高精度电容式小孔孔径自动测量系统的研究

　　0　引　言

　　孔径测量是几何量测量中的一项重要内容,其特点是测量器具活动空间受到限制、操作调整不便、测量速度慢,特别是小孔、深孔的测量难度更大。

　　目前,国内外孔径的测量方法很多,但测量精度达到亚微米水平的较少。根据测头是否与孔壁接触,可以将孔径测量方法分为接触式测量和非接触式测量。其中,接触法测量主要有坐标测量机测量法、电接触法、尺寸规划法等,它们的缺点是接触力的存在会引起测杆和测头的机械变形,容易造成较大的误差^[1];非接触法主要有光学测量法和气动测量法等,不过大多只能测量通孔。光纤传感微小孔径测量方法可以测量0. 2mm的小孔^[2],但该方法成本昂贵,操作复杂。

　　电容式传感器的结构简单、操作简便,具有精度高、稳定性好、速度快、分辨率高、时间稳定性好、适用于导体和半导体材料、工作温度范围广等诸多优点。本文提出了一种基于电容式传感器的小孔孔径测量方法。

　　1　电容式传感器在小孔孔径测量中的应用原理

　　根据C=εS/d,电容式传感器可分为3种基本类型^[3]:极距(d)变化型、面积(S)变化型和介电常数(ε)变化型。

　　本系统采用的是变极间距(d)型的电容式传感器,测量时将传感器插入被测孔中,要保证传感器的有效测量,电极与被测孔不接触,传感器外壳与被测孔应共接地且应尽量保持传感器与被测孔方向平行,其测量示意图如图1所示。

　　当电容式传感器处于被测孔中间位置时,并忽略传感器边缘效应的影响,则传感器与被测孔之间形成的电容量为

　　式中　C为传感器有效测量电极与被测孔之间的电容,F;ε为介电常数,当介质是空气时,ε0=8.8.85415×10-12,F/m;Lm为测量电极长度,m;R为被测孔的半径,m;r为传感器半径,m。

　　由此可见,对于同一测头,当被测孔径R发生变化时,孔间隙d值就会改变,传感器的电容量C也就随之变化。

　　为便于测量,需要将电容的变化量通过适当的电子测量线路放大处理,并转换为电压的形式输出。在测量范围内,处理后的输出电压值变化量ΔU和孔间隙的变化量Δd呈线性关系,即

　　2　硬件系统设计

　　2.1　电容式传感器测头结构设计

　　由于传感器的测头比被测小孔还要小,在很小的测头上做出测量电极,引出电极的导线,并在其两侧对称安置2个与电极同轴的保护环,这是该测量系统的关键技术^[4]。

　　该测头主要由有效测量电极、等位环和传感器外壳组成,它们之间由良好绝缘材料隔离开。有效测量电极与电缆芯线相连,2个等位环与电缆内屏蔽层相连,电缆外屏蔽层与传感器把手相连(由于传感器外壳与把手都是金属,且有把手盖将两者压紧使良好接触)即与传感器外壳相连。如图2所示,其采用三层屏蔽的装配工艺,使得信号的干扰减到最小值,并且,采用等位环技术有效地消除了边缘效应。