（测试计量技术及仪器专业论文）非接触式高度差测试仪的研制.pdf

中文摘要 本文根据中国航天科工集团三院8 3 5 8 研究所提出的摄像镜面安装深度捡测 问题，详细设计了非接触式高度差测试仪。从测量原理的提出，技术路线的实施， 可行性分析，对仪器的机械设计，控制系统设计及软件设计都作了较为详细的探 讨。 以图孔中镜面安装深度测量的实际问题出发，提出了一种全新的圆孔深度测 量方法，该方法可进一步扩展为平面间高度差的测量。方法以电容测微仪为核心， 利用多传感器组会测量。对数据进行融合后得到测量结果。利用电容传感器的高 精度非接触测量的优点，实现了对工件的非接触精密测量，有效避免了划伤工件 表面：利用传感器间漂移的同向性，多传感器组合抑制了电容传感器的数据漂移 缺陷，大大提高了测量精度。具体展开工作如下： 1 、深入剖析了高度差测量方法，结合被测工件的实际状况，洋细设计了高 度差测量的实现方法。并对该方法的可行性进行了论证。 2 、根据所采用的测量方法设计一套完备的自适应自动测量系统，系统的设 计包括了机械结构设计、控制系统设计以及配套软件的设计。 3 、利用5 套电容测微仪设计出一个能够根据被测工件摆放状态进行自适应 调节测量的随动测头。 4 、详细阐述了电容测微仪及测量系统的标定和误差修正方法，对引起系绕 测量误差的因素进行了分析和归纳。 仪器最终设计并制作完成，其测量重复性精度、线性度都经过了国家计量研 究院的鉴定，交付用户使用以来一真运行稳定。仪器的研制成功解决了8 3 5 8 研 究所亟待解决的一项课题。 关键词：非接触测量高度差测量随动测头电容测微仪多传感器 a b s t r a c t t h i s p a p e rd e s i g n e d an o n c o n t a c th e i g h td i f f e r e n c em a c h i n ea c c o r d i n gt o p r o b l e mo fc c d l e n sf i x i n gp r e c i s i o nm e a s u r e m e n t ，w h i c hw a sr a i s e db yt h e8 3 5 8 g r a d u a t es c h 0 0 1 t h i sp a p e rd i s c u s s e da l lo ft h ep r o b l e m sa b o u tt h em e a s u r e m e n t m e a c h i n ei nd e t a i l ，s u c ha sd e s i g n i n gt h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l e ，i m p l e m e n t i n gt h e t e c h n i cc h a n n e l ，a n a l y s i n gt h ef e a s i b i l i t y , m e c h a n i c a ld e s i g n ，c o n t r o ls y s t e md e s i g n a n ds o f t w a r ed e s i g n t h i sp a p e rd e s i g n e da na b s o l u t e l yn e wm e t h o dt om e a s u r et h ed e p t ho fr o u n d h o l eb a s e do nt h er e a lp r o b l e m ，w h i c hi st om e a s u r et h ef i x e dd e p t ho fc c dl e n si n b o t t o mo far o u n dh o l e t h i sm e t h o dc o u l db eu s e dt om e a s u r et h ed e p t hd i f f e r e n c e b e t w e e nt h ep l a n e s t h em e t h o dt a k e st h ec a p a c i t a n c em i c r o m e t e ra si t sc o r e ，u s e s m u l t i s e n s o r st om e s u r et o g e t h e r , g e t st h er e s u l tt h r o u 【g hf u s i n gt h em u l t i - s e n s o r sd a t a w es u c c e s s e di nm e a s u r i n gt h ew o r k p i e c en o n c o n t a c t l ya n dp r e c i s e l yb yu s i n gt h e c a p a c i t a n c em i c r o m e t e r sh i l g hp r e c i s i o na n