專利名稱：基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密儀器與測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于球形電容極板的超精密非接觸式 三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)50年代末三坐標(biāo)測量機(jī)出現(xiàn)以后，以三坐標(biāo)測量機(jī)為代表的坐標(biāo)測量設(shè)備迅速 成為航空航天、汽車工業(yè)、精密制造等領(lǐng)域中各種復(fù)雜零件檢測的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由精密測頭和 信號轉(zhuǎn)換與處理電路組成的瞄準(zhǔn)與測量傳感器是坐標(biāo)測量設(shè)備的技術(shù)核心，尤其精度lpm以 上的計量型坐標(biāo)測量機(jī)，大多采用復(fù)雜的具有亞微米精度的三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器，其技術(shù) 含量甚至超過測量機(jī)本身。近年來，具有大深徑比與深寬比的深孔、狹槽及內(nèi)腔體零件的廣 泛應(yīng)用，對瞄準(zhǔn)與測量傳感器的可測深度和測量精度提出了新的挑戰(zhàn)。
非接觸式瞄準(zhǔn)與測量傳感器尤其是基于各種原理的光學(xué)傳感器是近年來精密量儀廠家 的研究重點，但光學(xué)式測頭一般均存在難以深入內(nèi)腔體測量的顯著缺陷；同時無論是傳統(tǒng)的 "電眼"，還是最新研制出的各種光學(xué)傳感器，受原理和技術(shù)限制，容易受被測工件材料特 性和表面光潔度影響，其測頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量精度較低。目前非接觸式瞄準(zhǔn)與測量技術(shù)的主 要發(fā)展方向是光學(xué)式二維測頭，主要用于曲率不大、精度要求不高的外部輪廓與形狀測量。
接觸式瞄準(zhǔn)與測量傳感器的測頭配合長測桿及延長桿，具有可深入深孔、狹槽及內(nèi)腔體 測量的技術(shù)優(yōu)勢，其技術(shù)相對成熟，應(yīng)用非常廣泛。接觸式瞄準(zhǔn)與測量傳感器的測頭一般由 測端、測桿、敏感單元、測桿裝卡機(jī)構(gòu)、測頭主體等部分組成，根據(jù)敏感單元的工作方式可 分為觸發(fā)式與掃描式兩大類。
觸發(fā)式測頭(1.瑞士特莎有限公司，"觸發(fā)探針及用于裝配觸發(fā)探針的方法"，中國專利 申請?zhí)?2154364.X; 2.成都司塔瑞測控工程有限公司，"新型三維電子觸發(fā)測頭"，中國專 利申請?zhí)?3233026.X)的原理是當(dāng)測端和被測工件接觸時發(fā)出觸發(fā)信號，通過測量機(jī)建立 的坐標(biāo)系確定接觸點的坐標(biāo)，根據(jù)敏感單元的原理又分為電接觸式和固態(tài)傳感式兩大類。電 接觸式測頭是在測頭主體內(nèi)部同一水平面內(nèi)以120°均布3個定位柱，每個定位柱與其下面的2個支承球構(gòu)成1對觸點副，3對觸點副在電氣上串聯(lián)構(gòu)成閉合回路，當(dāng)測端受測量力作 用而使任意一個觸點副斷開，測頭就發(fā)出觸發(fā)信號。固態(tài)傳感式測頭是以應(yīng)變片或壓電傳感 器代替電接觸式測頭中的機(jī)械觸點副，其觸發(fā)更為靈敏，且大大減小了測頭的各向異性和預(yù) 行程變化，在測量力、重復(fù)性等指標(biāo)上都較電接觸式測頭有了較大提高。
