小深孔內徑測量儀的製作方法

2023-05-29 05:56:11

專利名稱：小深孔內徑測量儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種物體上小孔內徑的測量系統，尤其涉及一種物體上較小孔徑的深 孔內徑的測量系統。
背景技術：
近年來，精密測量技術發展迅速，成果喜人。目前常用的精密測量有氣動測量、激 光測量和電容測量方法等。其中，氣動測量的原理是比較測量法，其測量方法是將長度信號 轉化為氣流信號，通過有刻度的玻璃管內的浮標示值，稱為浮標式氣動測量儀；或通過氣電 轉換器將氣信號轉換為電信號由發光管組成的光柱示值，稱為電子柱式氣動測量儀。氣動 量儀是一種可多臺拼裝的量儀，它與不同的氣動測頭搭配，可以實現多種參數的測量。氣動 量儀由於其本身具備很多優點，所以在機械製造行業得到了廣泛的應用。對於氣動式測量 小孔，其只能綜合的反映小孔對氣體流經過它時的影響，屬於孔截面測量，而不能測得任意 截面的尺寸和形狀誤差，而且這種方法只適用於通孔。在高精度加工和質量管理過程中，隨著光機電一體化、系統化的發展，光學測量技 術有了迅速發展，相應的測量機產品大量湧現，測量軟體的開發也日益受到重視。雷射技術 用於檢測工作主要是利用雷射的優異特性，將它作為光源，配以相應的光電元件來實現的。 它具有精度高、測量範圍大、檢測時間短、非接觸式等優點，常用於測量長度、位移、速度、振 動等參數。但雷射測量很難將測量裝置設計得小到1至2毫米。隨著科學技術和工業的飛速發展，對精密測量儀器的分辨力、精度和穩定性要求 也越來越高。目前對於直徑小的深孔測量一直是測量技術上的一個難點問題。由於孔徑很 小，若再是盲孔，使得許多高精度的測量方法都無法實現測量，雷射和氣動測量方法都無法 完成。電容測微是一種非接觸式精確測量。主要用於測量微小相對位移、微振動和微小 尺寸。具有溫度穩定性好、測量範圍大、測量精度高、動態響應好等優點，目前，電容測微儀 廣泛應用於航天、航空、汽車、工具機、光學器件加工及其它工業測控領域，主要用來測量各種 介質的薄膜厚度、金屬微變、微小相對位移、微小孔徑及各種截面的形狀誤差等。迄今為止， 還未見有將電容測量技術應用於小深孔內徑測量的報導。

發明內容
針對上述現有技術，本發明提供一種小深孔內徑測量儀，可以實現對於孔徑較小 (如孔徑為l_7mm)的深孔或盲孔的的精密測量。為了解決上述技術問題，本發明小深孔內徑測量儀予以實現的技術方案是，該小 深孔內徑測量儀，包括電容傳感器、測量電路、數字表頭顯示器和控制單元，所述電容傳感 器為探針式圓柱形電容傳感器，所述探針式圓柱形傳感器包括測量臂、柄部、絕緣層纜、電 纜插頭，所述柄部的前端設有與所述絕緣層連接的測量臂，所述測量臂的前端套有環狀有 效測量電極和兩個等位環，所述兩個等位環在軸向上平行地分布在所述環狀有效測量電極的兩側，所述每個等位環的兩側均設有絕緣層，所述等位環的軸向尺寸略小於或等於所述 環狀有效測量電極的軸向尺寸；所述環狀有效測量電極與所述絕緣層纜的芯線相連，所述 兩個等位環與所述絕緣層纜的內屏蔽層相連並共接傳感器地；所述探針式圓柱傳感器通過 電纜插頭與所述測量電路相連；所述測量電路包括調諧振蕩器、運算放大器、整流濾波器和 信號採集器以及一個固定電容和一條接地線；所述環狀有效測量電極經引線電纜與所述運 算放大器的虛地電連接，所述絕緣層纜的屏蔽層與所述等位環相連且共接所述電容傳感器 地；所述控制單元通過USB接口與所述測量電路聯接，所述控制單元包括採樣模塊、標定模 塊、數據分析模塊、測量模塊和顯示模塊；其中，所述採集模塊通過USB接口獲取所述電容 傳感器的測量數據；所述標定模塊使用環規對於截距和斜率進行標定；所述測量模塊用於 對實際被測件進行測量；所述分析模塊負責接收測量的數據，並對每一截面分別計算出其 實際的半徑，並對整個被測件的內孔，從一端到另外一端的變化情況進行計算；所述顯示模 塊控制所述數字表頭顯示器聯接，所述顯示模塊負責在數字表頭顯示器顯示測量結果，並 對被測件的截面半徑變化情況進行顯示。