dn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n ta d v a n t a g e ， p r o t e c t i n gt h ew o r k p i e e ee f f e c t i v e l y b e c a u s ew eu s e s e v e r a l s e n s o r s ，t h e ya r e s e n s i t i v et ot h ee n v i r o n m e n t ，t h e nd r i f ti nt h es a l n ed i r e c t i o n ，a n da sar e s u l tr e s t r a i n t h ed a t ad r i f tu s i n go n es e n s o ri n t h i sm e t h o d ，t h es t a b i l i t yc a i lb ee n h a n c e d ，t h e m e a s u r i n gp r e c i s i o ni sw e l la d v a n c e d r e s e a r c hw o r ki sd e s c r i b e d a sf o l l o w si nd e t a i l i nt h i sp a p e r ： 1 g od e e pi n t ot h eh e i g h td i f f e r e n c em e a s u r e m e n tm e t h o d ，c o n s i d e r i n gt h e w o r k p i e c e sf a c tc a s e ，t h i sp a p e rd e s i g n sam e t h o d t om e a s u r et h eh e i g h td i f f e r e n c e 。 t h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o di sd i s c u s s e d 2 o nt h eb a s i so ft h em e t h o d ，ac o m p l e t e l ya d a p t i v em e a s u r i n gs y s t e mi s d e s i g n e d ，t h ed e s i g no ft h es y s t e mi n c l u d e sm e c h a n i s md e s i g n ，c o n t r o l l i n gs y s t e m d e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g n 3 u s i n g5c a p a c i t a n c em i c r o m e t e r st od e s i g na l la d a p m i v em e a s u r i n gh e a d ， w h i c hc a l la c c o m m o d a t ei t sp o s et om e a s u r ea c c o r d i n gt ot h ew o r k p i e c e sp u ts t a t e 4 t h ec a p a c i t a n c ea n dt h em e a s u r e m e n t sd e m a r c a t ea n de r r o rc o r r e c tm e t l a o d s a r ee x p a t i a t e di nd e t a i l ，t h ef a c t o r st ob r i n gt h es y s t e m sm e a s u r i n ge r r o ra r ea n a l y s e d a n dc o n c l u d e d t h em a c h i n ew a sw e l ld e s i g n e da n df a c t u r e d c o m p l e t e l y ，i t sm e a s u r e m e n t r e p e t i t i o na n dm e a s u r e m e n tl i n e a r i t yw e r eb o t hi d e n t i f i e db yt h en a t i o n a li n s t “u t eo f m e t r o l o g y s of a rt h em a c h i n ei sr u n n i n gs t e a d i l ya f t e ri tw a sh a n d e dt ot h eu s e r t h e m a c h i n e ss u c c e s ss e t t l e dt h e8 3 5 8g r a d u a t es c h o o l sc c dl e n sf i