CN103363888A - 基于电容传感器的上研磨盘浮离距离在线测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于电容传感器的上研磨盘浮离距离在线测量装置，所述上研磨盘的上方为动压盘，所述在线测量装置包括极距变化型电容传感器，所述极距变化型电容传感器包括相互针对设置的动极板和定极板，所述动极板布置在动压盘上，所述定极板布置在所述上研磨盘上，所述极距变化型电容传感器与运算放大器连接，所述的运算放大器与滤波器连接，所述的滤波器与A/D转换器连接，所述的A/D转换器与用于将送来的数据经过极距变化公式计算得到当前距离的单片机连接。本发明提供一种有效测量上研磨盘浮离距离、实时性良好的基于电容传感器的上研磨盘浮离距离在线测量装置。

Description

基于电容传感器的上研磨盘浮离距离在线测量装置

技术领域

本发明涉及研磨抛光装置，尤其是一种上研磨盘浮离距离在线测量装置。 

背景技术

随着现代电子、信息、光学等领域的飞速发展，抛光通常作为功能陶瓷元器件最终的加工方法，其地位也日益突出。抛光是指用高速旋转的低弹性材料抛光盘，或用低速旋转的软质弹性或粘弹性材料抛光盘，加抛光剂，具有一定研磨性质的获得光滑表面的加工方法。抛光一般不能提高工件形状精度和尺寸精度，故抛光的去除量是极其微小的，达到微米级别的。动压浮离抛光是一种非接触抛光。其工作原理是：当沿圆周方向有若干个倾斜平面的圆盘在液体中转动时，通过液体楔产生液体动压（动压推力轴承工作原理），使保持环中的工件浮离圆盘表面，由浮动间隙中运动的粉末颗粒对工件进行抛光。平面非接触抛光装置如图4所示。本装置采用德国西门子伺服电机、美国PMAC运动控制卡，当滑台到达工作位置附近之后，由每转输出5000脉冲以上的绝对式光电编码盘和激光位移传感器构成滑台位置的全闭环控制系统，实现滑台1微米级的定位精度。浮离动压抛光盘由安装在滑台上的转轴带动，通过直流电机及传动系统，实现0-140r/min的旋转运动。抛光盘和滑台底部安装有一定预紧力的弹簧，抛光盘和转轴采用间隙配合的花键连接，起到导向及传递扭矩的作用，当产生的动压力超过时候，抛光盘能沿着花键上下运动，实现动压浮离抛光。该加工过程中无摩擦热和工具磨损，标准平面不会发生变化，因此， 可重复获得精密的工件表面。该方法主要用于半导体基片和各种功能陶瓷材料及光学器件的抛光，可同时进行多片加工，具有较高的效率。 

在动压浮离抛光过程中需要知道测量上研磨盘与下研磨盘之间距离的实时变化，并及时反馈给控制器，以实现伺服系统微米级定位闭环控制。这时就面临对上研磨盘距离变化在线测量的这样一个问题。由于两者间的距离是微米级的，无法对其进行肉眼识别，又要实现在线测量，现在也没有比较科学的方法来解决这个问题。有研究采用终点判别的方法来度量，如在被加工的工件中嵌入晶片，当切除到指定的厚度时，光束发射器发出的光线就会通过晶片反射回来，通过对光线的捕捉就可得到光线的反射强度曲线，从而判别是否达到了指定的位置。但这种测量方法每次都要在工件上进行晶片的镶嵌，不仅操作复杂，而且增加了成本。所以实现对抛光过程中上研磨盘浮离距离的变化在线测量是目前一个亟待解决的难题。 

发明内容

为了克服已有上研磨盘浮离距离的无法准确测量、实时性较差的不足，本发明提供一种有效测量上研磨盘浮离距离、实时性良好的基于电容传感器的上研磨盘浮离距离在线测量装置。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种基于电容传感器的上研磨盘浮离距离在线测量装置，所述上研磨盘的上方为动压盘，所述在线测量装置包括极距变化型电容传感器，所述极距变化型电容传感器包括相互针对设置的动极板和定极板，所述动极板布置在动压盘上，所述定极板布置在所述上研磨盘上，所述极距变化型电容传感器与运算放大器连接，所述的运算放大器与滤波器连接，所述的滤波器与A/D转换器连接，所述的A/D转换器与用 于将送来的数据经过极距变化公式计算得到当前距离的单片机连接。 

进一步，所述极距变化型电容传感器有三个，三个电容传感器之间呈三角形结构。其是利用了三点确定一个面的原理。 

更进一步，所述三个电容传感器之间呈正三角形结构，所述正三角形的中心与所述动压盘的圆心重合。 

本发明的技术构思为：电容传感器原理：电传感器是采用电容器作为传感器元件，将不同的物理量的变化转换为电容量的变化。其工作原理如图1所示： 

$C=\frac{\mathrm{\ϵA}}{d}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{d}$

A——极板面积； 

d——极板间距离； 

ε_r——相对介电常数； 

ε₀——真空介电常数； 

ε——电容极板介质的介电常数。 

由上式可知，当d、A和ε_r中的某一项或某几项有变化时，就使电容发生了改变。实际应用，常使d、A、ε_r三个参数中的两个保持不变，而改变其中一个参数来使电容发生变化。所以电容式传感器可以分为三种类型：改变极板距离的d变间隙式；改变极板面积A的变面积式；改变介电常数ε_r的变介电常数式。 

