CN102042800B - 深孔内径检测的高精度微位移量检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于仪器仪表技术领域，特别适用于深孔内径检测的高精度微位移量检测装置。本发明测量支架前端固定安装有转动架，转动架对称设置有合金测头、合金触头，测量支架安装有传感器座，传感器座上对称设置有传感器，传感器与合金测头对峙设置；传感器通过差动变压器接口电路模数转换器输入端连接，模数转换器通过微处理器分别与显示器、通信接口电路、打印接口电路连接。本发明用电感式位移传感器配合机械装置检测深孔内径微位移信号，通过LVDT信号处理电路和DAS系统组芯片采集、变换，进入微处理器实现信号处理及补偿计算，得到深孔内径数据。本发明结构简单、稳定性好、灵敏度高、可靠性高，使用操作简便。

Description

深孔内径检测的高精度微位移量检测装置

技术领域

本发明属于仪器仪表技术领域，特别适用于深孔内径检测的高精度微位移量检测装置。

技术背景

在机械工程等设备中广泛使用深孔类零件，如油缸、气缸、各种管道以及兵器中的火炮身管等。这类零件上的孔不但长径比大，而且检测的要求比较高。以火炮身管为例，其内径在25～160mm范围内，长度可达10m以上。其测量方法的特点是，利用电感式位移传感器、机械传递机构、传感器激励电路、信号变换电路等，对孔径变化的微位移量检测。目前，机械传递机构，信号处理电路部分仍存在如下缺点：

1.机械传递机构中，电感式位移传感器探头磨损严重，维护工作量增大。

2.机械传递机构中，同时对带阴阳膛线深孔的测量方式不适应。

3.仪器标定时，信号变换电路仍沿用机械电位器调整，受使用环境影响较大。

4.由于电感式位移传感器加工一致性不能满足测量精度要求，通常需要为每个传感器加补偿元件来修正，操作性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够减少传感器探头磨损，同时完成带阴阳膛线深孔的测量，实现零点和满度的电气调整，大大提高测量精度及可靠性的深孔内径检测的高精度微位移量检测装置。

技术解决方案：本发明包括：测量支架，测量支架前端固定安装有转动架，转动架中心轴线两侧上端对称设置有合金测头，转动架中心轴线两侧下端对称设置有合金触头，测量支架下端固定安装有传感器座，传感器座中心轴线两侧对称设置有传感器，传感器与合金测头对峙设置；传感器的输出端与差动变压器接口电路的输入端连接，差动变压器接口电路的输出端与模数转换器输入端连接，模数转换器输出端与微处理器输入端连接，微处理器输出端分别与显示器、通信接口电路、打印接口电路连接。

传感器触头安装有探测触铁。

差动变压器接口电路包括：AD698(U1)和C1_1、C1_2、C1_3、C1_4、C1_5、C1_6、C1_7、C1_8、C1_9、R1_1、R1_2、R1_3、W1_2、W1_3、W1_4组成；AD698(U1)连接C1_1、R1_1产生一定频率的正弦波激励，连接电感式微位移传感器；AD698(U1)连接R1_3、R1_4、W1_3、W1_4调整正负零点；AD698(U1)连接R1_2、W1_2调整满度，连接模数转换器(6)；AD698(U1)连接C1_2、C1_3、C1_4、C1_5输出信号滤波；AD698(U1)连接C1_6、C1_7、C1_8、C1_9电源滤波。

模数转换器包括：CS5524(U3)和Y1、C1_10、C1_11、C1_12、R1_10、R1_11、D1_1、D1_2组成；C1_10、R1_10、R1_11连接AD698(U1)、R1_2、W1_2输出构成平衡滤波电路；C1_11、C1_12、D1_1、D1_2连接C1_10、R1_10、R1_11和CS5524(U3)构成保护滤波电路；CS5524(U3)输出连接微处理器。

本发明采用双探头设计可以同时完成带阴阳膛线深孔的测量，保证了测量的稳定性；微处理器中的主控机采用高性能单片机实现信号处理及补偿计算。模数转换器中的内径数据采集采用先进高性能DAS系统组芯片，实现AD精度可达16位，内置低漂移仪表放大器具有很高的精度和稳定性。而且零点和满度的调整由该DAS芯片内部电路进行电调整，原理上消除了传统电位器调整所带来的弊端，大大提高了测量的精度及可靠性。另外系统设置了两级看门狗。高性能单片机与DAS的完美结合，使系统更加可靠。系统具有结构设计合理，功能完善.操作简单，读数直观，误差小、精度高等优点。经实验鉴定，测量仪的分辨率可达±1μ；重复性可达±3μ，能够满足各种不同型号的深孔内径的测量要求。

本装置结构简单、稳定性好、灵敏度高、可靠性高，使用操作简便。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明电气处理部分结构框图；