x i n gm e a s u r e m e n t p r o b l e m k e yw o r d s ：n o n c o n t a c tm e a s u r i n g ，h e i g h td i f f e r e n c e m e a s u r i n g ，a d a p t i v e m e a s u r i n gh e a d , c a p a c i t a n c em i c r o m e t e r , m u l t i s e n s o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基建盘鲎或其他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。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞基茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞基鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲拔征g 签字日期：。) 年月f6 ) 日 导师签名： 叠留九 ，一 签字日期：鲫歹年7 月仍曰 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 科学技术向微小领域发展，精密光学系统的加工和装配要求的精度也在不断 提高，这就需要相应的不断提高检测精度。微小几何量尺寸的精密测量是当前加 工、测量、装配中的一个难点。在精密的光学摄像系统中，需要确定摄像头镜面 与安装基准面的距离，确定两个平面的相对高度。如图1 1 所示为中国航天科1 。 集团三院8 3 5 8 研究所需要检测的工件，其上表面为金属，下表面为光学镜面， d 为所求的两平面高度差。 图1 1 测量示意图 所测距离表面看起来是单一位移量测量，然而所测距离为厦与面之间的距 离，这就涉及到二维形位误差的综合参数处理。传统的测量方法主要采用接触式 测量，这种方法需要进行多点接触测量，要有高精度两维导轨支承运动、难度较 大，而且接触式测量过程中，测量不便、人为误差大、测量精度偏低、容易划伤 贵重的光学镜面，很难满足镜面安装的精度要求。更加准确地测量出摄像头镜面 的安装精度成为当前国防军事领域亟待解决的项迫切任务。 为此，本文设计了基于精密电容测微仪为核心的多传感器组合非接触式平面 深度差自动测量仪。仪器实现了工件的自动调整和自动测量，运行稳定、测量准 确、快速、精度较高，避免了测量过程中的人为误差，具有很高的测量精度，不 仅很好地解决了摄像头镜面深度测量的实际问题，对于同类型的台阶式高度差测 量、孔深测量、多传感器组合测量等问题均有一定的启发意义。 天津大学硕士学位论文 第章绪论 1 2 研究应用现状 1 2 1 台阶差测量方法 对于台阶式高度差的测量，目前尚没有一种固定的测量方法，一般都是具体 问题具体解决，根据实际测量时的测量精度，测量范围等设计具体测量方案。不 论什么方法都可以分为两种类型，即接触式测量和非接触式测蘸。 传统的接触式测量方法如沿用游标卡尺、深度游标尺等，但是由于它们没有 固定的支座，不能保证“深度测量杆”绝对垂直于被测工件的基准面。而且，当 多次测量时，每次重复测量时，垂直的姿态各不相同，用手掌握尺身难免摇晃， 测量出来的深度值其示值变动性很大。此外，当一处深度的壁是斜面或弧形，或 深度尺的基面贴在工件平台部位是一个小平面时，深度是很难测量的。为克服这 - - n 量缺陷有人设计了专门的测量台架，如昆山模具塑件有限公司设计的“精测 尺架”，利用高精度台架配合游标尺进行深度的相对测量，很大程度上改善了测 量时的垂直问题，提高了测量精度，最高精度可达0 0 1 r a m ，并成功应用于模具 钳工在装配组合式型腔、型芯和电办时的装配和检测。而该方法的测量精度在本 课题中无法满足5ur n 的要求。 清华大学的李庆祥等人设计的“接触式台阶测量仪”电达到了较高精度，采 用弹性支撑机构，接触测量力8 n ，测量力变化率为3 3 8 n m ，片簧囿转中心偏 移量约为1um ，可满高精度接触式台阶测量仪的设计要求。 随着各类先进设备的问世，为高度差的测量及决了不少困难，如万能工具显 微镜、三座标测量机、电感测微仪等，这些设备本身价格昂贵，适宜在计量室、 检验室等环境使用，不适合在现场使用。 计算机视觉测量是非接触式测量的典型，利用结构光激光器将光打在物体 上，利用c c d 成像，从而测量出被测件的尺寸。自2 0 世纪8 0 年代以来，随着 电子、光学和计算机技术的不断成熟和完善，基于计算机视觉的测量技术作为 门新兴的测试技术，由于其可实现非接触式、实时、精度适中的快速检测，得到 了迅速的发展和广泛的应用。而在实际应用中，由于被测高度是内孔的高度，而 使得c c d 无法正常成像测得深度。 清华大学林的林德教等人提出了一种外差干涉与共焦显微技术融合应用于 微电子掩膜板台阶高度的测量方法，实现了较高的分辨率( 亚纳米) ，但是量程 较短只有5um 左右。 