（机械电子工程专业论文）基于微小电容的弹簧检长仪的设计.pdf

武汉理工人学硕士学位论文 摘要 随着科学技术和现代工业的飞速发展，对精密测量仪器的分辨力、精度和 稳定性的要求也越来越高，基于此本文提出了一种基于微小电容的精密测量微 小位移的弹簧检长仪的设计，并对基于微小电容的弹簧检长仪的工作原理及其 关键技术做了系统的、详尽的分析论述。 精密弹簧检长仪是一种非接触式精密测量微小相对位移的仪器，具有温度 稳定性好、测量范围大、测量精度高、动态响应好、结构简单等一些优点，适 合应用于现代工业生产测量要求。 精密弹簧检长仪的电容传感器调理电路采用了惠斯登电桥的变型形式，即 由一个固定电容和一个可变电容取代两个电阻，与另外两个电阻组成电容电桥。 传感器结构形式采用圆筒结构形成固定电容，而传感器探头端面与在线生产的 弹簧端面形成可变电容，再配以电阻组成一个电容电桥，将测量微小位移的变 化转化为电信号的变化。这种传感器结构简单，这样用于在线检测时此探头安 装方便，配合后续的高精度的检测电路和p c i 0 4 控制系统，实现了仪器的智能 化。不仅能实现高精度、高效率的非接触测量，而且易于实现动态采样、实时 在线测量的自动化要求，因而在现代的工业测量中具有很广的应用前景。本文 的主要内容归纳如下： 1 ) 设计了传感器结构并加以优化，以能满足本测控系统要求。 2 ) 设计传感器信号的检测电路并确定电路参数。 3 ) 优化测控系统，提高整个系统的稳定性。 关键词：微小电容测量；小位移测量；弹簧检长 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，t e c h n o l o g ya n dm o d e r ni n d u s t r y , t h e r e i sag r e a t e rd e m a n df o r t h ef i n em e a s u r i n gi n s t r u m e n to fh i g h e rp r e c i s i o n ，r e s o l u t i o n a n ds t a b i l i t y t h e r e f o r et h i sp a p e rd e s i g n sas p r i n gl e n g t hm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t b a s e do nt h em i c r o - c a p a c i t a n c e ，w h i c hc a nm e a s u r et h ei n f i n i t e s i m a ld i s p l a c e m e n t a c c u r a t e l y i t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ek e yt e c h n o l o g ya r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y a san o n c o n t a c ts p r i n gl e n g t hm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t ，i th a st h ea d v a n t a g e so f h i g h e rs t a b i l i t ya n dp r e c i s i o n , w i d e rm e a s u r e m e n tr a n g e ，g r e a t e rd y n a m i cr e s p o n s e ， m o r es i m p l es t r u c t u r e i tc a ns a t i s f yt h ed e m a n do fm o d e mi n d u s t r ym e a s u r e m e n t t h ec a p a c i t yt r a n s d u c e rt r a n s l a t i o nc i r c u i ta d o p t st h ev a r i a n tv e r s i o no f w h e a t s t o n eb r i d g e ，w h i c ht w or e s i s t a n c e sa r er e p l a c e db yan a t u r a lc a p a c i t a n c ea n d av a r i a b l ec a p a c i t a n c e s ot h ec a p a c i t a n c eb r i d g ec o n s i s t so ft w or e s i s t a n c e sa n dt h e b o t hc a p a c i t a n c e s t h et r a n s d u c e r s c y l i n d r i c a l s t r u c t u r ef o r m st h en a t u r