摘要： 本文提出了一種應(yīng)用電容傳感器對兩個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)。摘要： 本文提出了一種應(yīng)用電容傳感器對兩個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)。

引言
近年來，隨著科學(xué)技術(shù)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(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)計示意圖

圖3 差動測厚傳感器
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(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。
差動式測厚傳感器
相鄰孔壁的厚度采用兩個傳感器進(jìn)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(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，兩個電容傳感器測頭各自對準(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)字信號傳輸給計算機(jī)，軟件對接受到的信號進(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)行自動比對，即刻顯示檢測結(jié)果并保存。最大限度的消除噪聲的影響是測量電路的關(guān)鍵技術(shù)。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(bǔ)償溫度漂移，修正壁厚讀數(shù)，保證最終結(jié)果的精確。本系統(tǒng)采用了Lab VIEW軟件進(jìn)行編程，其八個通道可同時實(shí)現(xiàn)對四個相鄰孔壁厚度的測量，操作方便、快捷。

系統(tǒng)標(biāo)定及模擬實(shí)驗(yàn)
由于需要兩套傳感器及其各自的轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行差動測量，需要標(biāo)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(jìn)行測量來確定測厚傳感器標(biāo)定。
經(jīng)上述方法標(biāo)定后，實(shí)驗(yàn)室利用自備工件進(jìn)行了模擬測量，結(jié)果如表1。
測量最大誤差為0.31mm，相對誤差為1.4×10-4。
由于實(shí)驗(yàn)為利用自備工件和簡易測頭進(jìn)行的可行性實(shí)驗(yàn)，故條件有限，測量結(jié)果有望進(jìn)一步提高。

結(jié)語
本系統(tǒng)解決了一直以來只能在鏜床加工過程中主觀的得出相鄰小孔孔壁厚度的問題。提供了用電容傳感器非接觸精確測量孔壁的方法。本系統(tǒng)操作簡單，使用方便，測量精度0.3mm以下，配以筆記本電腦全套儀器便攜，并且采用八通道測量可以同時測量4個孔壁厚度是對此類幾何量進(jìn)行現(xiàn)場精密測量的好方法。