小盲孔相邻孔壁加工过程现场检测系统

摘要： 本文提出了一种应用电容传感器对两个微小盲孔间相邻孔壁加工过程中进行精密检测的系统。摘要： 本文提出了一种应用电容传感器对两个微小盲孔间相邻孔壁加工过程中进行精密检测的系统。

引言
近年来，随着科学技术的不断发展，对仪器及工件的精密性要求也越来越高。一直以来，对相邻的微小盲孔或通孔的孔壁厚度测量都是由富有经验的工人通过手工进行大概测量，精度始终不易达到要求，成为一个长期难以解决的问题。如何做到既能精确的测量出孔壁的厚度，又能达到现代化科学对快速和操作简便的要求是本文研究的出发点。本文所描述的三通道电容传感器系统集两孔中心的瞄准测量和孔壁测量于一体，实现了对任意方向的小孔孔壁的非接触、简便、精密的测量。实验证明系统对工件孔壁的壁厚测量的精度为0.3微米。
电容传感器
本系统采用调幅式运算放大电路，其电路如图1所示。

图1 测量电路

图2 测头内部设计示意图

图3 差动测厚传感器
测量公式为：
       (1)
式中：CS —标准电容(pF)；US —稳幅激励电源(mV)，要求漂移0.01%以下；U —放大器输出信号(mV)；h —电极与被测工件间距(mm)；S —两极板间面积(mm2)；k —比例系数，k，ε 为介电常数。
消除边场效应
由于电容传感器测头都必须使用保护环来克服电容的边场效应。再消除保护环与电极间的杂生电容即克服了电容传感器的边场效应，实验采用的电容传感器测头的设计如图2所示。1为测量电极，2为保护环，3为绝缘层，4为外壳。利用如下公式：
     (2)
其中：Cg—测头总电容(pF)；C12—电极与保护环间杂生电容(pF)；CT—电极与被测表明间电容(pF)；V1,V2—电极和保护环的电位(mV)。
由公式(2)可知，运用电路来实现V1，V2相等，即可使测头总电容等于电极产生的电容，也就是消除了边场效应。
保护环的宽度选择
理论上保护环的宽度应无穷大才可完全消除边场效应，但是考虑到标准卡具的尺寸且根据经验知道保护环的宽度为有效电极尺寸与三倍的极板间距离之和效果最佳。
差动式测厚传感器
相邻孔壁的厚度采用两个传感器进行差动式测量。其测量如图3所示。
测量公式为：
Dh=L-(k1U1+k2U2)     (3)
式中：Δh —待测厚度(mm)；L —传感器两测头间距离(mm)，为已知；k1 —传感器1的比例系数(mm/mV)，由标定知；k2 —传感器2的比例系数(mm/mV)，由标定知；U1 —传感器1的输出电压值(mV)；U2 —传感器2的输出电压值(mV)。
测量中，两个电容传感器测头各自对准相邻孔壁的一侧，与接地的金属孔壁构成电容。公式3中，L为已知。k1和k2由标定确定。根据电压U1和U2可得到Δh。
数据采集与处理
数据的采集与处理部分，包含变换电路，USB接口和软件处理部分。其中，变换电路将传感器测量得到的微弱的模拟电信号进行放大，处理噪声等，最终转换成一定的模拟电压值经由USB接口转换成数字信号传输给计算机，软件对接受到的信号进行处理运算得出被测壁厚的读数，并可与标准值进行自动比对，即刻显示检测结果并保存。最大限度的消除噪声的影响是测量电路的关键技术。此外，根据软件记录的传感器在一定温度下长时间工作的温漂曲线来补偿温度漂移，修正壁厚读数，保证最终结果的精确。本系统采用了Lab VIEW软件进行编程，其八个通道可同时实现对四个相邻孔壁厚度的测量，操作方便、快捷。

系统标定及模拟实验
由于需要两套传感器及其各自的转换电路进行差动测量，需要标定公式3中k1和k2两个系数，所以使用两个精度为0.04mm的高精度的量块进行测量来确定测厚传感器标定。
经上述方法标定后，实验室利用自备工件进行了模拟测量，结果如表1。
测量最大误差为0.31mm，相对误差为1.4×10-4。
由于实验为利用自备工件和简易测头进行的可行性实验，故条件有限，测量结果有望进一步提高。

结语
本系统解决了一直以来只能在镗床加工过程中主观的得出相邻小孔孔壁厚度的问题。提供了用电容传感器非接触精确测量孔壁的方法。本系统操作简单，使用方便，测量精度0.3mm以下，配以笔记本电脑全套仪器便携，并且采用八通道测量可以同时测量4个孔壁厚度是对此类几何量进行现场精密测量的好方法。