由上述可以看出，现有的各种测量方法，很难实现本课题中内孔商度测量的 要求，接触式测量方法测量精度不够，而且接触式测量方法由于测量力的存在注 天津大学硕士学位论文 第章绪论 定降低了测量精度，且接触测量很容易造成对测量工件的损伤。计算机视觉测量 方法无法实施。 针对实际内孔深度测量问题，本文设计了多套电容测微仪组合进行自动测量 的方法，即实现了非接触测量，又能保证测量精度。 1 2 2 电容测微仪研究现状 随着世界工业的迅猛发展，人们对位移测量和定位的精度提出越来越高的要 求，各国丁：业研究部门和计量测试部门纷纷投入了大量的资金和人力致力于更高 精度的仪器产品的研究，其中非接触离糖度的位移测量是其主流发展方向之一一。 电容测微技术作为非接触测量的手段，因其大测量范围、高分辨力、动态响应快、 高测量精度等显著优点，被广泛应用于航空、航天及工业生产部门，测量微小位 移、微小尺寸以及测量振动、压力等。 早在本世纪初人们已经开始运用电容的变化来测量小位移，特别是1 9 2 0 年 惠丁顿的“超测微仪”的面世，这种原理才被广泛接受，直到1 9 5 8 年电桥法代 替谐振法，使电容测微仪技术获得了很大的进步。过去一段时间电容传感器用的 不多，主要由于在连接电路上有诸如分布电容之类的麻烦。同时要求的电子设备 比较复杂。近年来，由于高精度位移测量和非接触表面测量的必要性日益增长， 推动了位移与应变测量技术的研究。加上电子学，特别是集成电路技术的迅速发 展，以及驱动电缆技术的出现等等，使得电容测微技术面临更为广阔的研究与应 用领域。也使电容传感器的优点：输入能量低、电容变化百分数大、动态响应快、 自热效应微小等得到进一步的发扬，而所存在的分布电容及非线性等缺点又不断 得到克服。特别是一些高精度、高稳定性的电容测微仪产品不断在科研、生产中 得到应用。国外欧美等国家纷纷研制出高精度的电容测微仪产品，如英国 q u e e n s g a t ei n s t u m e n t s 公司生产的纳米定位系统s y s t e m2 0 0 0 中的n s 2 0 0 0 电容 测微仪模块，美国w a n g e k e r r 公司生产的电容测微仪和德国p i 公司的电容测微 仪产品等，其分辨力目前己经达到l n m 0 1 n m 。近年来，谐振式测量电路也有新 的突破，意大利cg h i d i n i 等人研制的电容测微仪也达到了较高的测量精度。国 内如天津大学研制的j d c 系列电容测微仪及北京密云机床研究所研制的c w - 2 1 0 电容测微仪等。表1 1 列出了电容测微仪产品的指标对比情况。 表1 1 ：电容测微仪产品指标对比 制作革位型号测量范围分辨力频响范围非线性电缆长度 天津大学j d co 1 0um00 7 5n mo 一3 5k h z0 5 3m 北京密云c w 2 】0 o - 2 0um 1 0 0n mo 2k h z1 o o5m 天津大学硕士学何论文 第一誊绪论 定降低7 n 量精度，且接触测量很容易造成对测量工件的损伤。计算机视觉测量 方法无法实施。 针对实际内孔深度测量问题，本文设计了多套电容测微仪组合进行自动测量 的方法，即实现了非接触测量，又能保证测量精度。 1 2 2 电容测微仪研究现状 随着世界工业的迅猛发展，人们对位移测量和定位的糖度提出越来越高的要 求，各国工业研究部门和计量测试部门纷纷投入了大量的资金和人力致力于更高 精度的仪器产品的研究，其中非接触高糖度的位移测量是其主流发展方向之。 电容测微技术作为非接触测量的手段，因其大测量范围、商分辨力、动态响应快、 高测量精度等显著优点，被广泛应用于航空、航天及工业生产部门，测量微小位 移、微小尺寸以及测量振动、压力等。 早在本世纪初人们已经开始运用电容的变化来测量小位移，特别是1 9 2 0 年 惠丁顿的“超测馓仪”的面世，这种瘴理才被泛接受，直到1 9 5 8 年电桥法代 替谐振法，使电容测微仪技术获得了很大的进步。过去一段列同电容传感器州的 不多，主要由于在连接电路上有诺如分布电容之类的麻烦。同时要求的电予设备 比较复杂。近年来，由于高精度位移测量和非接触表面测量的必要性同益增长， 推动了位移与应变测量技术的研究。加上电子学，特别是集成电路技术的迅速发 展，以及驱动电缆技术的出现等等使得电容测微技术面临更为广阔的研究与麻 用领域。也使电容传感器的优点：输入能量低、电容变化百分数丈、动态响应快、 自热效应微小等得到进步的发扬，而所存在的分布电容及非线性等缺点又不断 得到克服。特别是一些商精度、高稳定性的电容铡微仪产品不断在科研、生产中 得到应用。国外欧美等国家纷纷研制出高精度的电容测微仪产品，如英国 q u e e n s g a t e i n s t u m e n t s 公司生产的纳米定位系统s y s t e m2 0 0 0 中的n $ 2 0 0 0 电容 测微仪模块，美国w a n g ek e r r 公司生产的电容测微仪和德国p i 公矧的电容测微 仪产品等，其分辨力目前已经述到1 m n o i n m 。近年来，谐振式测量电路也有新 的突破，意大利cg h i d i n i 等人研制的电容期i 微仪也达到了较高的测量精度。国 内如天津大学研制的j d c 系列电容测微仪及北京密云机床研究所研制的c w 。