a l c a p a c i t a n c e a n dt h er a n g eo ft h et r a n s d u c e rp r o b ea n dt h eo n - l i n ep r o d u c i n gs p r i n g f o r mt h ev a r i a b l ec a p a c i t a n c e t h eb o t hc a p a c i t a n c e sw i t ht w or e s i s t a n c e sc o n s t i t u t e t h ec a p a c i t a n c eb r i d g e ，w h i c hm e a s u r e st h ec h a n g eo fe l e c t r i c a ls i g n a lr e p l a c i n g i n f i n i t e s i m a ld i s p l a c e m e n t t h i st r a n s d u c e rs t r u c t u r ei s s i m p l e a n dt h ep r o b e i n s t a l l a t i o ni s v e r yc o n v e n i e n t c o m b i n i n gw i t hs u b s e q u e n th i g h e rp r e c i s i o n d e t e c t i o nc i r c u i ta n dp cl0 4c o n t r o ls y s t e m ，t h i si n s t r u m e n tb e c o m ei n t e l l e c t u a l i z e d i tn o to n l yc a r r i e so u th i g h e rp r e c i s i o na n de f f i c i e n c yn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t ，b u t a l s oc a ns a t i s f yt h ed e m a n do fd y n a m i cs a m p l i n ga n dr e a l t i m eo n l i n ed e t e c t i o n t h e r e f o r et h i si n s t r u m e n th a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h em o d e r ni n d u s t r y t h em a i np o i n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 ) d e s i g na n do p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h es e n s o rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h i sm e a s u r e m e n ts y s t e m 2 ) d e s i g nas e n s o rs i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i ta n dd e f i n et h ec i r c u i tp a r a m e t e r s 3 ) o p t i m i z et h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mt oe n h a n c et h es t a b i l i t yo ft h e w h o l es y s t e m k e y w o r d ：m i c r o c a p a c i t a n c em e a s u r e m e n t ； s m a l ld i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t ； s p r i n gl e n g t hm e a s u r e m e n t i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：盈r 期圣旦堕! 笸 学位论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生( 签名) ： 武汉理工人学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 本课题要研制一种利用电容传感器测量微小位移量的测量仪器，用于弹簧 相对位移量的在线非接触自动测量，可以实现非接触精密测量。 近年来随着现代工业和科学技术的迅速发展，精密加工技术和精密测量技 术越来越代表成为一个国家的科技发展水平。西方发达工业国家无不重视这些 技术，用之实现产品换代，提高产品质量，提高生产效率，提高产品在国际上 的竞争力。