基于非接触电容传感器的深孔内径测量系统

机械测试技术，对深孔直线度的测量，sci英文文献翻译，节省时间。

基于非接触电容传感器的深孔内径测量系统

• 摘要
  • 提出了一种具有电容传感器的精密深孔小孔径测量系统。基于非接触式电容传感器的工作原理，研究了量规头边缘效应的影响，提出了一种用于测量小盲孔或通孔孔径的电容传感器。该系统由一个定位装置，一个孔径测量电容传感器，一个测量电路和软件组成。该系统采用视觉CCD和二维微调机构，实现了精确定位。通过LabView软件，可以控制此系统自动运行，执行校准和自动数据收集，以及将数据直接导入数据库。实验证明，该系统的直径测量范围为1.8 mm–7 mm，分辨率可达5 nm–10 nm，重复性测量标准偏差为0.05 µm–0.1 µm，测量不确定度可达到0.15微米-0.3微米。因此该测量系统可以实现纳米级的测量。
• 1.电容传感器
  • 1.1电容传感器原理
    • 电容（C）由板（S）的重叠面积，板分离距离（d）和板之间的材料的介电常数（ε）确定。在典型系统中，电容探针充当板中的一个，而被测目标充当另一个。间隙内材料的介电特性通常与探针的面积保持恒定；因此，引起电容变化的唯一变量是探头到目标的距离[2]。采用以下方法，系统将该变化的电容转换为与探头间隙成比例的线性电压。
    • 电容传感器
  • 1.2系统线性化
    • 调幅放大系统被引入到小深孔的孔径测量中，测量电路的开环增益大于95 db.公式1其中Cs是标准电容（F）;Us美国固定幅度电源（V），电压偏移必须小于0.01％；U为放大系统输出电压（V）； d电极与工件之间的距离（m）； S为电极的重叠面积（m2）； ε介电常数； k比例系数，和（2）。因此，在等式（1）中，系统将该变化的电容转换为与探头间隙（d）成比例的线性电压
  • 1.3消除量规边缘效应的影响
    • 为了保持高度线性的响应，在间隙中建立均匀的电场很重要。为了实现这一目标，本文采用了“防护”探测方法。通过设计，探针环完全被保护环完全包围，该保护环以与探针感应区域相同的电位和相位精确驱动。这不仅消除了噪声的任何外部影响，而且还减少了磁场对被测目标的“条纹”。通过这种方法可以获得超过满量程测量范围0.1％的线性度。量规头的结构如图2所示。
    • 量规头结构
  • 1.4孔径测量电容传感器
    • 1.4.1非接触式孔径测量电容传感器的原理
      • 当圆柱状测量电极位于孔的中心时，量表头与金属孔之间的电容可以通过公式（3）计算出：其中C是电极和孔之间的电容（F）；电极高度Lm（m）; R测量孔的半径（m）；电极的r半径（m）如果d表示电极与孔壁之间的距离，则在间隙d等于0.1r的前提下，相对测量误差仅为5×10-3，然后将等式（1）转换为（4），在等式（4）中，输出电压U与距离d之间的关系是线性的。如果测量出U，则测量孔的孔径是r和h之和的两倍。
    • 1.4.2偏心情况
      • 式（3）是在如上所述的量规头和孔的同心度的前提下。如果存在偏心，则将电容测量方程式（3）转换为(5),其中e是离心率（m）
      • 由式（5）可知，电极与孔之间的电容与偏心率的平方呈反双曲余弦关系，如图3所示。电容与偏心率的关系曲线图。从图3可以看出，当电容最小时，由于电极是环形的，所以表头正好位于孔的中心，因为电容的减小抵消了由于电极一侧偏心引起的电容增大。在另一边。实验证明，表头的一微米位移可带来约100 mV的输出电压变化。当电压的变化不超过10 mV时，将表头视为孔的中心。此时，电容可用于计算金属孔的孔径。
    • 1.4.3驱动电缆原理
      • 保护环用于消除量规头边缘效应的影响。保护环的原理如图4所示。第一部分是测量探针，第二部分是防护罩环，第3部分绝缘层，第4部分外部保护层（接地）。 V1是接地与测量头之间的电压，V2是内部绝缘层与接地之间的电压。护环原理图
      • 表示Cg测量头的总电容，保护环与测量探头之间的C12电容以及测量探头与工件之间的Cr电容，则杂散电容C12可以通过以下公式计算：当V1等于V2时，消除了由保护环产生的杂散电容C12。