2 1 0 电容测微仪等。表1 1 列出了电容测微仪产品的指标对比情况。 电容坝 微仪等。表l l 列出了电容测微仪产品的指标对比情况。 表1 - 1 ：电窖测微仪产品指标对比 制作单位型号测量范晶分辨力额响范围非线性电缆【乇度 天津大学j d co t 0 i tr f io 0 7 5n m0 3 5k h z05 3 m 北京密云c w 2 1 00 2 0 pm1 0 on m0 - 2k h z10 05n 3 天津大学硕士学位论文第一章绪论 w a n y ek e r r d m l 0 0 b0 1 0 “mo 1n mo 一25 k h zl ，0 lm 日小野测器v t - 5 l o 0 2 0u m 0 1r i i 【io 3k h z l 、o tm q u e e ns g a t e n $ 2 0 0 0o 。】0u mo 】n n lo 一5 ( h z0 5 】lm i n s t r u m e n t p i 公司d - 0 1 50 ，】0 “m0 o ln mo 3 k h z0 5 3m 我国于7 0 年代初期开始这方面的研究，并于7 6 年由天津大学研制成功了第 一台电容测微仪。目前国内天津大学精仪学院及北京密云机械研究所两家有电容 测微仪的成型产品。如天津大学精仪学院的j d c 系列电容测微仪，由于科研人 员的不懈努力，j d c 电容测微仪逐渐形成了系列化和产品化，其技术指标也向更 高精度、宽频响的方向迈进一步，分辨力、测量范围、频响范围等各项指标已接 近和达到了国外同类产品的水平，已实际应用于多个领域。7 6 年运用电容测微 仪成功开发出航天部气膜陀螺刚度检测系统，于8 3 年获得国防科委嘉奖令。7 0 年代末8 0 年代初开始应用于汽车行业，如汽车连杆综合参数测量、汽车漆膜刚 度测量、弹簧高度的测量。其他如薄膜厚度的测量、圆柱面径的测量、小孔直径 的测量、滴灌管在线监控、地震监测、纳米测量等方面都获得了成功的应用。 以往的电容测微仪的项目应用中多应用单一传感器，这样不可避免存在一些 缺陷，单一传感器数据存在片面性和不确定性，环境变化容易受影响电容传感器 数据。本文在研究过程中要求解决孔深的测量问题，实际上属于面与面之间高度 差的测量，包含7 - - 维形位综合参数的测量。利用单一传感器无法进行测量，因 而采用一种全新的多传感器融合法钡4 量，既能利用单一传感器高精度非接触测量 的优点，又能利用传感器漂移的圆向性抵消漂移误差，提高测量精度，符合工件 的实际安装工况。 1 3 本论文的主要内容 本课题为中国航天科工集团三院8 3 5 8 研究所的实际应用项目，围绕摄像头 镜面安装精度的测量问题，设计一台非接触式高度差精密随动测试仪。本文的主 要工作如下： 1 、从原理上设计了测量面面之间高度差的测量方法，并对该方法进行详细 的探讨和可行性论证。 2 、利用a u t o c a d 绘图软件设计出仪器的总体结构，包括电器控制柜、支承 机构、平移机构、工件的承载机构、升降机构。总体设计 ：符合人机工 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 程。根据测量原理设计出一套能够自由随动的传感器测头，并对测头机 构进行了详细描述。 3 、设计外围控制结构并制作控制板。利用u s b 接口实现计算机对外的连接， 完成数据的实时采集，指令的输出，实现对机械结构传动的控制，进行 自动测量。 4 、阐述了电容测微仪的测量原理，标定和误差修正方法，以及仪器整体精 度的标定方法和数据处理方法，对仪器的误差进行分析。 5 、编制出一套界面简洁，使用方便，功能齐全的用户软件。 6 、最终完整制作出一台“非接触式深度自动测试仪”。该仪器业已交付用户 使用，实践表明，仪器运行稳定，测量准确、快速、精度高。 天津大学硕士学位论文 第二章j # 接触式高度差测餐原理 第二章非接触式高度差测量原理 本文课题来源于8 3 5 8 研究所的实际横向课题，根据精密摄像系统中摄像头 镜面的安装精度检测的实际问题，展开论述了非接触式孔深的自动测量方法。实 际问题中，摄像头镜面安装在圆形沉孔下，要求测量镜面与孔上表面的距离。该 距离的测量属于单一位移量测量，但实际上是面与面之间的距离测量，这就涉及 n - - 维形位参数的综合处理问题。本文设计了以精密电容测微仪为核心，多传感 器组合非接触式测量法，实现了无导轨结构的随动式面形位置跟踪测量方案，实 践证明了方法的可行性。该方法还可以扩展应用于很多方面，对于同类型的孔深 测量，台阶性高度差的测量具有普遍适用性。 2 1 非接触式高度差测量原理 根据工件的实际安装工况，设计了以精密电容测微仪为核心，多传感器组合 非接触式测量法，实现了无导轨结构的随动式面形位置跟踪测量方案，采用平均 读数原理等一系列措施克服了单一传感器无法测量的缺陷，多传感器组合测量法 自动补偿了电容测微仪的零点漂移误差，提高了测量的稳定性和精度。 多传感器检测系统就是综合利用多传感器信息，充分利用不同时间与空问的 多传感器数据资源，采用计算机技术对多传感器观测数据，在定准则下进行分 析、综合、支配和使用，通过它们之间的协调和性能互补的优势，克服单个传感 器的不确定性和局限性，获得对教测对象的一致性解释与描述进而实现相应的 决策和估计，使系统获得比它的各组成部分更加充分的信息，提高整个传感器系 统的有效性能、全面准确地描述被测对象。 