CN101957165A - 小深孔内径测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小深孔内径测量仪，包括电容传感器、测量电路和控制单元，电容传感器为探针式圆柱形电容传感器，探针式圆柱形传感器包括测量臂、柄部、绝缘层缆、电缆插头，柄部的前端设有与绝缘层连接的测量臂，测量臂的前端套有环状有效测量电极和两个等位环，两个等位环在轴向上平行地分布在环状有效测量电极的两侧，每个等位环的两侧均设有绝缘层，等位环的轴向尺寸略小于或等于环状有效测量电极的轴向尺寸；环状有效测量电极与绝缘层缆的芯线相连，两个等位环与绝缘层缆的内屏蔽层相连并共接传感器地；探针式圆柱传感器通过电缆插头与测量电路相连。可以实现对于孔径较小的深孔内径进行精密测量。

Description

小深孔内径测量仪

技术领域

本发明涉及一种物体上小孔内径的测量系统，尤其涉及一种物体上较小孔径的深孔内径的测量系统。

背景技术

近年来，精密测量技术发展迅速，成果喜人。目前常用的精密测量有气动测量、激光测量和电容测量方法等。其中，气动测量的原理是比较测量法，其测量方法是将长度信号转化为气流信号，通过有刻度的玻璃管内的浮标示值，称为浮标式气动测量仪；或通过气电转换器将气信号转换为电信号由发光管组成的光柱示值，称为电子柱式气动测量仪。气动量仪是一种可多台拼装的量仪，它与不同的气动测头搭配，可以实现多种参数的测量。气动量仪由于其本身具备很多优点，所以在机械制造行业得到了广泛的应用。对于气动式测量小孔，其只能综合的反映小孔对气体流经过它时的影响，属于孔截面测量，而不能测得任意截面的尺寸和形状误差，而且这种方法只适用于通孔。

在高精度加工和质量管理过程中，随着光机电一体化、系统化的发展，光学测量技术有了迅速发展，相应的测量机产品大量涌现，测量软件的开发也日益受到重视。激光技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性，将它作为光源，配以相应的光电元件来实现的。它具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参数。但激光测量很难将测量装置设计得小到1至2毫米。

随着科学技术和工业的飞速发展，对精密测量仪器的分辨力、精度和稳定性要求也越来越高。目前对于直径小的深孔测量一直是测量技术上的一个难点问题。由于孔径很小，若再是盲孔，使得许多高精度的测量方法都无法实现测量，激光和气动测量方法都无法完成。

电容测微是一种非接触式精确测量。主要用于测量微小相对位移、微振动和微小尺寸。具有温度稳定性好、测量范围大、测量精度高、动态响应好等优点，目前，电容测微仪广泛应用于航天、航空、汽车、机床、光学器件加工及其它工业测控领域，主要用来测量各种介质的薄膜厚度、金属微变、微小相对位移、微小孔径及各种截面的形状误差等。迄今为止，还未见有将电容测量技术应用于小深孔内径测量的报道。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种小深孔内径测量仪，可以实现对于孔径较小(如孔径为1-7mm)的深孔或盲孔的的精密测量。

为了解决上述技术问题，本发明小深孔内径测量仪予以实现的技术方案是，该小深孔内径测量仪，包括电容传感器、测量电路、数字表头显示器和控制单元，所述电容传感器为探针式圆柱形电容传感器，所述探针式圆柱形传感器包括测量臂、柄部、绝缘层缆、电缆插头，所述柄部的前端设有与所述绝缘层连接的测量臂，所述测量臂的前端套有环状有效测量电极和两个等位环，所述两个等位环在轴向上平行地分布在所述环状有效测量电极的两侧，所述每个等位环的两侧均设有绝缘层，所述等位环的轴向尺寸略小于或等于所述环状有效测量电极的轴向尺寸；所述环状有效测量电极与所述绝缘层缆的芯线相连，所述两个等位环与所述绝缘层缆的内屏蔽层相连并共接传感器地；所述探针式圆柱传感器通过电缆插头与所述测量电路相连；所述测量电路包括调谐振荡器、运算放大器、整流滤波器和信号采集器以及一个固定电容和一条接地线；所述环状有效测量电极经引线电缆与所述运算放大器的虚地电连接，所述绝缘层缆的屏蔽层与所述等位环相连且共接所述电容传感器地；所述控制单元通过USB接口与所述测量电路联接，所述控制单元包括采样模块、标定模块、数据分析模块、测量模块和显示模块；其中，所述采集模块通过USB接口获取所述电容传感器的测量数据；所述标定模块使用环规对于截距和斜率进行标定；所述测量模块用于对实际被测件进行测量；所述分析模块负责接收测量的数据，并对每一截面分别计算出其实际的半径，并对整个被测件的内孔，从一端到另外一端的变化情况进行计算；所述显示模块控制所述数字表头显示器联接，所述显示模块负责在数字表头显示器显示测量结果，并对被测件的截面半径变化情况进行显示。