本发明是利用电容传感器来测量厚度的变化，故采用了极距变化型电容传感器，如图2所示。设当传感器极距没有发生改变时的初始电容量为C₀，若传感器的极距由初始值d₀减小了Δd，则此时的电容C为： 

$C=C_0+\mathrm{\ΔC}\frac{\mathrm{\ϵS}}{d_0-\mathrm{\Δd}}=\frac{C_0}{1-\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}}=\frac{C_0(1+\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0})}{1-{\left(\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}\right)}^2}$

由上式可得：电容值的变化量与极距的变化是成非线性关系的，对其按泰勒级数展开，略去高次项，则可得到ΔC/C₀与Δd/d₀近似成线性关系： 

$\frac{\mathrm{\ΔC}}{C_0}\≈\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}$

电容传感器的灵敏度K为： 

$K=\frac{\mathrm{\ΔC}/C_0}{\mathrm{\Δd}}\≈\frac{1}{d_0}$

由公式可知，当d₀很小时，就可以得到很高的灵敏度，故特别适合微小范围的测量。 

本发明的有益效果主要表现在：1、能够对抛光过程中上研磨盘距离的变化实现在线测量，提高了加工质量，对加工均匀性研究有重要意义，因而具有广泛的应用前景；2、测量装置属非接触式测量，减小了受力的干扰，具有较高的精度；3、电容传感器精度高、灵敏度高、动态响应快、稳定性好，因而适合在线测量，并且有很高的精度；4、该装置操作简单，成本低，利用电容传感器技术可实现自动化。 

附图说明

图1是电容传感器原理图。 

图2是极距电容传感器原理图。 

图3是测厚系统框图。 

图4是动压浮离加工原型系统示意图。 

图5是电容传感器在动压盘上的分布图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。 

参照图1～图5，一种基于电容传感器的上研磨盘浮离距离在线测量装置，所述上研磨盘的上方为动压盘6，所述在线测量装置包括极距变化型电容传感器7，所述极距变化型电容传感器7包括相互针对设置的动极板8和定极板9，所述动极板8布置在动压盘6上，所述定极板9布置在所述上研磨盘上，所述极距变化型电容传感器7与运算放大器连接，所述的运算放大器与滤波器连接，所述的滤波器与A/D转换器连接，所述的A/D转换器与用于将送来的数据经过极距变化公式计算得到当前距离的单片机连接。 

进一步，所述极距变化型电容传感7有三个，三个电容传感器之间呈三角形结构。其是利用了三点确定一个面的原理。 

更进一步，所述三个电容传感器7之间呈正三角形结构，所述正三角形的中心与所述动压盘的圆心重合。 

动压浮离加工原型系统主要包括五大功能模块：机架，电容测距模块，动压盘浮离模块，微动限位模块和伺服微进给模块，如图4所示。由于动压盘有一定的面积，为了保证测量的准确性，根据三点确定一个平面的原理，布置了三个电容传感器，如图5所示。该电容传感器的工作原理是将被测量的厚度的变化转换为相应电容量的变化，但是由于d很小，此时电容量的变化是很微小的（几皮法到几十皮法），所引起的电压的变化也是非常小的。不能直接用来驱动显示，故要对其进行放大处理。这里采用运算放大器对其进行放大。由于信号在传递过程中不可避免地会有干扰信号的引入，因此要在信号进一步处理之前要对其进行滤波，提取有用的部分。再利用A/D转换器对信号进行 采集，送到单片机中处理，通过显示器显示出来。就可以对上研磨盘距离的变化实现在线测量。其系统框图如3所示。 

图4是动压浮离加工原型系统示意图，在电容测距模块里，如图5所示在动压盘上布置三个电容传感器，极距电容传感器工作原理如图2所示。动压浮离抛光过程中上研磨盘浮离距离的变化，通过极距电容传感器转化为电容的变化，经过运算放大器的放大，滤波器的滤波后，再由A/D转换器转换后，将数据送给单片机处理，经单片机处理后的数据由显示器显示出来，其系统框图如图3所示。通过读取显示器上的数据，就可以知道抛光过程中上研磨盘浮离距离的实时变化。 

Claims (3)

1.一种基于电容传感器的上研磨盘浮离距离在线测量装置，所述上研磨盘的上方为动压盘，其特征在于：所述在线测量装置包括极距变化型电容传感器，所述极距变化型电容传感器包括相互针对设置的动极板和定极板，所述动极板布置在动压盘上，所述定极板布置在所述上研磨盘上，所述极距变化型电容传感器与运算放大器连接，所述的运算放大器与滤波器连接，所述的滤波器与A/D转换器连接，所述的A/D转换器与用于将送来的数据经过极距变化公式计算得到当前距离的单片机连接。

2.如权利要求1所述的基于电容传感器的上研磨盘浮离距离在线测量装置，其特征在于：所述极距变化型电容传感器有三个，三个电容传感器之间呈三角形结构。

3.如权利要求2所述的基于电容传感器的上研磨盘浮离距离在线测量装置，其特征在于：所述三个电容传感器之间呈正三角形结构，所述正三角形的中心与所述动压盘的圆心重合。

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