本發明小深孔內徑測量儀，其中，所述測量臂的外徑為0. 9mm。所述柄部包括空心 柄杆和設置在空心柄杆兩端的鎖母，所述空心柄杆內設有用於連接電纜插頭的插座，所述 插座通過緊定螺釘固定在所述空心柄杆內。與現有技術相比，本發明的有益效果是(1)由於氣動式測量小孔，只能綜合的反映小孔對氣體流經過它時的影響，屬於孔 截面測量，而不能測得任意截面的尺寸和形狀誤差，因此，氣動式測量只適用於通孔。本發 明小深孔內徑測量儀是採用電容傳感器測小孔，具有結構簡單、測量範圍大、靈敏度高、動 態響應快、穩定性好的優點，此外，所採用的介質是空氣介質，介質損耗小，能進行高倍放大 以獲得高靈敏度，且其電容量一般來說與電極材料無關，發熱很少，因而零點漂移小。(2)由於雷射測量很難將測量裝置設計得小到1至2毫米，因此，雷射測量方法對 小深孔束手無策，然而，本發明測量儀中的測量探針可以做得很小，對於完成小深孔來說是 輕而易舉的。



圖中1—-固定電容2——-電容傳感器3——-絕緣層4——-等位環
5——-有效電極6——_振蕩器7——-放大器8——-被測孔
9——-整流濾波器10—一大地20—一電纜50—一邊緣電場
51—一有效電極52—一保護環53—一絕緣層54—一保護層
101-——測量臂102-——絕緣層纜103、106-鎖母104——柄部
105-插座107-——緊定螺釘108-——螺紋套109-——電纜插頭
200-——緊固件201-——芯線202-內屏蔽層203-——外屏蔽層
204-——絕緣層205-——絕緣外皮
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細地描述。如圖1所示，本發明一種小深孔內徑測量儀，包括電容傳感器2、測量電路、數字表 頭顯示器和控制單元，所述電容傳感器2為探針式圓柱形電容傳感器。如圖8所示，所述探針式圓柱形傳感器包括測量臂101、柄部104、絕緣層102、電纜 插頭109，所述柄部104包括空心柄杆和設置在空心柄杆兩端的鎖母103，106，所述空心柄 杆內設有用於連接電纜插頭109的插座105，所述插座105通過緊定螺釘107固定在所述空 心柄杆內。所述柄部104的前端設有與所述絕緣層102連接的測量臂101，所述傳感器的外 殼即測量臂的外徑為0. 9mm。所述測量臂101的前端套有環狀有效測量電極5和兩個等位 環4。本發明中電容傳感器的有效測量電極5是有限長的，有限長的導體就會涉及到一 個邊緣效應的問題，其邊緣電場與理想狀況下不同。邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度 下降而且產生非線性，因此，應儘量減小並消除該邊緣效應。採用適當的減小極間距，可以 使電極直徑與間距比很大，從而減小邊緣效應的影響，但由此易產生擊穿並可能限制測量 範圍。因此，本發明中採用等位環這一技術特徵以克服上述的缺陷，圖3是一帶有等位環的 平板電容傳感器原理圖，其中，等位環4與有效測量電極5處在同一平面上，該等位環4將 有效測量電極1包圍，且與該有效測量電極5絕緣，但等電位，這就能使有效測量電極5的 邊緣電力線平直，大地10與有效測量電極5之間的電場基本均勻，而發散的邊緣電場50發 生在等位環4外周，不影響傳感器兩極板間電場。因此，理論上等位環4應儘可能大一些， 等位環4與有效測量電極5之間的絕緣間隙應儘可能小。如圖4-1和圖4-2所示，其中，兩 個等位環4位於傳感器測量臂的頂端部分，所述兩個等位環4在軸向上平行地分布在所述 環狀有效測量電極5的兩側，所述每個等位環4的兩側均設有絕緣層(即等位環4與有效 測量電極5之間有絕緣層相連，等位環4的外側也有均有絕緣層)，所述等位環4的軸向尺 寸略小於或等於所述環狀有效測量電極5的軸向尺寸；所述環狀有效測量電極5與所述絕 緣層102的芯線相連，所述兩個等位環4與所述絕緣層纜的內屏蔽層相連並共接傳感器地， 所述絕緣層102的電纜外屏蔽層與柄部相連；所述探針式圓柱傳感器通過電纜插頭109與 所述測量電路相連。所述絕緣層纜的內層結構如圖9所示，其中，有內至外依次為芯線201、 內屏蔽層202、外屏蔽層203、各層之間設有絕緣層204，最外層為絕緣外皮205。如圖1、圖6和圖7所示，所述測量電路包括調諧振蕩器6、運算放大器7、整流濾波