本发明小深孔内径测量仪，其中，所述测量臂的外径为0.9mm。所述柄部包括空心柄杆和设置在空心柄杆两端的锁母，所述空心柄杆内设有用于连接电缆插头的插座，所述插座通过紧定螺钉固定在所述空心柄杆内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)由于气动式测量小孔，只能综合的反映小孔对气体流经过它时的影响，属于孔截面测量，而不能测得任意截面的尺寸和形状误差，因此，气动式测量只适用于通孔。本发明小深孔内径测量仪是采用电容传感器测小孔，具有结构简单、测量范围大、灵敏度高、动态响应快、稳定性好的优点，此外，所采用的介质是空气介质，介质损耗小，能进行高倍放大以获得高灵敏度，且其电容量一般来说与电极材料无关，发热很少，因而零点漂移小。

(2)由于激光测量很难将测量装置设计得小到1至2毫米，因此，激光测量方法对小深孔束手无策，然而，本发明测量仪中的测量探针可以做得很小，对于完成小深孔来说是轻而易举的。

附图说明

图1是本发明小深孔内径测量仪的组成示意图；

图2是本发明小深孔内径测量仪测量中功能模块及数据处理流程图；

图3是本发明中采用的带有等位环的平板电容传感器原理图；

图4-1是本发明小深孔内径测量仪中电容传感器测量小孔的立体示意图；

图4-2是图4-1所示电容传感器测量小孔的轴向剖视图；

图5是本发明测量仪中寄生电容示意图；

图6是本发明测量仪中驱动电缆技术电路原理示意图；

图7是利用运算放大器电路虚地点减少电缆电容的原理示意图；

图8是本发明测量仪中探针的结构图；

图9是本发明测量仪中电缆的内层结构图，

图10是本发明测量仪利用电容传感器测量示意图；

图11是本发明测量仪整个测试系统的安装图。

图中：

1——固定电容   2——电容传感器   3——绝缘层         4——等位环

5——有效电极   6——振荡器       7——放大器         8——被测孔

9——整流滤波器 10——大地        20——电缆          50——边缘电场

51——有效电极  52——保护环      53——绝缘层        54——保护层

101——测量臂   102——绝缘层缆   103、106——锁母    104——柄部

105——插座     107——紧定螺钉   108——螺纹套       109——电缆插头

200——紧固件   201——芯线       202——内屏蔽层     203——外屏蔽层

204——绝缘层   205——绝缘外皮

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明一种小深孔内径测量仪，包括电容传感器2、测量电路、数字表头显示器和控制单元，所述电容传感器2为探针式圆柱形电容传感器。

如图8所示，所述探针式圆柱形传感器包括测量臂101、柄部104、绝缘层102、电缆插头109，所述柄部104包括空心柄杆和设置在空心柄杆两端的锁母103，106，所述空心柄杆内设有用于连接电缆插头109的插座105，所述插座105通过紧定螺钉107固定在所述空心柄杆内。所述柄部104的前端设有与所述绝缘层102连接的测量臂101，所述传感器的外壳即测量臂的外径为0.9mm。所述测量臂101的前端套有环状有效测量电极5和两个等位环4。

