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： 本文提出了一種應用電容傳感器對兩個微小盲孔間相鄰孔壁加工過程中進行精密檢測的系統(tǒng)。
關鍵詞： 電容傳感器；現(xiàn)場檢測；非接觸測量；Lab VIEW；孔壁
引言
近年來，隨著科學技術的不斷發(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驗的工人通過手工進行大概測量，精度始終不易達到要求，成為一個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，又能達到現(xiàn)代化科學對快速和操作簡便的要求是本文研究的出發(fā)點。本文所描述的三通道電容傳感器系統(tǒng)集兩孔中心的瞄準測量和孔壁測量于一體，實現(xiàn)了對任意方向的小孔孔壁的非接觸、簡便、精密的測量。實驗證明系統(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)采用調幅式運算放大電路，其電路如圖1所示。

圖1 測量電路

圖2 測頭內部設計示意圖

圖3 差動測厚傳感器
測量公式為：
       (1)
式中：CS —標準電容(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
由于電容傳感器測頭都必須使用保護環(huán)來克服電容的邊場效應。再消除保護環(huán)與電極間的雜生電容即克服了電容傳感器的邊場效應，實驗采用的電容傳感器測頭的設計如圖2所示。1為測量電極，2為保護環(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—電極和保護環(huán)的電位(mV)。
由公式(2)可知，運用電路來實現(xiàn)V1，V2相等，即可使測頭總電容等于電極產生的電容，也就是消除了邊場效應。
保護環(huán)的寬度選擇
理論上保護環(huán)的寬度應無窮大才可完全消除邊場效應，但是考慮到標準卡具的尺寸且根據(jù)經驗知道保護環(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傳感器進行差動式測量。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)，由標定知；k2 —傳感器2的比例系數(shù)(mm/mV)，由標定知；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，兩個電容傳感器測頭各自對準相鄰孔壁的一側，與接地的金屬孔壁構成電容。公式3中，L為已知。k1和k2由標定確定。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行放大，處理噪聲等，最終轉換成一定的模擬電壓值經由USB接口轉換成數(shù)字信號傳輸給計算機，軟件對接受到的信號進行處理運算得出被測壁厚的讀數(shù)，并可與標準值進行自動比對，即刻顯示檢測結果并保存。最大限度的消除噪聲的影響是測量電路的關鍵技術。此外，根據(jù)軟件記錄的傳感器在一定溫度下長時間工作的溫漂曲線來補償溫度漂移，修正壁厚讀數(shù)，保證最終結果的精確。本系統(tǒng)采用了Lab VIEW軟件進行編程，其八個通道可同時實現(xiàn)對四個相鄰孔壁厚度的測量，操作方便、快捷。

系統(tǒng)標定及模擬實驗
由于需要兩套傳感器及其各自的轉換電路進行差動測量，需要標定公式3中k1和k2兩個系數(shù)，所以使用兩個精度為0.04mm的高精度的量塊進行測量來確定測厚傳感器標定。
經上述方法標定后，實驗室利用自備工件進行了模擬測量，結果如表1。
測量最大誤差為0.31mm，相對誤差為1.4