      • 驱动电缆用于减少杂散电容和外部干扰的影响。不完整的驱动电缆技术被用于降低电路的成本和复杂性。其原理如图5所示。测量探头通过电缆的芯线与放大器的Σ点相连，电缆的内屏蔽层与保护环相连。工件的孔（另一个电极，与传感器的外壳相连）与地面相连，以避免外部干扰。假设Vcab是内屏蔽层与地面之间的电压，芯线与接地之间的VCT电压接地和一个放大参数，然后
        • 驱动电缆不完整的原理
      • 保护环产生的杂散电容ΔC为(10)假设C12 = 200 pF，A = 50 000，那么ΔC= 0.004 pF。如果参数A足够大，则杂散电容的影响很小。这样我们就可以达到很高的测量精度。
• 2电容式非接触式测量系统
  • 2.1测量系统的结构
    • 如图6所示，该系统由步进电机，二维定位装置，CCD摄像机，探头，整流滤波电路，数据采集卡，图像采集卡和电机驱动卡组成。二维尺寸定位装置，夹具，步进电机和CCD摄像机固定在工作台上。夹具用于固定环规，传感器和工件。二维定位装置用于调节传感器的X和Y方向位置。步进电机用于调节工件的垂直方向位置，以使光圈在传感器测量的不同深度处。 CCD相机用于拍摄圆柱形固定头和传感器头的顶部，以产生放大的图像，从而初步使它们的中心保持一致。处理电路用于消除杂散电容噪声，并将不同的直径值转换为显示在前面板上并传输到计算机的线性数字输出电压。该计算机软件执行数据处理和数据存储。
    • 测量系统的结构
  • 2.2系数的确定和测量
    • 该系统可以用四种不同规格的电容传感器测量Ф2.4mm，Ф2.92mm，Ф3.5mm，Ф7mm四个系列的孔径值范围。每个系列的传感器均通过四个已知直径值不同的标准环进行校准。通过测量四个不同直径的电压值，进行线性拟合，以获得线性函数的斜率k和截距b。因此，电压与孔径的关系为y = kx + b，其中x为电压，y为孔径。然后通过测量输出电压，可以相应地计算出工件的孔径。该系统由LabView软件控制。系统可以自动进行测量
  • 2.3模拟实验
    • 本实验以系统中的Φ3.5mm系列为例。电容孔径测量传感器和Φ3.5mm系列标准环如图7所示。在校准实验中，标准环的直径约为3.5 mm。结果如表1所示。然后，我们在表1中使用上述校准结果再次测量这些标准环规，以获得标准环规的指示误差。结果如表2所示。
    • 表1Φ3.5mm系列传感器的标定实验数据
    • 传感器探头
    • 标准环规
    • Tab.2指示标准环规的误差测量
    • 从表2中可以看出，该系统系列的指示误差在0.002 µm至0.076 µm之间，平均值为0.039 µm。由于校准误差是由标准环规的标称值误差引起的，因此校准误差导致无法进一步增强系统指示误差的效果。为了获得标准环规的重复性测量标准偏差和测量不确定度，我们对标称值Φ3.5101 mm的标准环规进行了十次测量。结果显示在表3中。
    • 表3标准环规Φ3.5101 mm的重复性测量
    • 在Tab.3中，我们可以看到重复性度量标准偏差为0.082 µm，测量不确定度为0.246 µm。在工件测量实验中，以直径约3.5mm，长度约50mm的工件为例。以上系数校准结果用于测量系统。结果如表4所示。
    • Tab.4工件的测量结果
    • 从表4的数据可以看出，工件内径的测量结果为Φ3499.47 µm，最大值为Φ3499.68 µm，最小值为Φ3499.32 µm，加工公差为0.36 µm。系统的直径测量值和加工公差与以前的测量结果一致。
• 3结论
  • 所提出的系统可以精确地测量小深孔的孔径，这是低精度的一个棘手的问题。电容传感器原为介绍了对小深孔孔径的测量。借助当前的微加工技术，量规头可以做得很小，可以测量几毫米的孔的孔径。实验证明，整个系统的直径测量范围可以从Φ1.8mm到Φ7mm，分辨率可以达到5 nm-10 nm，重复性测量标准偏差可以在0.05 µm-0.1µm范围内进行测量。不确定度可以达到0.15 µm至0.3 µm。因此，该非接触式系统是便携式，自动的，并具有很高的测量精度并提供快速响应。