本发明中电容传感器的有效测量电极5是有限长的，有限长的导体就会涉及到一个边缘效应的问题，其边缘电场与理想状况下不同。边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度下降而且产生非线性，因此，应尽量减小并消除该边缘效应。采用适当的减小极间距，可以使电极直径与间距比很大，从而减小边缘效应的影响，但由此易产生击穿并可能限制测量范围。因此，本发明中采用等位环这一技术特征以克服上述的缺陷，图3是一带有等位环的平板电容传感器原理图，其中，等位环4与有效测量电极5处在同一平面上，该等位环4将有效测量电极1包围，且与该有效测量电极5绝缘，但等电位，这就能使有效测量电极5的边缘电力线平直，大地10与有效测量电极5之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场50发生在等位环4外周，不影响传感器两极板间电场。因此，理论上等位环4应尽可能大一些，等位环4与有效测量电极5之间的绝缘间隙应尽可能小。如图4-1和图4-2所示，其中，两个等位环4位于传感器测量臂的顶端部分，所述两个等位环4在轴向上平行地分布在所述环状有效测量电极5的两侧，所述每个等位环4的两侧均设有绝缘层(即等位环4与有效测量电极5之间有绝缘层相连，等位环4的外侧也有均有绝缘层)，所述等位环4的轴向尺寸略小于或等于所述环状有效测量电极5的轴向尺寸；所述环状有效测量电极5与所述绝缘层102的芯线相连，所述两个等位环4与所述绝缘层缆的内屏蔽层相连并共接传感器地，所述绝缘层102的电缆外屏蔽层与柄部相连；所述探针式圆柱传感器通过电缆插头109与所述测量电路相连。所述绝缘层缆的内层结构如图9所示，其中，有内至外依次为芯线201、内屏蔽层202、外屏蔽层203、各层之间设有绝缘层204，最外层为绝缘外皮205。

如图1、图6和图7所示，所述测量电路包括调谐振荡器6、运算放大器7、整流滤波器9和信号采集器以及一个固定电容1和一条接地线；所述环状有效测量电极5经引线电缆与所述运算放大器的虚地电连接，所述绝缘层缆的屏蔽层与所述等位环4相连且共接所述电容传感器地；如图2所示，所述控制单元通过USB接口与所述测量电路联接。

所述控制单元中控制流程的实现可以采用美国NI公司的LabVIEW实验室虚拟仪器平台来完成，该平台是目前应用范围最广、功能最为强大的虚拟仪器开发平台。所述控制单元包括采样模块、标定模块、数据分析模块、测量模块和显示模块五大功能模块；其中，所述采集模块通过USB接口获取所述电容传感器2(即探针)所获取的测量数据；所述标定模块使用环规对于截距和斜率进行标定；所述测量模块用于对实际被测件进行测量；所述分析模块负责接收测量的数据，并对每一截面分别计算出其实际的半径，并对整个被测件的内孔，从一端到另外一端的变化情况进行计算；所述显示模块控制所述数字表头显示器联接，所述显示模块负责在数字表头显示器显示测量结果，并对被测件的截面半径变化情况进行显示。

使用发明小深孔内径测量仪，在测量过程中，控制单元通过人机对话界面对于每一步操作给出友好提示。即，首先采集模块负责采集电容传感器输出的数字电压信号，并将其送入标定模块，由用户设定比例系数，标定完成后，开始利用测量模块进行测量，测量模块依据标定系数，对于采集模块获得的测量数据进行运算，从而获得测量结果。然后，将测量结果送到分析模块进行相应的分析处理，最终通过显示模块以适当的方式(如通过与之相联的数字表头)显示出来，告知用户相应的测量结果和分析情况。

测量时，有效测量电极与被测小孔孔壁之间形成电容，由于传感器参数固定，因此，其电容量随着孔径大小的变化而变化。有效测量电极是环状的，因而具有一定的平均效应。要准确测量孔径，就要求有效测量电极的长度小于小孔的深度(轴向尺寸)，即被测小孔能完全覆盖住有效测量电极，但两者不能接触，否则电路就会自激而无法测量，并且被测孔件应与传感器外壳(测量臂)相连(即同时接大地)，只有这样才能形成电容。由于电容传感器的直径相对较大，且有效测量电极相对较长，电容量大，因而分布电容也较大，有时会因为有效测量电极与被测孔壁间距过小而未接触，电路就已自激。为了解决这一问题，使用如图10所示的紧固件结构，即，对电容传感器和紧固件内孔相应的设计了一定的锥度，锥度定位是较准确的定位方式，测量时，将被测孔件8与紧固件200拧在一起，插入传感器2。