5器9和信號採集器以及一個固定電容1和一條接地線；所述環狀有效測量電極5經引線電 纜與所述運算放大器的虛地電連接，所述絕緣層纜的屏蔽層與所述等位環4相連且共接所 述電容傳感器地；如圖2所示，所述控制單元通過USB接口與所述測量電路聯接。所述控制單元中控制流程的實現可以採用美國NI公司的LabVIEW實驗室虛擬儀 器平臺來完成，該平臺是目前應用範圍最廣、功能最為強大的虛擬儀器開發平臺。所述控制 單元包括採樣模塊、標定模塊、數據分析模塊、測量模塊和顯示模塊五大功能模塊；其中，所 述採集模塊通過USB接口獲取所述電容傳感器2(即探針)所獲取的測量數據；所述標定模 塊使用環規對於截距和斜率進行標定；所述測量模塊用於對實際被測件進行測量；所述分 析模塊負責接收測量的數據，並對每一截面分別計算出其實際的半徑，並對整個被測件的 內孔，從一端到另外一端的變化情況進行計算；所述顯示模塊控制所述數字表頭顯示器聯 接，所述顯示模塊負責在數字表頭顯示器顯示測量結果，並對被測件的截面半徑變化情況 進行顯示。使用發明小深孔內徑測量儀，在測量過程中，控制單元通過人機對話界面對於每 一步操作給出友好提示。即，首先採集模塊負責採集電容傳感器輸出的數字電壓信號，並將 其送入標定模塊，由用戶設定比例係數，標定完成後，開始利用測量模塊進行測量，測量模 塊依據標定係數，對於採集模塊獲得的測量數據進行運算，從而獲得測量結果。然後，將測 量結果送到分析模塊進行相應的分析處理，最終通過顯示模塊以適當的方式(如通過與之 相聯的數字表頭)顯示出來，告知用戶相應的測量結果和分析情況。測量時，有效測量電極與被測小孔孔壁之間形成電容，由於傳感器參數固定，因 此，其電容量隨著孔徑大小的變化而變化。有效測量電極是環狀的，因而具有一定的平均效 應。要準確測量孔徑，就要求有效測量電極的長度小於小孔的深度(軸向尺寸)，即被測小 孔能完全覆蓋住有效測量電極，但兩者不能接觸，否則電路就會自激而無法測量，並且被測 孔件應與傳感器外殼(測量臂)相連(即同時接大地)，只有這樣才能形成電容。由於電容 傳感器的直徑相對較大，且有效測量電極相對較長，電容量大，因而分布電容也較大，有時 會因為有效測量電極與被測孔壁間距過小而未接觸，電路就已自激。為了解決這一問題，使 用如圖10所示的緊固件結構，S卩，對電容傳感器和緊固件內孔相應的設計了一定的錐度， 錐度定位是較準確的定位方式，測量時，將被測孔件8與緊固件200擰在一起，插入傳感器 2。圖11示出了由本發明小深孔內徑測量儀所形成的小深孔測試系統的一個實施 例。為了提高系統的測量精度和實現深孔的孔徑測量，該系統使用高精度的步進電機11帶 動一精密絲槓12實現孔軸方向的上下移動，從而控制被測孔件8的精確位移。計算機通過 PCI 口驅動步進電機11的運動，從而通過步進驅動準確的定位測量位置，因此，本發明可以 實現深孔的自動測量。如果電容傳感器2的測頭與被測孔件不同心的話，電容量會隨著偏 移量的增大而增大，所以由兩者偏心所引起的測量誤差比較大。為了實現電容傳感器2的 測頭和被測孔8的同心定位，本實施例中採用CCD照相機13進行拍照，並將CCD照相機13 所攝畫面傳送到計算機內部。利用計算機圖像處理軟體對圖像畫圓對中心，實現了測量偏 心的最小化，減小了偏心帶來的測量誤差。在測量平臺上還安裝有一臺高精度的二維微調 機構14，可以將電容傳感器2的測頭微動平移至相應位置，該二維微調機構14與CCD照相 機13視覺的配合保證了測量時電容傳感器2的測頭與被測孔8具有高精度的同心度。