图3为本发明深孔内径检测电路原理图；

图4为本发明深孔内径检测工艺流程图。

具体实施方式：

本发明包括电气处理部分和机械处理部分；所述机械处理部分包括：测量传递机构包括：传感器13、探测触铁14、固定螺栓15、测量支架16、合金测头17、转动架18、转轴19、合金触头20、传感器座21、传感器紧固夹22，测量支架16设有转动架18，转动架18由转轴19将其固定安装在测量支架16上，转动架18中心轴线两侧上端对称设置有合金测头17，合金测头17是感受被测孔径的变化，并将该位移传递给转动架18；转轴19给转动架18提供一个转动支点；转动架18中心轴线两侧下端对称设置有合金触头20，合金触头20，和电感式微位移传感器13中的探测触铁14直接接触，负责把位移传递给探测触铁14；测量支架16下端固定安装有传感器座21，传感器座21中心轴线两侧对称设置有电感式微位移传感器13，传感器座21和传感器紧固夹22用于安装、紧固电感式微位移传感器13；电感式微位移传感器13的触头上设有探测触铁14，传感器13与合金测头17对峙设置；合金测头17，感受被测孔径的变化，并将该位移传递给转动架18；转动架18将合金测头17感受的径向位移通过转轴19转换为一个轴向位移，并将该位移传递给合金触头。转轴19，给转动架提供一个转动支点；合金触头20和电感式微位移传感器13中的探测触铁14直接接触，负责把位移传递给探测触铁14。

所述电气处理部分包括：机箱1；交流电源2向装置系统提供电能，与机箱1内电源整流稳压器3相连，作为机箱1内电源整流稳压器3的输入；机箱1内电源整流稳压器3用于将交流电源2提供的交流电能转换为稳定的12V直流电能，作为系统电源处理电路部分4的输入，以提供稳定直流电源；电源处理部分4用于将电源整流稳压器3提供的12V直流电能隔离、转换为稳定的+12V、-12V和+5V电能，并与差动变压器接口电路5、模数转换器6、微处理器7、微位移量显示器8、通讯接口电路9、打印接口电路10、微型打印机11、键盘电路12相连，以提供稳定直流电源；电感式微位移传感器13，用于将机械处理部分所产生的机械微位移量转换为相应的电量；并作为输出，又作为差动变压器接口电路5的输入与差动变压器接口电路5连接；电感式微位移传感器13中的探测触铁14，直接与机械分析部分的合金触头20接触，当合金测头17受到微位移挤压时，转动架18将合金测头17感受的径向位移通过转轴19转换为一个轴向位移，探测触铁14将在电感式微位移传感器13中产生位移，从而改变微位移传感器13次级线圈对正弦激励的响应，使得电感式微位移传感器13的输出响应随着探测触铁14的位移变化而变化；差动变压器接口电路5，用于为电感式微位移传感器13的初级线圈提供正弦波激励，并对电感式微位移传感器13的输出信号进行同步解调；并对解调后的信号滤波、整形、放大，从而得到一个随探测触铁14位移变化而线性变化的直流电压，再将该电压输入到模数转换器；模数转换器6，用于将差动变压器接口电路5输出的直流模拟电压量转换为数字量，作为微处理器7的输入与微处理器7相连；微处理器7对数字信号进行滤波、标度变换等处理，并将处理得到的微位移量送给显示器8，同时，还可将处理结果送到通信接口电路9和打印接口电路10。微位移量显示器8作为显示结果终端，显示其微位移的量化值。通讯接口电路9，用于将测量结果上传到上位机，以便进行分析、存储；打印接口电路10，用于将处理结果通过RS-232总线传送到微型打印机；微型打印机11，用于打印测量结果，以便分析对比。键盘电路12，和微处理器7相连，用于设定仪表量程、及打印、通信等功能。

本发明差动变压器接口电路5包括：AD698(U1)和C1_1、C1_2、C1_3、C1_4、C1_5、C1_6、C1_7、C1_8、C1_9、R1_1、R1_2、R1_3、W1_2、W1_3、W1_4组成。AD698(U1)连接C1_1、R1_1产生一定频率的正弦波激励，连接电感式微位移传感器(13)；AD698(U1)连接R1_3、R1_4、W1_3、W1_4调整正负零点；AD698(U1)连接R1_2、W1_2调整满度，连接模数转换器(6)；AD698(U1)连接C1_2、C1_3、C1_4、C1_5输出信号滤波；AD698(U1)连接C1_6、C1_7、C1_8、C1_9电源滤波。

模数转换器6包括：CS5524(U3)和Y1、C1_10、C1_11、C1_12、R1_10、R1_11、D1_1、D1_2组成。C1_10、R1_10、R1_11连接AD698(U1)、R1_2、W1_2输出构成平衡滤波电路；C1_11、C1_12、D1_1、D1_2连接C1_10、R1_10、R1_11和CS5524(U3)构成保护滤波电路；CS5524(U3)输出连接微处理器7。