2 1 1 测量原理 天津大学硕士学位论文 第二章非接触式高度整测量原理 电容倍感器6 个) 妒| 融 i i 过l箩 图2 1 高度差测量示意图 图2 2 传感器分布圈 如图2 1 所示：摄像头镜冠安装在一个圆形沉孔底部，要求测量镜谣与孔上 表面的距离测量精度要求达到5 o n 。传统的测量方法如游标卡尺、螺旋 i j | | 微 仪等测量不便、精度较低、人为误差较大，且接触测量时容易划伤贵重的摄像头 镜面。为此，本文采用了非接触式测量方法。 具体测量方法如下：如图2 - 1 所示，选用五套同类型高精度平板型电容传感 器，组合成一个整体，其中四个传感器围绕中心传感器交叉分布，其分布图如图 2 2 所示，将其有效测量面调节至同一个平面上，分别测量传感器到工件表面的 距离。由于孑l 较深( 约9 r a m ) ，电容传感器测量范围有限，且镜面不导电，平板 型电容传感器将被测件当作端电极，需要被测件为导体或者半导体，因而需在 镜面上放置一块已知厚度d 的标准金属测量块进行辅助测量。当传感器测头所在 平面与孔上表面( 基准面) 平行时，传感器分别测得距离为幽一西，则此时孔深： d = d 5 一( d l + d 2 + d 3 + d 4 ) 4 + d 一万 ( 2 。1 ) 占为电气漂移，温度漂移，机械结构，装配等一系列原因所引起的仪器综合 零点漂移瀑差。该误差需要在测量前进行校零对其作综合补偿，从而可以测量出 镜面的安装深度。单个传感器的分辨力约为0 1i ，因而可以精确的测量出深度， 满足测量要求。 此测量方法利用中心传感器数据的值与周围传感器数据的平均值之差，求得 测量结果，既利于了平均读数原理，又利用了差动比较测量法。 计量学中，利用多次读数取平均值，通常能够提离读数精度。利用这一原理 来设计仪器的读数系统，即称之为平均读数原理。在本仪器中采用均布多个读数 头，并用合成多个读数头数据的办法，来达到消除读数误差的目的。在仪器的设 计中，平均原理和平均误差效应的应用非常广泛，如摩尔条纹等。 差动比较测量可以大大臧小共模信号的影响，即由于环境等因素造成的传感 器的同向漂移误差，从而可提高测量精度和灵敏度，改善仪器的线性度。 天津大学硕士学位论文第二章非接触式高度差测量原理 2 1 2 技术措施 根据上述测量原理，将传感器测头所在平面调节至与基准面相平行是该测蹙 方法的关键。所有的技术措施也是围绕这一向题所展开。 为避免人为因素所造成的测量误差或者操作失误造成损失，仪器测量过程采 用计算机控制的全自动测量，根据被测工件的特征，应用了将传感器电极平面与 被测平面自适应调平技术，进行读数和测量的方法。 自适应调平技术就是把5 个传感器安装在一起，形成一个整体测头，然后将 传感器的测量面事先调整至同一个平面上，测量时利用整体测头根据被测件的放 置位置，实时采集五个传感器的输出数据判断出测头与工件的相对姿态并进行相 应调整，直到测量面与被测面相互平行，读取传感器数据计算出被测孔深，测量 过程全部利用计算机控制完成。自适应调平技术将测量头根据被测件姿态自动 调整至最佳测量姿态，利用传感器直接读取距离值，最大限度鲍减少了测量链， 尽量减少了机械误差( 间隙、回程、摩擦、弹性变形等 对测量精度的影响，只 需要将测头的机械加工精度较离，而其他机械结构的精度要求则较低，从而合理 地分配了仪器的精度要求，降低了制造成本。 围绕自适应测量方法，仪器设计主要分为机械设计、控制设计和软件设计三 部分。 机械部分主要包括底座、立柱、被测件支承座、手动平移导轨、平移定位机 构、被测件升降机构和随动传感器测头等七部分组成。底座立柱是仪器的基础支 撑件，承载着整个仪器；被测件支撑座用来放置工件；平移导轨及平移定位机构， 完成对工件得水平方向的传送和定位：升降机构完成对工件的上下传送，以及测 量过程中工件与测量头的相对位寅调节。 控制部分主要完成对数据的采集，指令的输出，控制整个仪器的机械动作， 控制测量过程中测量头的自适应调整，以及仪器出现故障时对仪器断电自动保 护。 软件部分则是设计出一套完整合理的测鸯流程，并且编制出一套功能齐全， 界面友好的测量软件，让操作人员可以轻松测量。 2 1 3 传感器共面性调整方法 由上述测量方法中可以看出，五个传感器的测量面调节至同一平面是实现测 量的关键，不能调节至同一片面 二，该方法也就无从实施。 首先传感器的有效测量面必须是一个平面，该平面由机械加工保证。 天津大学硕士学位论文 第二章非接触式离度差测量原理 其次安装后的五个传感器测量面之间必须保证平行，这样才有可能使它们调 节至同一平面，因此安装传感器的圆柱孔本身就必须保证一定的平行性。加工时 采用数控加工中心可解决这一问题。 上述两个条件靠机械加工便能保证精度，难点就是将五个传感器所在平面调 整至同一个平面上。为此本文利用传感器本身能够非接触测量距离的特性设计了 专门的调整方法。调整示意图如图2 3 所示。 翎帮! 