微位移测量和微观尺寸加工一样，都涉及到了制造业、制药业、天 文业、电子业及精密仪器制造等各行业。几乎所有西方发达国家都把精密测试 技术作为机械行业发展的首要技术，因为它是困扰机械加工的瓶颈之一，都力 图在新世纪抢占科技方面的这一至高点，以促进各相关行业的进一步发展。如 果说精密测试技术在二十世纪经历了蓬勃发展的时期，那么在二十一世纪该技 术也是机械量测试仪器研究领域中的最重要领域。例如，在二十一世纪机械行 业的科研重点离不开机器人研究和数控机床制造这两个方向，而这两个方向都 与精密测试不无关联。可见精密测试技术的作用不可忽视。欧盟的一项研究报 告指出心1 ：到2 0 1 0 年，包括纳米技术在内的微测试和微加工技术的开发将形 成仅次子芯片制造的第二大制造业，届时这个市场的产值将达到8 0 0 亿美元。 测量技术随着科技的发展而不断的发展，位移测量便是一个重要的测量对 象。从1 9 世纪开始出现的刻线尺，到现在的游标尺、螺旋测微仪及其它机械式 的测微仪，使几何量测量技术向前迈了一大步。但就目前情况而言，在我国大 部分企业中，为了保证产品的质量，花费在测量上的物力和人力比重是相当大 的，无形中增加了产品的生产成本，并且严重影响了工厂生产效率和经济效益。 就微位移测量而言，一方面传统的接触式测量技术跟不上现代工业机械加工、 材料加工的非接触测量的要求，相反己成为提高生产效率和加工精度的制约因 素；另一方面，传统的离线、静态测量技术又同样满足不了现代加工中在线主 动测量的要求，不能及时控制生产过程，因而在生产中经常出现因不能及时测 量产品、控制流程而造成废品的情况，这就影响了产品质量，最终将影响到企 业的经济效益。最后，传统的机械或光电式测量仪器大多不能与微机接口，很 难进行快速、复杂的数据处理，也无法对生产进行实时的在线控制。所以在现 代化的生产企业中，如何能缩减花费在检测方面的时间和人员物力，变被动、 武汉理丁大学硕十学位论文 非自动测量为主动、自动测量，使整个测量过程简单而又精确，是当今许多企 业所迫切要求的，也是在仪器领域里进行研究的技术人员所面临的主要课题之 一 3 】 o 本研究课题就是在这一背景下提出的，研究以能够实现非接触测量、实时 和自动测量三大目的全新弹簧检长仪。此课题的研究也将在弹簧加工过程中实 时长度测量与控制领域中迈出新的一步。 1 2 弹簧检测的国内外现状 在我国，弹簧行业在整个制造行业当中是一个小行业，但其所起到的作用 是绝对不可低估的。国家的工业制造业、汽车工业要更快发展，作为基础零部 件之一的弹簧行业就更加需要有一个发展的超前期，才能适应国家整个工业的 快速发展。另外，弹簧产品规模品种的扩大、质量水平的提高也是机械设备更 新换代的需要和配套主机性能提高的需要，因此，整个国家工业的发展，弹簧 产品是起到重要作用的。做为基础部件的弹簧产品是整个国家工业发展的重要 组成部分，然而我国弹簧企业大多生产的产品质量和精度不高，满足不了需求， 造成这种情况的原因主要是设备的落后和生产材料不能满足要求h 1 。设备包括 生产设备和检测设备，检测设备的优良直接关系着产品的精度。目前，在检测 方面我国与国外还有很大差距。 近年来部分测量仪器在高速化、自动化方面有了明显的进步，在弹簧长度 测量方面一个明显的发展趋势就是非接触式的高速测量，图象测量系统就是一 个明显的例子，比如基于c c d 的弹簧测量系统。 虽然国内现在有很多研究单位在这方面做出了很多成果，但仍达不到国外 产品的精度，所以有很多企业引进国外的检测设备来实现自动测量的目的。国 内在这方面做的比较好的企业深圳市众为兴数控技术有限公司就是一个代表， 该公司采用加拿大d a l s ac o r e c o 集团的i p d 机器视觉系统应用于弹簧长度的测量 中。该系统能够实现测量长度达到o 1 m m 的精度，检测速度最高能达到每分钟 6 0 根。但该系统在使用中存在一些问题： ( 1 )由于弹簧加工时对弹簧丝用油进行润滑，容易污染镜头，造成误差 增大，甚至无法测量。 ( 2 ) 对现场光照条件有一定要求，虽然使用了辅助光源，但不同的弹簧 结构形式对辅助光的反射方向有影响。 近年来随着汽车、电器工业的迅速发展，对汽车、电器用弹簧的制造也提 武汉理丁大学硕士学位论文 出了高精度、高效率、低消耗的要求。国内一些生产企业开始引进国外先进的 生产、检测设备，以提高自己的生产能力和水平，但所需资金巨大，这足以使 一些中小型企业望而却步。与此同时，一些弹簧专业设备生产厂和研究单位也 在努力开发研制新型弹簧专用生产和检测设备，并取得了一些成绩。如山东淄 博中元工程有限公司几年来与日本掘切弹簧制作所合作生产了汽车钢板弹簧全 自动卷耳机、z f 系列板簧弧高预压分选机；北京瑞达事业公司研制并制造的 r d s x 系列自动卷线机等就是新一代的弹簧生产和检测设备。 1 3 本课题的提出和主要内容 正如前面提到的我国弹簧行业的现状，是以中小企业甚至是小手工作坊的 形式，其测量手段是采用游标卡尺进行测量，对一般) m - r 是满足要求的，但在 某些行业如c c d 镜头支撑，其支撑弹簧弹簧要求长度在0 2m m 以内。而目前弹 簧在装配时采用人工分撵，费工费时，因此c c d 生产厂家要求弹簧厂生产时就 控制弹簧长度的相对误差。 