測量中，電容傳感器2插入被測孔8中，將有效測量電極與孔壁的間距轉換為傳感器電容量的 變化。電容的微小信號經過振蕩器6的調製，傳送給放大器7進行放大。放大過的信號經過 整流濾波器9分為兩路，其中，一路通過USB7325數據採集卡負責採集電容傳感器輸出的數 字電壓信號，並通過USB接口將數據傳送給計算機中的控制單元，以完成採樣模塊的功能， 接下來，控制單元運行標定模塊，由用戶設定比例係數。在標定完成後，開始進行測量時，測 量模塊依據標定係數，對於採樣模塊獲得的測量數據進行運算，獲得測量結果，測量結果被 送到分析模塊進行相應的分析處理，最終在顯示模塊中以適當的方式顯示出來，告知用戶 相應的測量結果和分析情況，如圖2所示；另外一路經過A/D變換(模擬轉數字)將模擬信 號轉換為數位訊號，並送給數字表頭顯示。在上述的每個處理環節中計算機會不斷地進行 數據處理及存儲，這一點是毋容置疑的。通常，從被測對象到測量儀器有一定的距離，電容傳感器初始電容量很小，容抗很 高，而傳感器的引線電纜電容(1 2米導線可達800pF)、測量電路的雜散電容以及傳感器 有效測量電極與其周圍導體構成的電容等「寄生電容」卻很大，這一方面降低了傳感器的靈 敏度；另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩定，影響 測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法正常工作。以下以 帶保護環的平行板電容傳感器為例介紹寄生電容的影響，圖5示出了寄生電容的相關理論 原理，圖中51是有效測量電極，52是保護環，53是絕緣層，54是保護層，V1是有效電極(芯 線)對大地的電壓，V2是內屏蔽對大地的電壓。設Cg是測頭的總電容，C12是保護環(內屏蔽)與有效電極(芯線)間的電容，Cr 是有效測量電極與工件間電容，由物理學可推出寄生電容的計算公式如下所示Cg=Cl2(l-^) + Cr
vI由上式可知，當被測工件和有效電極間電壓V1和等位環與被測件間電壓V2相等 時，等位環造成的寄生電容C12基本別消除，Cg =(；，等位環所起的消除邊緣效應的效果會 更好。因此，為了消除外來幹擾和引線的有害寄生電容的影響，傳感器與儀器的連線就 要有一定的屏蔽措施。但這樣一來會使電纜電容並聯到傳感器電容上，為了解決這一矛盾， 一般採用驅動電纜技術。圖6示出了驅動電纜技術電路原理，傳感器與測量電路前置級間 的引線為雙屏蔽層電纜，電纜芯線201與傳感器2的有效電極相連，內層屏蔽層202與等位 環相連，其內屏蔽層202又與電纜芯線201 (即信號傳輸線)通過1 1放大器相連而為等電 位，從而消除了芯線201與內屏蔽層202之間的電容影響。由於屏蔽線上有隨傳感器輸出 信號變化而變化的電壓，因此稱為「驅動電纜」。採用這種「驅動電纜」技術可使電纜線長達 IOm之遠也不影響傳感器的性能。外屏蔽層203與傳感器外殼相連並接大地(或接傳感器 地)用來防止外界電場的幹擾。內外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負載。這種驅動方 案是根據驅動電纜的原始概念建立的一種完全驅動電纜方案，它是一種完善的驅動。1:1放 大器是一個輸入阻抗要求很高、具有容性負載、放大倍數為1(準確度要求達1/1000)的同 相(要求相移為零)放大器。因此「驅動電纜」技術對1:1放大器要求很高，並且要求其輸 入電容接近於零，輸入電阻為⑴，輸出電流足夠大，頻帶足夠寬等，電路複雜，成本很高，但 能保證電容傳感器的電容值小於IpF時，也能正常工作。由於上述完全驅動電纜方案成本
