CN113739693A - 基于电容法的柔性空心球型粗糙度测头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电容法的柔性空心球型粗糙度测头，包括柔性空心球体、柔性电极板；柔性电极板设置在空心球体的表面上，柔性电极板与电容测试仪器电连接。本发明中采用柔性电极板制作传感器极板，并设置虚地层，在使用自平衡桥原理的商用仪器来测试电容值时，可以控制寄生电容的影响，提高电容值测试精度；采用柔性空心球体来按压测头电极贴合被测工件，由于性空心球体在接触按压的过程中，存在中心鼓翘的特点，因此存在最佳贴合情况，通过仪器自动记录判断接触过程中，最佳贴合情况的电容值，可以最大保证标定操作与实际测量操作过程的接触状态的一致性，进而提高测试精度。
Description
技术领域
本发明涉及电容法测头技术领域，尤其涉及基于电容法的柔性空心球型粗糙度测头。
背景技术
电容法测量金属表面粗糙度的基本原理是：把电容器的上极板作为传感测头，下极板作为被测金属零件表面，则传感测头与零件共同构成一对容值为C的平板电容器。两板之间的电容C与极板之间的面积成正比，与平行极板之间的距离成反比。也就是说，当传感测头与被测零件表面之间的间隙改变时，C将发生变化。对于粗糙表面，不同的粗糙度将导致接触面的间隙不同，两极板间的电容值C也不同，通过理论分析与测试建立粗糙度与电容值之间的关系，就可以通过电容值来测试粗糙度值。
文献1：袁长良，丁志华，武文堂.表面粗糙度及其测量，北京：机械工业出版社，1989；
文献2：郭素贞.电容法测量表面粗糙度.机械工人冷加工.1992.06；
文献1和2示出了一种电容传感器的基本结构，利用一块挠性材料作为参考电极板，把一块标准的薄片电极用导电胶合剂贴附在导电合成橡胶基片上，并使导电合成橡胶与传感器金属壳体彼此绝缘，测量时挠性传感器探头接触零件表面，可以跟踪任意形状、任意曲率的被测零件表面的峰顶线，实际起到几何“截止值”的作用，因此从测量结果中可以自动地滤掉形状误差及表面波度的影响，测量精度较高。针对不同粗糙度的不锈钢样块，对电容法和触针法进行比较，在Ra为0.5-10um的范围内C的Ra存在着良好的相关规律；拟合曲线公式表达式为：
其中Ra为粗糙度
ε为空气介电常数，为8.85941pF/m
S电极板面积，本例中为50.24mm2
Ca＝测试设备寄生电容,本例中为-0.4893pF,
C0＝电极板表面电容(粗糙度为0时的电容)，本例中为36.5065。
k为粗糙表面修正系数，本例中为1.1591。
通过以上关联模型，就可以进行粗糙度的测量。
文献3：申请号为201820677597.7的实用新型公开了《一种基于电容法检测粗糙度的柔性探头》，其本质是一种柔性实心灌胶式粗糙度测头。
采用导电合成橡胶支撑极板的同时导电或实心柔性探头接触被测表面时，不同的操作压力会带来电容值的不同，从而带来测量误差。要保证测量操作过程的接触力与标定操作按压力一致，比较困难。导致原因是金属极板为柔性极板，不同按压力下，与被测粗糙表面的接触情况各有不同。按压力大，接触的更紧密，电容值越大，粗糙度示值将越小。
因此需要一种新型的基于电容法的柔性空心球型粗糙度测头来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于电容法的柔性空心球型粗糙度测头。
基于电容法的柔性空心球型粗糙度测头，包括：
柔性空心球体；
柔性电极板；柔性电极板设置在空心球体的表面上，柔性电极板与电容测试仪器电连接。
优选地，柔性空心球体为橡胶制成。
优选地，空心球体直径为60mm，壁厚3mm。
优选地，柔性电极板包括依次叠加连接的第一绝缘层、第一虚地层、第二绝缘层、信号层、第三绝缘层、第二虚地层、第四绝缘层，第一虚地层、信号层、第二虚地层均通过接头转接到电容测试仪器。
本发明的有益效果在于：
1、采用柔性电极板制作传感器极板，并设置虚地层，在使用自平衡桥原理的商用仪器来测试电容值时，可以控制寄生电容的影响，提高电容值测试精度。
2、采用柔性空心球体来按压测头电极贴合被测工件，由于性空心球体在接触按压的过程中，存在中心鼓翘的特点，因此存在最佳贴合情况，通过仪器自动记录判断接触过程中，最佳贴合情况的电容值，可以最大保证标定操作与实际测量操作过程的接触状态的一致性，进而提高测试精度。