主机前面板上有数字显示屏、及4个功能按键。后面板上有电源插座、保险器、测量信号电缆插座和电源开关。

具体操作步骤如下：

(一).仪器校准

1、系统连接

将与被测孔径相适用的样规及相对应的测量头和测量仪从仪器箱中取出，稳妥放置于工作场地，将测量电缆两端分别与测量仪和测量头连接，测杆与测量头暂不要连接。测量头由导向环和测量传递机构组成，导向环的作用是保证测量传递机构能够在深孔内与轴线平行，测量传递机构完成对深孔内径微位移量的转换。测杆由合金铝管制成，内穿有测量电缆，杆上刻有测量深度标记，管内穿有测量电缆，第一节杆上装有定中心圆盘。测量时，测杆与测量头连接，由人工根据测量深孔工艺要求对进测量头，分别测量深孔不同位置的内径。

2、仪器调整

校准装置由定位板、定位拄和各类孔径样规组成。使用校准装置对测量头校准。样规共有五套，1-4号样规是光膛深孔测量用的样规，它们都由一个零样规(第一样规)和一个标定样规(第二样规)组成。5号样规是带膛线深孔测量用样规，5号样规由两个零样规和两个标定样规组成，它的第一、三样规为零样规，第二、四样规为标定样规。

每个样规上面都分别标注有它们的内圆直径的实测尺寸。

A：系统零点标定

将定位柱插入样规底座定位板上的孔中。使测量头前导向环上的槽向下，小心沿V形铁送入样规，测量头前端接触到定位销，手离开测量头，测量头在样规中处于自然状态，使用测量仪面板上功能键“F”输入功能“校零”，并选择相应通道号，数显表显示对应通道号闪烁，按下“＜”键，数显表显示测量值变为±0000um，该通道零点标定完成；若测量值没有回零，可多按几次确认键，直到回零为止。同理可标定其他通道的零点。

B：系统满度标定

将测量头退回约5mm，拨出定位柱，再将测量头向前推，使测量头前端顶住定位板，手离开测量头，使测量头处于自然状态。使用测量仪面板上功能键“F”输入功能“校满”，数显表显示对应得通道号闪烁。通过“+”、“-”键调整所需的满度值，使数显表显示值为第二样规与第一样规孔径之差的一半，按下“＜”键，满度标定完成。同理可标定其他通道的零点。

C：系统复检

将测量头退回约30mm，将定位柱插入定位板上的孔中，再将测量头向前推，使测量头前端接触定位柱，手离测头，侧头在样规中处于自然状态。这时阳线数显表显示值应为0000±1，否则，需再重复进行A和B步骤的调整。

D：系统零点偏差修正

由于标准样规的孔径的实际值和期望值存在少许偏差(如：期望值＝105.00mm，实际值＝105.03mm)，所以在测量中要将其修正。具体操作如下：按功能键进入偏差修正菜单，按+键修改垂直/阳线的修正值，修正值从-5到+5(代表实际值的-0.05mm到+0.05mm)循环变化，输入正确的修正值后按确认键将其保存；同理，按-键可修改水平/阴线的修正值。至此，仪器校准完毕，可用于测量被测炮管的内直径。

(二).显示

为使操作人员及时清楚看清所测内径数据，智能数字深孔测径仪采用高清晰数字VFD对测量结果、及设置过程中的参数进行显示。并可根据外界环境的亮度自动调节VFD的显示亮度。

(三).键盘操作

面板键操作说明

智能数字深孔测径仪面板上设置了四个键，以完成系统零点及满度标定，实时显示测量值等功能。健盘响应速度为3次/秒。下面分别说明各键的功能及操作方法。

1.″F″键：功能选择键：选择功能号。由功能号决定在面板上所能进行的操作及VFD显示。

2.″+″″-″键：修改参数值。执行时分为三档，当按下键持续时间为：

0～5秒时，每次+1

5～10秒时，每次+10

＞10秒时，每次+100

3.″＜″键：确认键/参数修改时状态转换键。

Claims (1)

1.深孔内径检测的高精度微位移量检测装置，包括：测量支架(16)，其特征在于，测量支架(16)前端固定安装有转动架(18)，转动架(18)中心轴线两侧上端对称设置有合金测头(17)，转动架(18)中心轴线两侧下端对称设置有合金触头(20)，测量支架(16)下端固定安装有传感器座(21)，传感器座(21)中心轴线两侧对称设置有电感式微位移传感器(13)，电感式微位移传感器(13)的触头上设有探测触铁(14)，电感式微位移传感器(13)与合金测头(17)对峙设置；电感式微位移传感器(13)的输出端与差动变压器接口电路(5)的输入端连接，差动变压器接口电路(5)的输出端与模数转换器输入端连接，模数转换器(6)输出端与微处理器(7)输入端连接，微处理器(7)输出端分别与显示器(8)、通信接口电路(9)、打印接口电路(10)连接。

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