在调研中根据厂家要求检测的弹簧丝为直径o 1 一1 1 咖，直径为5 一 中1 01 1 1 1 1 1 的细小弹簧，长度相对误差要求在o 2m m 以内。只要测量值在合理误差 范围内，即为合格产品。因为在此测量过程中，所需要测量的是一个相对量， 不是绝对测量，由此本课题提出了基于微小电容测量的弹簧相对长度在线测量 装置，此装置既能够满足生产企业提高效率和精度的要求，同时又符合价格低 廉的条件。 本测量装置采用微小电容将弹簧长度的变化量转化为电容的变化量，经信 号调理处理后转化为电压信号的测量。数据显示直观，响应时间短，可实时在 线测量，精度达到0 0 1 r a m ，能够提高生产效率和产品的合格率，降低生产成本， 促进了企业的发展，提升了企业的市场竞争力。 本课题主要的研究目标是利用以微小电容传感器为主要组成部分的测控系 统实现在线实时测量弹簧长度，能够提高劳动生产效率又能保证产品质量的要 求。主要工作归结如下： ( 1 ) 设计传感器结构并加以优化，以能满足本测控系统要求 ( 2 ) 设计传感器信号的调理采集电路并确定电路参数 ( 3 ) 优化测控系统，提高整个系统的稳定性 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的创新点和预期达到的目标 保证该系统能够稳定可靠的正常工作， 精度的要求的情况下，提高劳动生产效率， 性，实现多种型号弹簧的测量。创新点： 路。 达到实际生产的要求，在保证产品 进而在原系统的基础上拓展其通用 ( 1 ) 设计用于小弹簧相对长度测量的微电容式传感器结构以及信号调理电 ( 2 ) 设计用于小弹簧相对长度测量的微电容式传感器结构的标定软件。 1 5 本章小结 在本章中简单系统介绍了当前弹簧加工行业的国内外发展现状以及我国当 前弹簧生产企业所面临的实际问题，结合在浙江掌起阿毛弹簧厂的实地调研和 厂家的要求，提出了本课题所研究的问题及将要所达到的研究目的，即设计一 种能够实现在线的弹簧相对长度实时自动测量的弹簧检长仪。 4 武汉理1 = 大学硕+ 学位论文 第2 章测控系统整体方案的确定 在几何量测量中，长度( 包括微小厚度、位移) 测量是最基本最主要的测 量参数，其测量的技术水平随着人类文明的发展而不断被创新、拓宽。进入新 世纪后，加工精度的提高又要求有较高的测量技术，因此出现了光电、电动、 气动等各种测量手段，用来检测微小量的变化。这些新的测量手段不仅推动原 有测量技术的发展，而且还创造出许多新型的测量方法，丰富了测量手段，微 位移测量技术向着高精度，高效率的方向发展。在微位移的测量中分为接触式 测量和非接触式测量。接触式测量适用于测量静态的物体，测量动态物体时既 容易损伤测量仪器，又容易破坏待测物表面，且因振动易带来误差。非接触测 量具有适用表面柔软、温度高或表面最忌伤痕的物体等优点晴1 ，被广泛应用于 生产检测中。 在本项目中，由于细小弹簧的虎克系数很小，用卡尺等接触式测量时，弹 簧容易因为外力而压缩，使得测量误差增大，因此在微小弹簧测量时采用非接 触测量方式。利用非接触式测量测定几何量的方法可分为光学方法和非光学方 法。非光学方法中有电容法、电感法、射线法等；光学方法中有光学投影法、 扫描法、干涉法、衍射法、光学成像法等，光学方法能精密测量几何量1 。 2 1 常用的非接触微位移测量方法 2 1 。1 显微镜测试方法嘲 ( 1 ) 原子力显微镜( a f m ) ：其原理是利用物质表面间的原子间力效应， 用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待 测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来 研究物质的表面结构及性质。与扫描电子显微镜( s e m ) 相比，a f m 的缺点在 于成像范围太小，速度慢，受探头的影响太大。 ( 2 ) 扫描隧道显微镜( s t m ) ：扫描隧道显微镜亦称为扫描穿隧式显微镜 或隧道扫描显微镜，其原理是应用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的 仪器。s t m 的特点是它不用光源也不用透镜，它的显微部件是枚细而尖的金属 探针。s t m 工作时，探针将充分接近样品产生一高度空间限制的电子束， 因此在成像工作时，s t m 具有极高的空间分辩率，可以进行科学观测。测 量原子线度的极细探针和被研究物体的表面被看作为两个电极，当物体与针尖 武汉理丁大学硕+ 学位论文 的距离非常接近时( 通常小于l n m ) ，在外加电场( 电势2 m w 2 v ) 的作用下，电子 会穿过两个电极之间的势垒，流向另一电极形成隧道电流。隧道电流与电极间 的间隙成负指数关系，即隧道电流对针尖与表面间的距离极端敏感，利用此原 理达到测量的目的。 ( 3 ) 扫描电子显微镜( s e m ) ：它在实现观测物体表面微观形态时，也能 达到测量精度为几个埃米的水平。普通型的扫描电子显微镜的扫描范围较大， 具有1 0 n m 左右的分辨率和1 0 1 0 5 的放大倍数，并易于进行选区扫描，且有很 长的工作距离和很大的纵深。 ( 4 ) 扫描近场光学显微镜( s n o m ) ：这是一种具有亚波长分辨率的光学显 微镜，它使用一个孔阑限制的光纤探针去探测样品附近的辐射，辐射的强度是 样品表面光学性质的量度。虽然其量程仍有限，但是己经广泛用于各个研究领 域和许多工业行业的表面分析、微观现象和理论的研究中，为科学研究和生产 服务。 ( 5 ) 光子扫描隧道显微镜( p s t m ) ：它是用光探针探测样品表面附近被内 全反射光所激励的瞬衰场，其分辨率远小于入射光的半波长，突破了光学显微 镜半波长极限的限制，目前国内的光子扫描隧道显微镜的分辨率横向达到1 0 n m ， 纵向达到l n m 。 2 1 2 光学方法 ( 1 ) 光学投影法：这种方法比较古老，用于测量某些不能直接测量的物体， 如测量树高，塔高等，只要测量出其影长，便可以求出物体的长度。也可以用 摄像的办法将影子摄成像后按一定比例乘以系数，可以得到物体的几何尺寸， 这种方法仅受测量误差影响。现今激光被用在投影领域，在精密测量时需要考 虑直边衍射带来的误差，在实验中标定一个阈值，精度可达0 0 1i l l e 。 ( 2 ) 频率跟踪f a b r y p e r o t 标准具：频率跟踪f p 标准具是由由1 个频率标 准激光器，1 个f p 标准具和跟随激光器组成，跟随激光器频率随标准具而改变。 频率标准激光器和跟随激光器的频率差即代表了标准具动镜的位移。基于f p 标 准具的测量技术具有极高的灵敏度和准确度，其精度可达1 0 r i m ，但测量范围 仅为0 1um ，其受限于激光器的调频范围。 ( 3 ) 全息光栅1 ：是指利用干涉方法制作的光栅。与计量光栅相比全息光 栅具有很高的穿间频率，目前最高可达6 0 0 0 1 m m ，一般的全息光栅也具有 1 5 0 0 1 m m 左右的空间分辨力，正是利用全息光栅这样高的空间分辨力作为长度 6 武汉理工大学硕士学位论文 测量基准来实现位移的精密测量。光栅技术对环境的要求相对较低，可以满足 纳米精度的使用要求，但光栅仪表不能实现非接触测量。 ( 4 ) 光学干涉仪口h 9 1 ：对于纳米级位移测量而言，激光干涉技术仍然是最 主要的测量方法之一。光波干涉分为双光束干涉和多光束干涉，测距光学干涉 仪可分为两大类：一是双光束光学干涉仪，如迈克尔逊干涉仪和马赫尔德干涉 仪，一般分辨率达入1 0 入2 0 。二是多光束干涉仪，如上述的f b a y r p e o r t 标 准具，通常利用干涉条纹图的测量方法进行纳米级测量，但其应用有很大的局 限性。清华大学已发展了数字相位检测技术和整数检测方法，分辨率提高到入 1 0 0 0 入2 0 0 0 。当入= 6 3 3 n m 时，分辨率为0 3 - 0 6 n m ，最高可达0 1 n m 。并突 破了入2 量程不确定性的限制，扩大了测量范围，达5 0 m m ，如果运用光学倍频 精度还可进一步提高。 ( 5 ) 衍射法：用衍射法可测一小缝的宽度，如图2 - 1 所示，d s i n0 = 入， d 为缝宽；0 为衍射角；入为激光波长。根据t g0 = h f 求出。值，缝宽即可求 出。该方法若在显微镜下静态测量，测量精度非常高，缝宽越小，精度越高， 可达1 0 吨啪。 d 图2 1 衍射法测缝宽 ( 6 ) 射线法：射线法测量是利用射线穿透物体后其强度的衰减与物体厚度 的关系。在测量时，所用射线一般为y ，x 射线，这两种射线穿透能力强。探 测器探测的射线能量i = i 。e x p 一( | ih ) ，h 为物体厚度；l l 是物体的吸收系数， 与射线波长和材料性质有关；i 。是射线起始强度。 射线法测量厚度的优点是快速非接触连续测量，精度不受被测物体弹跳、 移动影响，误差小于待测物体厚度的1 。主要缺点是射线会对人体造成伤害， 污染环境。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 电学测量方法 ( 1 ) 电感法【5 j ：测量厚度指的是用来测量金属厚度，其工作原理如图2 - 2 所示，l 。是发射圈，l 2 是接收圈。在l 。上通以交流电，因而产生一个交流磁场， 该磁场到达l ：，使l 。产生感应电势e ；e 受l 。和l ：的圈数、交流电压u 。、频率f 等因素的影响；现中间有一金属板切割磁力线，在金属板间产生涡流，影响l 。 的磁场向l 。传送能量，e 的大小受金属板影响，金属板的厚度越大，磁场能量 也 损耗越大。e o c e x p ( - h g ) 。式中：h 为被测量板厚度；g 为渗透厚度；而g o c ￥，； p 为金属电阻率。若p ，f 一定时，e 仅与h 有关。这样测量出e ，即测量出h 。 电感测量厚度很容易受外界的电磁场干扰，且e 与p 有关，因p 与温度有 关，金属中涡流使温度升高，导致p 变化，进而产生测量误差。目前电感测量 厚度的测量范围一般为0 - - 3 咖，精度为+ 0 0 5m i l l 。 编 宙 丝笔 蔼 图2 - 2 电感测量原理 ( 2 ) 霍尔元件法3 ：半导体在产生霍尔电压的同时，由于磁场对载流子的 作用改变了载流子的运动轨迹，使得通过霍尔元件的电流密度下降，即出现半导 体电阻率增大，这就是半导体的磁电阻效应。 在实际应用中，真正起作用的是磁感应强度和磁阻的改变量( b 和r m ) ， 如果所选磁感应强度范围合适，则r m 与b 接近线性关系，即： t ar=kx a b ，竹 采用如图2 3 所示方法：将磁阻r m 。