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(duì)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(duì)儀器及工件的精密性要求也越來越高。一直以來,對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(lì)電源(mV),要求漂移0.01%以下;U —放大器輸出信號(hào)(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(dòng)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(dòng)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(duì)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(hào)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(hào)傳輸給計(jì)算機(jī),軟件對(duì)接受到的信號(hào)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(dòng)比對(duì),即