图11示出了由本发明小深孔内径测量仪所形成的小深孔测试系统的一个实施例。为了提高系统的测量精度和实现深孔的孔径测量，该系统使用高精度的步进电机11带动一精密丝杠12实现孔轴方向的上下移动，从而控制被测孔件8的精确位移。计算机通过PCI口驱动步进电机11的运动，从而通过步进驱动准确的定位测量位置，因此，本发明可以实现深孔的自动测量。如果电容传感器2的测头与被测孔件不同心的话，电容量会随着偏移量的增大而增大，所以由两者偏心所引起的测量误差比较大。为了实现电容传感器2的测头和被测孔8的同心定位，本实施例中采用CCD照相机13进行拍照，并将CCD照相机13所摄画面传送到计算机内部。利用计算机图像处理软件对图像画圆对中心，实现了测量偏心的最小化，减小了偏心带来的测量误差。在测量平台上还安装有一台高精度的二维微调机构14，可以将电容传感器2的测头微动平移至相应位置，该二维微调机构14与CCD照相机13视觉的配合保证了测量时电容传感器2的测头与被测孔8具有高精度的同心度。测量中，电容传感器2插入被测孔8中，将有效测量电极与孔壁的间距转换为传感器电容量的变化。电容的微小信号经过振荡器6的调制，传送给放大器7进行放大。放大过的信号经过整流滤波器9分为两路，其中，一路通过USB7325数据采集卡负责采集电容传感器输出的数字电压信号，并通过USB接口将数据传送给计算机中的控制单元，以完成采样模块的功能，接下来，控制单元运行标定模块，由用户设定比例系数。在标定完成后，开始进行测量时，测量模块依据标定系数，对于采样模块获得的测量数据进行运算，获得测量结果，测量结果被送到分析模块进行相应的分析处理，最终在显示模块中以适当的方式显示出来，告知用户相应的测量结果和分析情况，如图2所示；另外一路经过A/D变换(模拟转数字)将模拟信号转换为数字信号，并送给数字表头显示。在上述的每个处理环节中计算机会不断地进行数据处理及存储，这一点是毋容置疑的。

通常，从被测对象到测量仪器有一定的距离，电容传感器初始电容量很小，容抗很高，而传感器的引线电缆电容(1～2米导线可达800pF)、测量电路的杂散电容以及传感器有效测量电极与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却很大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法正常工作。以下以带保护环的平行板电容传感器为例介绍寄生电容的影响，图5示出了寄生电容的相关理论原理，图中51是有效测量电极，52是保护环，53是绝缘层，54是保护层，V₁是有效电极(芯线)对大地的电压，V₂是内屏蔽对大地的电压。

设C_g是测头的总电容，C₁₂是保护环(内屏蔽)与有效电极(芯线)间的电容，C_r是有效测量电极与工件间电容，由物理学可推出寄生电容的计算公式如下所示：

$C_g=C_{12}(1-\frac{V_1}{V_2})+C_r$

由上式可知，当被测工件和有效电极间电压V₁和等位环与被测件间电压V₂相等时，等位环造成的寄生电容C₁₂基本别消除，C_g＝C_r，等位环所起的消除边缘效应的效果会更好。

因此，为了消除外来干扰和引线的有害寄生电容的影响，传感器与仪器的连线就要有一定的屏蔽措施。但这样一来会使电缆电容并联到传感器电容上，为了解决这一矛盾，一般采用驱动电缆技术。图6示出了驱动电缆技术电路原理，传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，电缆芯线201与传感器2的有效电极相连，内层屏蔽层202与等位环相连，其内屏蔽层202又与电缆芯线201(即信号传输线)通过1:1放大器相连而为等电位，从而消除了芯线201与内屏蔽层202之间的电容影响。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。采用这种“驱动电缆”技术可使电缆线长达10m之远也不影响传感器的性能。外屏蔽层203与传感器外壳相连并接大地(或接传感器地)用来防止外界电场的干扰。内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。这种驱动方案是根据驱动电缆的原始概念建立的一种完全驱动电缆方案，它是一种完善的驱动。1:1放大器是一个输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数为1(准确度要求达1/1000)的同相(要求相移为零)放大器。因此“驱动电缆”技术对1:1放大器要求很高，并且要求其输入电容接近于零，输入电阻为∞，输出电流足够大，频带足够宽等，电路复杂，成本很高，但能保证电容传感器的电容值小于1pF时，也能正常工作。由于上述完全驱动电缆方案成本高、电路复杂等缺点，实用电路常采用运算放大器法来减小电缆电容，图7示出了利用运算放大器电路虚地点减少电缆电容的原理示意图，此电路是利用运算放大器的虚地来减小电缆寄生电容C_p的影响的。电容传感器的有效测量电极经引线电缆芯线接运算放大器的虚地∑点，电缆20的屏蔽层与等位环相连共接传感器地，这是与传感器电容相并联的为等效电容C_p/(1+A)，因而大大减小了电缆电容的影响，外界干扰因屏蔽层接传感器地而对芯线不起作用。被测孔作为另一电极经传感器外壳(外屏蔽层)接大地，以防止外电场的干扰。实际上，这是一种不完全的电缆驱动技术，其电路比图7中的电路简单得多。设内屏蔽层对大地的电压为V_cab，芯线对大地的电压为V_CT，放大器的开环放大倍数为A，由于：

