电容测微仪动态特性的改进及标定方法

在采用多个测头测量机床主轴的回转运动精度时,电容测微仪由于其测头精巧及非接触测量等优点而倍受青睐.但以往的JDC电容测微仪的动态测量电路主要由分离元件搭成[1,2],电路复杂,频响低(约2 kHz),系统对元件参数及环境变化过分敏感,虽具有动态测量功能,但无法满足高转速条件下的测量要求.为测量一台最高转速为3 000 r/min的仪表车床主轴的回转运动精度,在JDC电容测微仪的基础上,对其动态测量电路进行了改进,开发了能满足测量要求的高精度、高频响的电容测微仪.

1　高精度、高频响电容测微仪的动态测量电路

根据测量要求,车床的最高转速为3 000 r/min,要测出回转误差中每周80个峰以内的谐波,电容测微仪的频响范围应该达到(3 000/60)×80=4 000 Hz.按照测量不失真条件,测微仪应尽可能使其幅频特性在0～4 kHz内为一常数,相频特性应该与信号频率成线性关系.而且由于测量中同时使用4～5个测头,要求各通道测头灵敏度及线性度尽量一致.

JDC电容测微仪的原理见图1,传感器测头的位移电容电压转换通过运放电路实现,输入信号经21 kHz稳幅交流载波电压调制后,经主放大器放大,再由精密整流器整流成单极性的42 kHz的交流信号,然后由滤波电路滤除载波信号,得到位移信号.分析电容测微仪的组成,发现改善测微仪的动态性能的关键在于提高其滤波电路的性能[3].为此,在它的主放大电路及精密整流电路基础上,设计了以8阶Butterworth滤波器MAX291为核心元件的动态测量电路,电路图见图2.它包括双T带阻滤波器、MAX291低通滤波器及附加的功放电路[4].

1.1　8阶Butterworth滤波器MAX291

通过调整滤波器MAX291的时钟频率,便可在0.1 Hz～25 kHz之间设置转折频率.时钟信号可从外部输入,也可由其内置时钟设定,只需在其时钟输入对地端接一电容,电容值按C0=105/fosc计算.式中的fosc为内部晶振频率,单位为kHz,此频率与滤波器的转折频率fc之比为100∶1.

1.2　动态测量电路原理

由精密整流器输出的42 kHz的交流信号经R1C1阻尼网络滤除噪声干扰后,通过电压跟随器U1进入双T网络,网络的谐振频率设定为42 kHz,目的在于滤掉载波信号,将位移信号解调出来.为校正由于元件参数变化以及电路中分布电阻、电容造成的网络不对称,在其输入端增加一个电压跟随器U1以提高其输入阻抗,电压跟随器U2是为提高MAX291的输入阻抗而设置的,U3则作为双T网络的正反馈环节以改善其品质因数.实验表明,设置双T网络以滤除载波是必要的,它可以克服42 kHz载波的干扰,获得较好的滤波效果. MAX291时钟端电容C0选80 pF,由此确定的MAX291内部晶振频率为416 kHz,此时,其转折频率为4.16 kHz.在MAX291输出端加入功放电路,可提高其驱动能力,以利于长距离传输.