高精度压力膜片光学测量系统设计

　　0　引言

　　汽车传感器是汽车电子化、智能化的基础和关键。汽车传感器的市场2000年达到61·7亿美元,专家预计2005年汽车传感器的市场要达到84·5亿美元[1]。压力传感器是一种重要的汽车传感器。汽车压力传感器的设计非常苛刻,而膜片又是压力传感器中的重要零件,为了提高压力传感器的质量和性能,膜片的设计和分析至关重要。本文将介绍一种专门用于测量膜片形变和压力关系以及膜片表面形状的测试系统,为压力开关的设计和分析提供科学可靠的测试数据。

　　1　测试原理和方法

　　1.1　位移测量原理

　　激光三角法测量仪器主要由激光光源、透镜和光敏传感器组成。系统的测量原理如图1所示。

　　在仪器几何尺寸固定的条件下,当被测距离改变,像点在CCD(Charge Coupled Device)上的位置发生改变。记录像点的位置变化,就可以计算出被测距离的变化量[2],即被测位移。该方法可以得到微米级的测量精度。

　　本文介绍的系统采用高精度激光位移传感器。该位移传感器供电DC24V,输出标准±5V。因为采用高速CCD技术,该传感器具有以下特点[3]:

　　1)高分辨力0.01%

　　2)高精度0.1%

　　3)高频响5kHz

　　4)能快速跟踪表面状态变化

　　5)通过功能键自动调零和自动对中心

　　1.2　压力位移测试

　　压力位移测试原理如图2所示,当压缩空气充入腔A时,膜片受压发生形变,此形变用膜片中心点的位移表示。在整个充放过程中,通过位移传感器记录膜片的形变。由于充放气时间很短,要求数据采集频率很高。本系统中采用采样频率达到330K的数据采集卡[4],达到5K的采样频率位移传感器便可以满足数据实时采集的要求。

　　1.3　膜片表面形状二维扫描方法

　　膜片表面形状用膜片上每点的水平位置和纵向相对位移来描述。整个扫描过程包括两个阶段。1)确定扫描区域2)扫描。扫描范围为包括膜片在内的一个矩形区域,在获取区域范围内每点的三维坐标后,用计算机上的二维平面坐标表示每点在扫描矩形区域中的相对平面位置,用不同灰度来表示纵向相对位移值,在计算机上可以直观的观察膜片的表面形状。因为要适应不同尺寸的膜片测量,系统设计了自动搜寻扫描起始点,确定扫描区域的功能,唯一的条件是搜寻必须从膜片的第二象限位置开始。

　　膜片放在一个经过精磨加工的基面上,当激光打在基面上,则位移读数为零,而在膜片上,则位移读数为非零[3]。膜片固定在X-Y平台上由伺服电机驱动。膜片做以下运动(位移传感器作如图3箭头所示的相对运动):