絮协 图2 - 3 传感器共面性调整示意图 制作一块专用标准平板，平面度1 , t a n ，利用三个等厚块规，厚度约4 m m ， 垫在平板与测头之间，这样使得单个传感器有效面所在平面就都与标准平面平 行，此时只需调节安装传感器的调节螺钉，调节传感器的上下位置，调节过程中 计算机采集传感器的输出数据，通过标定好的系数换算出传感器与标准面之间的 距离，当五个传感器距离相等时( 实际调节过程中根据传感器的测量范围该距离 选取为1 4 m m ) ，便说明传感器测头处于同一平面上。 调整时不能采用接触式调整法，直接将传感器放置在平板上。一种错误的理 解就是，传感器为平面，平板也为平面，将五个传感器平面同时搁置在平扳上， 五个传感器就共面了，这种理解是不正确的。在实际调整过程中接触式调整会有 较大的接触力，调整过程时，根本无法把握测头与测量面的接触情况，即使五个 传感器同时接触上仍然无法保证传感嚣在同一平隧上。如图2 - 4 所示，采用接触 式共面性调整时，由于有测量力的存在，调节传感器上下位置时，很容易发生倾 斜现象，而这种倾斜肉眼是无法观测的，然而在精密测量中，这种微小的倾斜便 导致了极大的误差，可以达几十微米的误差，因而这种方法不可取。 天津大学硕士学位论文 第二章非接触式高度差测量原理 传感器 2 1 4 自适应调整方法 专用平板 图2 - 4 接触式调整示意阁 要实现对高度差的测量，根据测量原理，除了传感器本身要安装在同一平面 上，还必须使得传感器测头所在平面与被测平面保持平行，并且两平面之间处于 合适的距离，即在传感器的测量范围内。 本文采用了对多传感器数据进行融合，根据工件与测头的相对位置进行自适 应调整的方法，自适应调整包括平行度和相对距离差两方面的调蹩，将测头设计 成三维姿态可调，将会很大程度增加测头的设计难度、提高成本。 本文设计的自适应调整采用了测头与工件同时调整的方法，即测头负责平行 度的调节，而工件负责 贝4 量距离的调节。两者的调节在计算机的操控下同时进行。 调整方法就是：将工件放置在载物台上，通过升降机构对工件实现传送和测 量过程中的上下位移，利用升降机构实现测头与被测件的距离调整，而测头设计 成上下位置固定，而x 、y 的姿态可调节的二维随动测头，这样两者组合即实现 了两者间的相对三维姿态调节。升降机构的设计详见3 2 2 ，随动测头的设计弹 见3 3 。 2 2 电容测微仪 电容传感器是本文中获取数据的源头，没有传感器获取数据测量也就无从谈 起。 随着世界工业的迅猛发展，人们对位移测量和定位的精度提出越来越高的要 求，其中非接触高精度的位移测量是其主流发展方向之一。电容测微技术作为非 天津大学硕士学位论文 第二章非接触式高度差测鬃原理 接触测量的手段，因其大测量范围、高分辨力、动态响应快、高测量精度等显著 优点，被广泛应用于航空、航天及工业生产部门。其分辨率可达到o 1 撕，通过 调节测量电路甚至可以达到0 0 1p r n ，可谓是纳米级传感器。 2 2 1 电容传感器测量原理 对于外界物理量的变化，可以转换成电容量的变化，构成一个可变电容器， 即电容式传感器。电容式传感器结构简单，动态响应快，本身发热小，适合于非 接触测量。由于被测量变化引起电容传感器有关参数s ( 介电常数) ，s ( 相对面积) ， d ( 极板间隙) 的变化，据此，常见电容式传感器可分为：变间隙式、变面积式、 变介电常数式三种类型。 本文中采用j d c 型电容测微仪，传感器为平板间隙式电容传感器，由相互 平行的平面极板组成( 被测件作为固定极板，测头作为可动极板) ，他们构成了 广t k 单一 _ i 瓤 由图可知圆型平板闯隙式电容传感器两个极板由传感器和被测件构成。被测 件固定不动时，传感器移动使得两极板间的距离发生变化，从而改变了电容量， 极板面积为s ，初始间隙为h o 时，则电容初始值为： c 。：孚 ( 2 _ 2 ) 当极板移动a h ，则电容变为： c 0 + 址丽e s 2 理1 c 0 ( 2 _ 3 ) 取电容相对变化量： 箜a h 1 + 一a h ( 2 - 4 ) c 0h 。h o 天津大学硕士学位论文 第二二章非接触式高度差测量原理 a h l ，将上式按台劳级数展开，得 竺c o 型h o 愕+ h _ h + - - l l 。ji 。j 若a h _ _ 1 ( - n n0 0 2 0 1 ) 则： c oh o 万：鬻：唧钳 冈 设竽；0 1 ，则占：1 0 ，因此这类传感器适合于测量微小位移， ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 否则非线性 一h c 要 ( 2 。8 ) h h q磁 可见灵敏度是的函数，h 。越小灵敏度越高，但是的减小使非线性度j 增 大。 实际使用时的圆型平板电容传感器其电容量为： e r ：竿：_ 6 0 石一d z ( 2 _ 9 ) 式2 - 9 中：矗一两极板间介质的介电常数；r 一极板问面积； 一两极板间的 距离；c r 一传感器电容：d 一测头的直径。 当两极板间介电常数。和相对面积不发生变化时，传感器的电容量就会随着 两极板间的距离h 变化而变化，把此变化量通过适当的电子测量线路加以转化放 大处理，就可以以电压形式输出。在一定的极板距离变化范围内，输出的电压值 v 和距离h 成线性关系，即a h = k y ，k 为当量系数，具体数值由标定所得。 