附图说明
图1是本发明的工作原理图；
图2是本发明的主视图；
图3是本发明的仰视图；
图4是本发明中第一虚地层、第二虚地层、信号层的结构示意图；
图5是本发明中柔性电极板的构成示意图；
图6是本发明中第一种载荷下球体接触部位的应力分布情况图；
图7是本发明中第二种载荷下球体接触部位的应力分布情况图；
图8是本发明中第三种载荷下球体接触部位的应力分布情况图；
图9是本发明中测头接触压力与按压位移之间的关系；
图10是采用球体测头的粗糙度-电容工程模型拟合数据；
图11是采用原圆柱测头的粗糙度-电容工程模型拟合数据；
图中：1-柔性电极板；11-第一虚地层；12-第二虚地层；13-信号层；14-第一绝缘层；15-第二绝缘层；16-第三绝缘层；17-第四绝缘层；110-测试电极；2-空心球体；3-金属工件；4-置物台电极板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-3所示，基于电容法的柔性空心球型粗糙度测头，包括由橡胶制成的柔性空心球体、柔性电极板；柔性电极板粘贴在空心球体的表面上。
如图4和图5所示，柔性电极板包括依次叠加连接的第一绝缘层、第一虚地层、第二绝缘层、信号层、第三绝缘层、第二虚地层、第四绝缘层，第一虚地层、信号层、第二虚地层均通过标准FPC卡扣接头转接到电容测试仪器。空心球体的尺寸优选为：直径为60mm，壁厚3mm。
与现有技术中的实心硅凝胶探头不同，空心橡胶球与物体的接触面应力存在一定分布，且按压接触过程中，在按压力较大时，在接触中心会产生翘曲行为，形成接触脱离趋势(如图6-8所示)。这样整个电极的的接触压力在按压过程中会出现一个极大值(如图9所示)。可以认为此极大值状态即为贴合最好状态，通过上位机连续记录测试值，编程自动记录接触状态拐点位置，并以最佳贴合状态电容值来表征粗糙度值。
在测量操作时，将金属工件放置在置物台电极板上，手持空心球体，对准被测部位，将柔性电极板的测试电极按压接触被测金属工件，采用商用仪器测得柔性电极板与置物台电极板之间的电容值，进一步通过标定拟合公式进行粗糙度的求解。测试示意如图1所示。
实测表明，采用柔性空心球体与柔性电极板的设计组合，对测试模型的误差情况有显著改善。针对不同粗糙度的不锈钢样块，对电容法和触针法进行比较，在Ra为0.5-10um的范围内C的Ra存在着良好的相关规律，唯象拟合曲线公式表达式为：
上式中：
Ra——粗糙度Ra，um；
k0——零阶面积修正系数；
k1——一阶面积修正系数；
ε——空气介电常数，8.85941pF/m；
S——电极板面积，mm2；
Ca——电极板绝缘层电容，pF；
圆柱头粗糙度-电容拟合数据如图11所示，模型参数Ca＝40.4pF，k0＝0.826，k1＝-0.01587，模型精度情况总方差SSE＝26.85，相关系数R-square＝0.9715，均方差RMSE＝0.5758。空心球头粗糙度-电容拟合数据如图10所示，模型参数Ca＝21.64pF，k0＝0.683，k1＝-0.01415，模型精度情况总方差SSE＝5.231，相关系数R-square＝0.9934，均方差RMSE＝0.2773。从模型精度情况来看，空心球测头数据要明显好于圆柱测头数据，表明改进设计有效。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于电容法的柔性空心球型粗糙度测头，其特征在于，包括：
柔性空心球体；
柔性电极板；柔性电极板设置在空心球体的表面上，柔性电极板与电容测试仪器电连接。
2.根据权利要求1所述的基于电容法的柔性空心球型粗糙度测头，其特征在于，柔性空心球体为橡胶制成。
3.根据权利要求1或2所述的基于电容法的柔性空心球型粗糙度测头，其特征在于，空心球体直径为60mm，壁厚3mm。
4.根据权利要求1所述的基于电容法的柔性空心球型粗糙度测头，其特征在于，柔性电极板包括依次叠加连接的第一绝缘层、第一虚地层、第二绝缘层、信号层、第三绝缘层、第二虚地层、第四绝缘层，第一虚地层、信号层、第二虚地层均通过接头转接到电容测试仪器。
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