，r m 2 与电阻r 。、r ：连成桥式，为限流电 阻，杆心两端分别贴有磁铁片，该杆可绕中点o 在纸面内转动，当被测位移点a 与其相连，a 点对芯片做靠近或远离移动，都会引起两磁铁片与两磁阻的靠近或 远离，从而改变两个磁阻的大小，使得电桥失去平衡，产生相应的电压输出v ， 通过调节磁铁片大小及与磁阻的平均距离，可使电压输出v 与位移s 呈线性 武汉理工大学硕士学位论文 关系，这样就可测出微小位移a s ，这就是用霍尔元件测量微小位移的方法。 船n 、一j 7 a 磁铁片一“ 图2 - 3 霍尔元件法测量原理 ( 3 ) 微小电容法n 们吖1 7 3 ：电容法主要用来测量一些具有一定介电常数的板 形或条形状的物体厚度。如图2 4 所示，两块电容板构成一个电容，电容的值 为c = 看，式中为空气介电常数；s 为极板面积；6 为极板间距。6 略大 于最大测量范围即可，6 越大精度越小。将被测量物体放入二极板中间，则电 容变为： c ：二一 4 x z f 娅+ 查1 l 占s j 式中：为被测材料的介电常数；只要测出电容c ，6 便可以得出电容c ， 6 便可以得出，6 = f ( c ) 。对电容测量位移来说，电容法具有精度高、频率响 应快，无变形以及对操作方便灵活等特点。 图2 - 4 电容基本原理 2 1 4 三种测量方法的特点和适用环境比较 以上介绍的三种方法都是具有较高的分辨力和测量方法，但大多数不能适 武汉理工大学硕十学位论文 用于实际生产中，其缺点不是量程小，就是按接触测量方法工作，或者是漂移 量太大18 。 显微镜测量技术和光学测量技术都可以得到极高的测量精度。但这种高精 度的测量技术需要特别的技术支持哺1 ：( 1 ) 定位技术。在纳米级位移测量中，需 要纳米级的三维定位与控制。目前用一个执行元件来实现大范围的纳米级定位 是比较困难的。因此，实际的定位机构多采用大位移用的执行元件和纳米级定 位用的执行元件相结合方式来实现。实现三维定位与控制，日前普遍采用压电 陶瓷制动器件。此外，利用静电致动材料、静电或磁轴承式结构，以及静电制 动的高精度定位控制技术也向纳米级精度发展，也可采用摩擦驱动装置和丝杠 定位元件通过特殊的方法进行纳米级的定位。( 2 ) 驱动技术。超微位移技术是 纳米长度测量的基础，由于压电陶瓷或压电晶体具有线性调节性能，可利用压 电逆效应，在压电材料上加电荷时，材料产生一定量的微变形带动传动结构线 性超微动。纳米级驱动装置是纳米测量技术的关键器件，同前广泛采用p z t 压 电陶瓷制作微位移驱动器实现超微直线位移。( 3 ) 探针制作技术。微探针是s p m 的核心元件之一，对于s p m 的测量和加工精度，重复性及可靠性有重要的影响， 评价微探针性能的土要参数有针尖曲率半径、针尖部纵横比以及针尖部几何形 状的平滑性。目前制作微探针的方法土要有电化学腐蚀法和机械成型法。( 4 ) 探针微调装置。 综上所述技术的研究都是复杂的系统工程，都涉及到材料物理化学电磁等 相关知识和研究n 8 1 。纳米级的测量技术只能在实验室中取得，主要用于实验室 中对一些试件的检测，不能实现在线应用测量。 光学测量技术，解决了电感、电容、光栅、容栅、涡流等位移传感器的检 测标定，特别是分辨率优于0 0 1l am 传感器检测，这些检测仪器的出现为科研 尖端技术解决微小位移量测试奠定了基础u8 j 。同时这些测量方法需要专门的实 验室对环境和操作水平要求高，需要专门人员进行设备的维护，设备昂贵。不 能广泛的应用于实际的工程之中，无法进行在线的检测和对生产的控制。 电感式测微仪的测量原理是利用线圈的自感或互感的变化实现微位移的测 量，其电感测微仪的核心部分是可变的自感或互感，一般要利用磁场作为媒介 或利用某些铁磁体的某些现象，它的主要特点是具有线圈绕组。它的优点n 引： 结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不 高、分辨率较高( 如在测量长度时一般可达11 tm ) 、稳定性好。它的缺点是频率 响应低，不宜用于快速动态测量。 电容测微仪和电感测微仪具有结构简单可靠，测量范围大、抗干扰能力强， 武汉理工人学硕士学位论文 可应用于现场生产的检测。电容式测量微位移的测量原理非常简单，电容由上 下两块极板组成，设定两块极板距离为6 ，平行极板的有效相对面积为s ，空 间介质的导电率( 介电常数) 则有c = 警。电容器式位移传感器的基本类型分 为三种乜引：可变间距型电容传感器、可变面积型电容传感器和可变介质型电容 传感器。在实际应用中，应用最多的为可变间距型电容传感器和可变面积型电 容传感器。具有灵敏度高、频率响应快、没有机械损失、结构简单适应性强， 特别是可以实现非接触式测量和在线测量。但是电容式传感器也有鲜明的缺点， 其稳定性差，漂移量大，所以至今困扰电容传感器的推广应用。这也是市面上 电容传感器远比电阻式、电感式传感器要少的原因。 综上所述，电容传感器具有量程大、全电子结构、无接触测量和在线实时 测量四大优点，只要克服其漂移性( 时漂和温漂) ，就是一种值得推广的一种 在线测微计。 2 2 电容传感器的分析 当测控系统的整体方案确定后，接下来最重要的事就是确定弹簧检长仪的 核心部件电容传感器的设计。