这样位移的变化量与传感器输出电压的变化关系明确后，只需标定出零点的 位置后便可以求出传感器与被溯件的绝对距离，如：假设标定得距离为巩，传感 器输出值为v o 而当传感器进行测量时输出值为v ，则距离d 为： 筹= 等= 足 协， k 一矿 矿 一4 。 计算可得：d = d 。一k ( y o v ) ( 2 1 1 ) 天津大学硕：i 学位论文 第二章非接触式高度差测量原理 当量系数髟，传感器零点的具体标定方法和数据见第六章。 2 2 2 电容传感器的结构 电容传感器结构如图2 - 6 所示。圆柱型传感器是由三个同轴层组成的：中心 部分为金属测头，作为平行板电容器的一个极板，其横截面积就是电容器的有效 作用面积：中间层为保护环，它的设置是为了改善传感器在有效作用面积内电场 的边缘效应，使有效面积内的电力线基本不发生弯凿，从而使传感器的电容量与 极板间距之间保持规则的关系：最外层是夹持环，便于传感器固定装卡。三层间 以两层绝缘层保证相互闻电气绝缘，传感器以双层屏蔽同轴电缆与测量线路相 连，以防止外界干扰及消除杂散电容的影响；内屏蔽与电保护环相连，通过测最 线路的处理，使其电位与测头相同，一方面起到消除电场边缘效应的作用，另”- 方面可以消除电缆分布电容的影响；电缆芯线与测头相连，将传感器电容变化直 接输入到测量线路中。 夹持环 环 图2 - 6 圆型平板电容传感器结构示意图 2 2 3 电容测微仪的组成电路 图2 7 是电容传感器的电路组合图。仪器的电路中包括：精密稳幅振荡，商 增益主放大器，非接触式电容传感器，精密整流器，带阻滤波器和低通滤波器， 调零电路，稳压电源。他们的作用与特点是：精密稳幅振荡器用来产生运算时所 需要的稳幅交流信号，也就是调幅过程中的载波信号。电路中采用r c 串联网络 决定输出信号的功率，用两个稳压管来稳定信号的幅值。其频率为2 】k h z 电压 幅值为3 - 5 v ，幅值的稳定度在1 3 0 0 0 1 1 0 0 0 0 之间。 墨鎏查堂堡主堂垡笙苎。 塑三茎! ! 些塑苎壅壁茎型塞堕垄 _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ “- _ _ _ h h - _ _ _ h _ 图2 7 电容传感器的组成电路 主放大器的作用是和电容传感器仪器来实现运算，其中设有一场效应管前爱 放大器，用自举电路电路实现极高的输入阻抗。为保证运算精度以及驱动电缆的 效果，该放大器的开环放大倍数应足够，一般在9 0 9 5 d b ( 约5 0 0 0 t 描) 左右。 同时，其输入电容、相移应足够小。 精密整流器的作用是对放大器输出的调幅信号进行整流，为后面的滤波检波 做准备。 调零电路的作用是让仪器工作有适合的工作点，以保证最大的测繁范围和最 好的线性，并且是仪器的输出能适应数据采集系统的要求。 低通滤波器l 的作用是滤除静态测量的载波成分，还原出被测信号。 在进行动态测试时，主要由带阻滤波器用来滤除在波成分，低通滤波器2 用 来滤除其他的一些干扰成分并保证一定的通带宽度。仪器中采用了两个二阶有源 低通滤波器串联的形式，加上带阻滤波器，可以使其通带在下降沿有较大的下降 速率。 仪器采用了两个独立电源，一个输出15 v ，用来给稳幅振荡器和主放大器 供电，另一个输出1 5 v 和5 v ( 他们与第一个电源无公共地) ，用来给矮他电 路及单片机系统供电。 2 3 测量方法的可行性分析 电容传感器本身有其明显的缺点，容易受寄生电容的影响和外界干扰。随著 温度、湿度等外界环境的变化传感器的输出会有温漂和零漂等问题。因而当用单 个传感器测量时一传感器数据会有其片面性和不确定性。然而在测量现场，外界 环境不可能达到较高的要求，数据的漂移就成了精密测量的一个重要障碍。由于 天津大学硕士学位论文第二章非接触式高度羞测量缀理 传感器处于相同的测量环境中，对环境的敏感是同向的，即环境温度、湿度等的 变化引起传感器数据一起变大或变小。这样利用多传感器组合测量，由于测量结 果是中心传感器数据与四周传感器数据平均值的差值，利用电容采用多传感器之 间漂移的互减，从而抵消了单一传感器数据的漂移，提高了测量的稳定性。 同时面与面之间距离的测量，涉及到二维综合参数，单一传感器根本无法测 量，而传统的方法，游标卡尺等工具精度太低，无法满足测量要求，这样利用多 传感器组合，就克服了单一传感器无法进行形位误差测量的缺陷。 1 4 2 5 1 4 2 0 苴1 4 1 5 萌1 4 l o 蝴 1 日0 5 1 4 d 0 i 3 9 5 一1 5 4 一t 5 6 一1 5 8 一1 6 口 一1 6 2 一1 6 4 一1 6 6 。w 厂 一。一一矿材 r 一蔗茹簧潍m ：一 。 爹p 净。二“一 ，一 一 o9l g2 7 3 6茚 聪问( 心o 、 八 一。一弋弋八 v1 “f 八 一| ￥ 一综台漂移 图2 8 电容测微仪2 小时漂移曲线 图2 8 为现场测得电容测微仪2 小时稳定性漂移曲线，图中每隔三分钟采集 一次数据所得各单个传感器漂移曲线，所测值为式l 中所述d l d 5 ，。由图可见单 个传感器2 小时内漂移量最小值为8 9 肼，最大值为l l ，4 ，删