是对于深度比较大的小细胞（包括盲孔），这是非常空白。目前国内外所采用的孔径测量方法可以分为接触式测量和非接触式测量,其中接触式测量主要有坐标测量机测量法、电接触法.坐标测量机测量法,是在三坐标测量机上,利用测球与孔壁接触感受并存储测球的坐标值而实现对孔的测量,但操作复杂,特别是接触力的影响会引起测杆和测头的机械变形,容易造成较大的误差;电接触法是利用测头与孔壁接触的瞬间使电路通电,进行瞄准测量,x、y方向位移由步进电机给定,但测量精度很低.非接触测量主要有光学方法、气动方法和电容法.光学法是一种早期出现的应用较广泛的测孔方法,大多只能测量大孔,且孔端面的任何毛刺缺陷都会影响精度.气动式测量小孔,只综合地反映通孔对气体流经过它时的影响,属于孔截面测量,而不能测得任意截面的尺寸和形状误差.电容法具有结构简单、测量范围大、灵敏度高、动态响应快、稳定性好的优点,此外它一般采用空气介质,介质损耗小,能进行高倍放大以获得高灵敏度,且其电容量一般来说与电极材料无关,发热很少,因而零点漂移小.本课题采用的精密测量小深孔内径的测量仪器是使用变极距型的电容式传感器即电容探针(也可称为电容式电子塞规),同时还采用了多项关键技术保证了信号准确的采集和处理.1测量开口的原理1.1传感器边缘效应电容传感器的工作原理是利用物理量变化使电容器的一个参数发生变化的方法来实现信号变换的.本文采用变极距型的电容式传感器,测量时将传感器插入被测孔中,要保证传感器的有效测量电极与被测孔不接触,传感器外壳与被测孔应共接地且应尽量保持传感器与被测孔方向平行.其测量示意图如下图1所示,电容传感器的等位环有两个,对称地分布于有效测量电极的两边;绝缘层的作用是将有效测量电极、等位环和传感器外壳分别分隔开来;有效测量电极也作成了圆环形.当电容传感器在被测孔中间位置时,并且忽略了传感器边缘效应的影响,则传感器与被测孔之间形成的电容量为:C=2πεLmln(Rr)(1)C=2πεLmln(Rr)(1)式中:C—传感器有效测量电极3与被测孔5之间的电容/F;ε—介电常数;Lm—测量电极长度/m;R—被测孔的半径/m;r—传感器半径/m当r≫d时,ln(Rr)=drln(Rr)=dr则有:C=2πεLmrd=ε×Sd(2)C=2πεLmrd=ε×Sd(2)由此可见,当被测孔径发生变化时,传感器的电容量也就随之变化,把此变化量通过适当的电子测量线路加以转换放大处理,即可得到被测孔径的变化量.以上讨论的是有效测量电极与被测孔同心时的情况,若二者有偏心时,电容C与偏心量平方e2成反双曲余弦关系.尽管如此,由于有效测量电极为环形电极,小孔附近范围内电极两侧因偏心产生的电容量增减基本被抵消.1.2测量技术1.2.1电容传感器的非线性误差由式(2)可知,传感器与被测孔之间形成的电容量和它们两者的间距不是线性关系,而运算放大器式电路具有克服变极距型电容传感器的原理非线性的能力.由式(2)和运算式放大电路原理可得:d=2πLmr×V0Cs×Vs(3)d=2πLmr×V0Cs×Vs(3)显然,输出电压V0与传感器有效电极和被测孔之间的间距d成线性关系,这就从原理上保证了变极距型电容传感器的线性.这里是假设放大器开环放大倍数A=∞,输入阻抗Zi=∞,因此仍然存在一定的非线性误差,但一般A和Zi足够大,所以这种误差很小.1.2.2电缆电容与其它等效电容的复合为了消除外来干扰和引线的有害寄生电容的影响,传感器与仪器的连线就要有一定的屏蔽措施.但这样一来会使电缆电容并联到传感器电容上,为了解决这一矛盾,一般采用如图3所示驱动电缆技术.此电路是利用运算放大器的虚地来减小电缆寄生电容的影响.电缆的屏蔽层与等位环相连共接传感器地,因而大大减小了电缆电容的影响.被测孔作为另一电极经传感器外壳(外屏蔽层)接大地,以防止外电场的干扰.实际上,这是一种不完全的电缆驱动技术.