电容传感器是利用电容的工作原理，将被测 量的非电物理量的变化转化为电容量的变化，进而实现了从非电量到电量的转 换。电容式传感器的突出优点是乜口羽：结构简单、体积小、分辨率高、频率响 应范围宽以及非接触式测量等。因此电容式传感器不但广泛地应用于位移、振 动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且可用于压力、差压、液面、料面、 成分含量等方面的测量。不过电容传感器也存在一个缺点比如比3 1 ：传感器的电 容量小，因此它的输出阻抗高；存在寄生电容，导致传感器特性不稳定；变间 隙式电容传感器的输出特性仅在很小范围内为线性等，这就需要在设计传感器 结构所必须要注意的问题。 随着对电容式传感器检测原理和结构的深入研究及新材料、新工艺、新电 路的开发，特别是集成电路技术及计算机技术的发展，其中的一些缺点逐渐得 到克服。电容传感器的精度和稳定性也日益提高，精度可达0 0 1 乜4 1 。本设计 中为了测量弹簧的长度变化而采用电容传感器，正是因为电容传感器特别适合 测量微小位移，而且其测量精度可达0 0 1 “m 乜。 另外在设计传感器的过程中要面临产品的经济性价比，所以在设计时应在 所要求的量程、温度和压力等范围内，应尽量使它具有低成本、高精度、高分 武汉理工大学硕士学位论文 辨率、稳定可靠和高的频率响应等特性盟。 2 2 1 电容传感器的特点 电容式传感器是将被测量的非电物理量的变化转换为电容电容量的变化的 传感器，是用于测量非电物理量的二种经典式传感器之一。与电阻式或电感式 传感器相比，电容传感器具有下列优点口4 1 ： ( 1 ) 测量范围大。例如金属应变丝受应变极限的限制，- 卧2 一般低于5 ， 半导体应变片的变化率虽然可达2 0 。但电容传感器的相对变化量可达1 0 0 。 ( 2 ) 灵敏度高。如用比例变压器电桥可测出电容值，其分辨率可达l o 一。 ( 3 ) 动态响应时间短。由于电容式传感器的容量都很小，因此其固有频率 很高，适用于动态信号的测量。 ( 4 ) 机械损失小。与电感传感器的电磁吸力相比，电容传感器电极间相互 吸引力十分微小，又无摩擦存在，其滞后热效应甚微，从而保证传感器具有较 高的精度。 ( 5 ) 结构简单，适应性强。电容传感器一般用金属做电极，以无机材料( 如 玻璃、石膏、陶瓷等) 作绝缘支撑，这种结构远比线圈结构简单，因此电容传 感器能承受各种形式的强辐射作用，也使批量生产的一致性好。 虽然电容式传感器有很多如上的优点，但电容传感器也有自身不足之处是： ( 1 ) 输出阻抗高，负载能力差。电容式传感器的容童量受其电极的几何尺 寸的限制，一般为几十到几百皮法，甚至只有几个皮法，使传感器的输出阻抗 很高。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响产生不稳定现象。这一缺点 必须用高输入阻抗变换器予以克服。 ( 2 ) 寄生电容影响大。电容传感器的初始电容量小，而联接传感器和电子 线路的引线电缆电容( 1 - 2 m 导线可达8 0 0 p f ) 、电子线路的杂散电容以及传感 器内极板与导体构成的电容的所谓“寄生电容”却很大，不仅降低了传感器的 灵敏度，而且这些电容( 如电缆电容) 常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳 定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求，应该考虑浮地 技术、驱动电缆、内屏蔽技术等措施。 ( 3 ) 非线性较大。在仔细考虑稳定性设计的同时，可以用非线性补偿软件 予以校正。 ( 4 ) 抗干扰性差。可以利用差动电路和屏蔽技术克服。 近年来随着材料工艺电子技术，特别是集成技术的高速发展，使电容式传 武汉理工大学硕士学位论文 感器的优点得到发展而缺点不断的得到克服，电容式传感器止逐渐成为一种大 有发展前途的传感器乜们乜引，尤其是它具有其它传感器所缺少的无接触测量的特 性，备受研制人员的青睐。 2 2 2 电容传感器的基本原理 电容式传感器是一个可变参量的电容器，其基本原理可以用图2 5 所示平 板电容器来说明。 图2 5 平板电容器原理图 当忽略边缘效应时，其电容量c 为： c = 警= 产 ( 2 - 1 ) 式中s 极板间相对覆盖面积 d 极板间距离 e 。相对介电常数 e0 _ 真空介电常数 e 电容极板间介质的介电常数 当被测参数式中的d 、s 和，中的某一项或几项有变化时，就改变了电容c ， d 和s 的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度 等的变化；e ，的变化则可以反映液面高度、材质厚度等的变化。 在实际应用中，如果保持其中两个参数不变，仅改变另一个参数就可以把 该参数的变化转化为电容量的变化。根据电容器变化的参数不同，电容式传感 器可以分为三种类型啪3 ：变面积式、变间隙式和变介电常数式。变间隙式一般 用来测量微小的线位移( 0 0 1um m 到零点几毫米) ；变面积式一般用于测量角 度位移( 1 分到十几度) 或者较大的线位移；变介电常数式用于固体或液体的 物位测量以及各种介质的湿度、密度的测量等啪3 。 ( 1 ) 变面积型电容传感器 变面积型电容传感器中有很多结构形式，图2 - 6 即为最典型变面积形式电 武汉理工大学硕士学位论文 容传感器。平板型结构对极距变化特别敏感，测量精度容易受到影响。而圆柱 形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构，其中线位移 单组式的电容量c 在忽略边缘效应时为2 。h 2 别： 图2 - 6 变面积型电容传感器器 a c ：c c ，、= 一互学a x ( 2 2 ) u d c = 学= c 0 - 詈缸 ( 2 - 3 ) k ：一譬：掣 ( 2 4 ) x x 式中x 为电容极板一边的距离变化 k 为变面积电容灵敏度 由2 - 4 可知，变面积电容式传感器的输出特性是线性的，灵敏度为一常数。 增大极板长度w ，减小间隙d 可使灵敏度提高。极板宽度l 的大小不影响灵敏 度，但也不能太小，否则边缘电场的影响增大，非线性将增大。 ( 2 ) 变介质型电容传感器 变介质型电容传感器结构型式很多，大多用来测量电介质的厚度、液位， 还可根据板间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、 湿度等【2 0 1 。这些一般应用在特殊场合，它们的电容量的计算公式随具体情形有 所差别，这里就不作详细论述。不过需要注意的是，当电极之间的被测介质导 电时，电极表面应涂绝缘层以防止电极间的短路。 ( 3 ) 变间隙式电容传感器 图2 5 所示为变间隙式电容式传感器原理。图2 - 5 中上极板为固定极板， 下极板为与被测体相连的动极板。当动极板因被测参数改变而引起移动时，就 改变了两极板的极间的距离d ，从而改变了两极板间的电容c 。从式2 1 可知， c 与d 的关系曲线为双曲线。 极板面积为s ，初始间隙为d 。，介质为空气( r = 1 ) 的电容器的电容值为： 1 4 武汉理t 大学硕十学位论文 2 等 浯5 ， 肌为一百e 0 xs 2 面6 0 x s ( 2 _ 6 ) 竽：翌 浯7 ， c o1 一掣 。 万a c = 等叶c 等，+ c 斧2 + c 等，3 + ， ( 2 _ 8 ) a c ：a d ( 2 9 ) c o d 、。 s 刀2 等2 等 ( 2 _ 1 0 ) 鸶2 等c 1 + 等， ( 2 1 1 ) 做为介质n8 l 。该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实际中常常作成差 武汉理r 大学硕 学位论文 223 弹簧检长仪的传感器测量原理分析 电容传感器的结构有多种形式，不同的形式有吾自不同的测莓优点，结构 不同决定了不同的测量对象，在本课题中到底采用什么样的电容结构形式是由 其测量的对象所决定。此测拧系统中所要测量的对象是弹簧长度，并且是对弹 簧的帽对长度进行测量，特定的测景对象决定厂小能用变酊积型式电容和变介 质型式i b 容，田此采用变问隙型式电容传感器结构，应用在本弹簧榆长仪中即 传感器探头端面端形成变电容的固定极板一极，弹簧端面成为r 乜窑的动极 板一极，由此形成弹簧检长仅的可变电容传感器。 在本测控系统确定选用电容传感器做为弹簧检长仪的核心部件检测部分 时，接f 柬首要任务就是选用怎样结构的电容传感器以及电容传感器如何去实 现工作，怎样实现将非电物理量向电量的转换，聚用怎样的结构左测量弹簧长 度等一些问题。经过对厂家生产调研确定了弹簧检长仪的工作方式，如幽27 所示： 图27 弹簧检k 仪的工作原理图示意图 弹簧检长仪的结构设计有夹持器，将其吲定在弹簧机头前端，在t 作之前 先进行标定。当弹簧机挤出弹簧时，其端面与检长仪的端面形成电容，当弹簧 挤出一定长度时，停止机器，设定此时弹簧长度为基准长度。调节弹簧检长仪 尾部的测微仪的调节旋钮，使传感器探头端面距离弹簧端面为l 哪，测量此时 电容值，然后再调节旋钮使得检长仪传感器探头端面与弹簧端面的相对距离变 化分别为0 1 咖02 i l n ，记录此时的电容大小，其与原位置的电容形成如 图2 - 8 所示的曲线： ；| 武汉理- 丁入学硕士学位论文 图2 8 相对位置与测量电容的变化曲线 由于在现实中电容值不容易测量，在本弹簧检长仪的设计中，通过调理电 路将对电容的转化为对电压的测量，由此可以得出只要所测得的电压信号在 u m 。，u 删之间即为合格产品。 实际加工时，机头挤出弹簧，其弹簧与传感器探头极板间的电容可进行实 时检测。当弹簧端面与传感器探头端面之闯的距离减小，电容逐渐增大，调理 电路输出电压也随之改变，当机头停止挤压并准备切断弹簧时，此时测量多组 电容数值，经过死区理论处理，其大小不变，则该电容值根据图2 8 的插值可 以算出弹簧的相对长度。检测电路给出信号，提示弹簧相对长度误差是否在 0 21 1 1 1 1 1 以内。 2 3 本章小结 在本章中着重介绍了各种测量位移方法的不足与优点，根据要测量的弹簧 长度相对位移的实际出发，确立了基于微小电容的弹簧检长仪设计的整体方案。 详尽介绍了弹簧检长仪电容传感器的工作原理以及标定方法。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章弹簧检长仪的结构设计 当测