7高、電路複雜等缺點，實用電路常採用運算放大器法來減小電纜電容，圖7示出了利用運算 放大器電路虛地點減少電纜電容的原理示意圖，此電路是利用運算放大器的虛地來減小電 纜寄生電容Cp的影響的。電容傳感器的有效測量電極經引線電纜芯線接運算放大器的虛 地Σ點，電纜20的屏蔽層與等位環相連共接傳感器地，這是與傳感器電容相併聯的為等效 電容Cp/(1+A)，因而大大減小了電纜電容的影響，外界幹擾因屏蔽層接傳感器地而對芯線 不起作用。被測孔作為另一電極經傳感器外殼(外屏蔽層)接大地，以防止外電場的幹擾。 實際上，這是一種不完全的電纜驅動技術，其電路比圖7中的電路簡單得多。設內屏蔽層對 大地的電壓為V。ab，芯線對大地的電壓為Vct，放大器的開環放大倍數為A，由於Vcab = -V0 = VsAVCT = VE (1+A)所以有AV = Vci-Vcab = Vs電纜電容所產生的附加等效電容為
權利要求
一種小深孔內徑測量儀，包括電容傳感器(2)、測量電路、數字表頭顯示器和控制單元，其特徵在於，所述電容傳感器(2)為探針式圓柱形電容傳感器，所述探針式圓柱形傳感器包括測量臂(101)、柄部(104)、絕緣層纜(102)、電纜插頭(109)，所述柄部(104)的前端設有與所述絕緣層纜(102)連接的測量臂(101)，所述測量臂(101)的前端套有環狀有效測量電極(5)和兩個等位環(4)，所述兩個等位環(4)在軸向上平行地分布在所述環狀有效測量電極(5)的兩側，所述每個等位環(4)的兩側均設有絕緣層，所述等位環(4)的軸向尺寸略小於或等於所述環狀有效測量電極(5)的軸向尺寸；所述環狀有效測量電極(5)與所述絕緣層纜(102)的芯線相連，所述兩個等位環(4)與所述絕緣層纜的內屏蔽層相連並共接傳感器地；所述探針式圓柱傳感器通過電纜插頭(109)與所述測量電路相連；所述測量電路包括調諧振蕩器(6)、運算放大器(7)、整流濾波器(9)和信號採集器以及一個固定電容(1)和一條接地線；所述環狀有效測量電極(5)經引線電纜與所述運算放大器的虛地電連接，所述絕緣層纜的屏蔽層與所述等位環(4)相連且共接所述電容傳感器地；所述控制單元通過USB接口與所述測量電路聯接，所述控制單元包括採樣模塊、標定模塊、數據分析模塊、測量模塊和顯示模塊；其中，所述採集模塊通過USB接口獲取所述電容傳感器(2)的測量數據；所述標定模塊使用環規對於截距和斜率進行標定；所述測量模塊用於對實際被測件進行測量；所述分析模塊負責接收測量的數據，並對每一截面分別計算出其實際的半徑，並對整個被測件的內孔，從一端到另外一端的變化情況進行計算；所述顯示模塊控制所述數字表頭顯示器聯接，所述顯示模塊負責在數字表頭顯示器顯示測量結果，並對被測件的截面半徑變化情況進行顯示。
2.根據權利要求1所述小深孔內徑測量儀，其特徵在於，所述測量臂的直徑為0.9mm。
3.根據權利要求1所述小深孔內徑測量儀，其特徵在於，所述柄部(104)包括空心柄杆 和設置在空心柄杆兩端的鎖母(103，106)，所述空心柄杆內設有用於連接電纜插頭(109) 的插座(105)，所述插座(105)通過緊定螺釘(107)固定在所述空心柄杆內。
全文摘要
本發明公開了一種小深孔內徑測量儀，包括電容傳感器、測量電路和控制單元，電容傳感器為探針式圓柱形電容傳感器，探針式圓柱形傳感器包括測量臂、柄部、絕緣層纜、電纜插頭，柄部的前端設有與絕緣層連接的測量臂，測量臂的前端套有環狀有效測量電極和兩個等位環，兩個等位環在軸向上平行地分布在環狀有效測量電極的兩側，每個等位環的兩側均設有絕緣層，等位環的軸向尺寸略小於或等於環狀有效測量電極的軸向尺寸；環狀有效測量電極與絕緣層纜的芯線相連，兩個等位環與絕緣層纜的內屏蔽層相連並共接傳感器地；探針式圓柱傳感器通過電纜插頭與測量電路相連。可以實現對於孔徑較小的深孔內徑進行精密測量。
文檔編號G01B7/13GK101957165SQ201010296209
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月29日 優先權日2010年9月29日
發明者於永新, 劉欣萌, 葉紅宇, 張恆, 李紅民, 鄭義忠 申請人:天津大學