设内屏蔽层对大地的电压为Vcab,芯线对大地的电压为VCT,放大器的开环放大倍数为A,由于:Vcab=-V0=V∑A(4)VCT=V∑(1+A)(5)所以,ΔV=VCT-Vcab=V∑(6)电缆电容所产生的附加等效电容为:ΔC=CcabΔVVCT=CcabV∑V∑(1+A)=Ccab1+A≈CcabA(7)ΔC=CcabΔVVCΤ=CcabV∑V∑(1+A)=Ccab1+A≈CcabA(7)式中Ccab为电缆内屏蔽层对芯线的电容.若Ccab=200pF,A=50000,则:C=200/50000=0.004pF.由此可见,尽管仍存在电缆寄生电容的影响,但选择A足够大时,可得到所需的测量精度.2电容探针电容量的检测电容传感器测量小深孔内径系统的组成如图4所示.电容传感器插入小孔中,将有效测量电极与孔壁的间距转换为传感器电容量的变化,利用运算式放大电路测出电容探针电容量的变化,并将其转化为电压量显示在数字面板表上;同时通过USB接口的数据采集卡将电压模拟量转化为数字量输入到计算机或笔记本电脑中,利用已经得到的标定系数和软件算法将其小孔内径直接显示在电脑屏幕上,并根据需要将数据记录.将电容传感器测量小孔内径系统组装好,先预热2～3h,之后再进行测量.测量时需要通过较为合理的工装结构来避免传感器有效测量电极与孔内壁的接触,且保证传感器竖直.3比例系数k值的计算本标定试验使用一系列的标准环规,它们的内径由小到大,且差值为定值,并利用自行编制的采集软件进行实验,软件结构图如图5所示.基本标定步骤如下:①将电容传感器测量小孔内径系统组装好,运行软件,将转换系数设为1,此时软件所显示的就是仪器输出的电压值.②准备工作做好后,将一系列的标准环规按由小到大的顺序进行测量,并记录下与各标准环规输入值相对应的输出值,然后再按由大到小的顺序进行测量,同时再记录下与各标准环规输入值相对应的输出值.③根据所测得的一系列数,计算比例系数k.由于各标准环规之间的孔径差已知,电容传感器测量它们时的输出电压也由软件显示记录下来了,因此只要将相应的相近标准环规之间的孔径差除以它们的测量电压差就得到了比例系数k的值,再将这一系列k值求平均就得到了较精确的比例系数.标定实验,即测定分辨力实验的数据如表1所示,这里使用孔径有一定差距的标准孔件.将这三个孔两两求孔径差和电压差,其孔径差和电压差的比为对应的两孔之间的比例系数,计算过程如下:1号和2号:K1=(2.940-2.8959)/(3.2714-3.0784)≈0.22852号和3号:K2=(2.9035-2.8959)/(3.1143-3.0784)≈0.21173号和1号:K3=(2.940-2.9035)/(3.2714-3.1143)≈0.2323求出它们的平均值:K≈0.2242mm/V,即比例系数为0.2242mm/V;灵敏度为1/K≈4.46mV/μm.4测量结果的标定和测量数据分析Φ3mm电容传感器测孔系统实验使用的被测孔件的编号和孔径,这些孔径是使用万能工具显微镜测得的(4号2.900mm;5号2.940mm;6号2.985mm).在该实验中记录的为仪器的显示的电压值,即对应的孔径值,实验的目的是检验仪器的重复性、稳定性等特性.重复性实验的部分实验数据如表1所示,每次测量都将孔转过了一定的角度再放入传感器测量,待示数稳定后读数.由上述标定实验测量结果可看出,此Φ3mm电容传感器测量小孔内径系统对于孔径较相近的被测孔也可分辨出来.并且测定分辨力的实验中,可明显看出系统的比例系数线性关系.在应用Φ3mm电容传感器进行重复性试验时,平均电压偏差只有5mV.温度稳定性试验数据如图6所示,实验时间从18点至次日早上9点,温度漂移峰峰值小于20mV.特别是在0点以后,温度漂移峰峰值为12mV.5孔径检测系统稳定性分析该测量系统在测量大孔径被测物时,重复性较良好.但当孔径较小时,由于有效测量电极与孔壁间距小,对微小的错动比起孔径较小时更加灵敏,且存在被