高分辨率平面测试仪的研制

　　平面测试仪的研制是应重庆爱拓利检测仪表有限公司的委托进行的,旨在开发一种新的平面测试仪,为科学地检测平面度提供高精度,高稳定度的测量仪,以代替该公司20世纪80年代从瑞士进口的平面测试仪。

　　1 平面测试仪工作原理

　　1.1 工作原理

　　该平面测试仪主要由位移传感器,高稳定度信号源,单片机系统,信号处理四部分组成。位移传感器通常配有8只或6只测头。由信号源产生一组等幅、反相的正弦信号作为激励信号,并加在位移传感器的每一测头上,同时各测头根据所测得的位移,再输出相应幅值的正弦波。由位移传感器的特性可知:正弦波交流电压整流后的平均值同测头测得的位移成正比。

　　通过位移传感器将位移转化为电信号,上位机获得电信号以后,再根据位移传感器的转换系数(该位移传感器的转换系数为0.35V/mm)换算为位移值。从而完成位移的测量,根据下面介绍的方法,进而可以实现对平面度的测量。

　　1.2 平面度测试步骤

　　所谓平面度,国家标准中的定义是:被测实际表面对理想平面的变动量[1]。它是判断被测平面是否平整的重要指标,平面度越小,就越平整。

　　按照图1进行平面度测试,步骤为:

　　1)使用前,将标准平台置于位移传感器上,单片机系统采集得到一组(各测头)数据作为基准数据;

　　2)工作时,被测平面(即待测工件)放在测头上测量,得到一组工作数据;

　　3)将各测头的工作数据同基准数据求差,并转换为位移,从而得到各测头所测得的位移值;

　　4)再将各位移值两两求差,其最大值即为被测平面的平面度。根据实际工作需要,规定平面度不超过10μm,即可判工件合格;否则为不合格。

　　由于平面测试仪上有3个处在水平面上的支点,这就保证了被测平面总是与平面测试仪平行。

　　2 方案论述

　　首先利用有源整流(即绝对值电路)和二阶有源滤波电路得到交流电压的平均值的绝对值|Ux|。由于位移传感器的转换系数为0.35V/mm,故1μm对应0.35mV。而当12位A/D工作在双极性状态时,其分辨率为5 V/2048=2.44mV,达不到1μm的分辨率,故不能简单地将A/D转换得到的基准数据和工作数据用软件求差来获得位移值。

　　为了扩展分辨率,可以按照图2:先将基准数据经D/A[2]转换得到Ub送入减法器的正端,而将|Ux|送入减法器的负端,由硬件完成求差,放大200倍后,再送A/D转换。此时系统分辨率为5V/(200x2048)=0.012mV<0.035 mV,故优于0.1μm。

　　3 硬件设计

　　其硬件框图如图3所示。