V_cab＝-V₀＝V_∑A

V_CT＝V_∑(1+A)

所以有：

ΔV＝V_CT-V_cab＝V_∑

电缆电容所产生的附加等效电容为：

$\mathrm{\ΔC}=C_{\mathrm{cab}}\frac{\mathrm{\ΔV}}{V_{\mathrm{CT}}}=C_{\mathrm{cab}}\frac{V_{\mathrm{\Σ}}}{V_{\mathrm{\Σ}}(1+A)}=\frac{C_{\mathrm{cab}}}{1+A}\≈\frac{C_{\mathrm{cab}}}{A}$

上式中C_cab为电缆内屏蔽层对芯线的电容。若C_cab＝200pF，A＝50000，则：

ΔC＝200/50000＝0.004pF。

由此可见，尽管仍存在电缆寄生电容的影响，但选A足够大时，可得到所需的测量精度。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种小深孔内径测量仪，包括电容传感器(2)、测量电路、数字表头显示器和控制单元，其特征在于，

所述电容传感器(2)为探针式圆柱形电容传感器，所述探针式圆柱形传感器包括测量臂(101)、柄部(104)、绝缘层缆(102)、电缆插头(109)，所述柄部(104)的前端设有与所述绝缘层缆(102)连接的测量臂(101)，所述测量臂(101)的前端套有环状有效测量电极(5)和两个等位环(4)，所述两个等位环(4)在轴向上平行地分布在所述环状有效测量电极(5)的两侧，所述每个等位环(4)的两侧均设有绝缘层，所述等位环(4)的轴向尺寸略小于或等于所述环状有效测量电极(5)的轴向尺寸；所述环状有效测量电极(5)与所述绝缘层缆(102)的芯线相连，所述两个等位环(4)与所述绝缘层缆的内屏蔽层相连并共接传感器地；所述探针式圆柱传感器通过电缆插头(109)与所述测量电路相连；

所述测量电路包括调谐振荡器(6)、运算放大器(7)、整流滤波器(9)和信号采集器以及一个固定电容(1)和一条接地线；所述环状有效测量电极(5)经引线电缆与所述运算放大器的虚地电连接，所述绝缘层缆的屏蔽层与所述等位环(4)相连且共接所述电容传感器地；

所述控制单元通过USB接口与所述测量电路联接，所述控制单元包括采样模块、标定模块、数据分析模块、测量模块和显示模块；其中，所述采集模块通过USB接口获取所述电容传感器(2)的测量数据；所述标定模块使用环规对于截距和斜率进行标定；所述测量模块用于对实际被测件进行测量；所述分析模块负责接收测量的数据，并对每一截面分别计算出其实际的半径，并对整个被测件的内孔，从一端到另外一端的变化情况进行计算；所述显示模块控制所述数字表头显示器联接，所述显示模块负责在数字表头显示器显示测量结果，并对被测件的截面半径变化情况进行显示。

2.根据权利要求1所述小深孔内径测量仪，其特征在于，所述测量臂的直径为0.9mm。

3.根据权利要求1所述小深孔内径测量仪，其特征在于，所述柄部(104)包括空心柄杆和设置在空心柄杆两端的锁母(103，106)，所述空心柄杆内设有用于连接电缆插头(109)的插座(105)，所述插座(105)通过紧定螺钉(107)固定在所述空心柄杆内。

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