觸發(fā)式測頭結(jié)構(gòu)簡單，不需要復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)換與處理電路，成本較低，在三維測頭中應(yīng) 用最為廣泛，但其存在幾個明顯缺點1)測量力引起的測桿彎曲嚴(yán)重影響測量精度，固態(tài) 傳感式測頭更為靈敏，但其測量力一般很難低于0.01N量級，且易受干擾產(chǎn)生誤觸發(fā)；2) 測頭從接觸工件到發(fā)出觸發(fā)信號存在一定的預(yù)行程；3)測頭不同方向的觸測力與預(yù)行程存
在差異，即存在各向異性，是重復(fù)性誤差的最大來源。由于上述原因，觸發(fā)式測頭的精度很 難突破微米量級的瓶頸。
掃描式測頭(1. Renishaw plc， "Probe for High Speed Scanning",國際專利申請?zhí)?PCT/GB2003/005317; 2. Renishaw pic, "Capacitive Displacement Sensor",國際專利申請?zhí)?PCT/GB02/00413)是接觸式瞄準(zhǔn)與測量傳感器測頭的另一個重要分支，與觸發(fā)式測頭不同的 是其測端與被測件接觸后，在發(fā)出瞄準(zhǔn)信號的同時還要給出測端的微位移，即兼具瞄準(zhǔn)和測 微兩種功能。三維掃描式測頭的技術(shù)關(guān)鍵在于提供一種靈敏度高、直線度好的三維微導(dǎo)軌結(jié) 構(gòu)，根據(jù)敏感單元的原理主要有光電靈敏杠桿式、電感傳感器式等種類。光電靈敏杠桿式測 頭是將傳統(tǒng)光電靈敏k桿的機(jī)械和光電轉(zhuǎn)換部分集成到測頭主體內(nèi)部，如Renishaw SP80型 測頭采用三對平行片簧構(gòu)成三維微導(dǎo)軌，將測桿和一立方反射鏡剛性連接，立方反射鏡的三 個正交面上帶有刻度，三個相應(yīng)的讀數(shù)頭安裝在測頭主體側(cè)壁上，實現(xiàn)測端位移的轉(zhuǎn)換與輸 出。電感式三維測頭是目前三維測頭中精度最高的一種，它也是基于三維微導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，但它 三維上的微位移是用精密電感傳感器測得，可達(dá)到納米級分辨力與亞微米級精度，高精度電 感式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器是目前計量型坐標(biāo)測量機(jī)的技術(shù)核心。
掃描式測頭能實現(xiàn)較低的測量力和較高的測量精度，尤其電感式三維測頭能達(dá)到亞微米 級精度。但掃描式測頭用于大深徑、深寬比內(nèi)尺寸零件測量時存在下列問題1)測量力很 難低于0.01N量級，在對具有大深徑比與深寬比的深孔、狹槽及內(nèi)腔體零件進(jìn)行測量時，測 量力引起的測桿彎曲仍然是影響測量精度與可測深度最主要的因素，根據(jù)附圖l所示仿真結(jié) 果，測桿彎曲引入最大允許誤差為50nm、材料彈性模量為200Gpa時，測桿長徑比最大不能 超過10: 1; 2) —維測頭較容易實現(xiàn)，且能達(dá)到較高的分辨力和精度，而三維測頭結(jié)構(gòu)十分 復(fù)雜，且精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到一維測頭的水平。目前，長徑比大于6、測量不確定度優(yōu)于0.1n掃描速度為(0.5~80) mm/s的"理想測頭"仍然是國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)努力的目標(biāo)。
現(xiàn)有的接觸式測頭由測端對工件進(jìn)行觸測，但敏感單元卻布置在測頭主體內(nèi)部而遠(yuǎn)離觸測點，從結(jié)構(gòu)上看很不合理。為解決測量力引起測桿彎曲及測頭高速運(yùn)動時運(yùn)動慣性對測量精度產(chǎn)生影響的問題，英國Renishaw公司于2007年提出了一種名為"測端敏感"的測頭技術(shù)(Renishaw plc ， " Surface Sensing Device with Optical Sensor ，，， 國際專禾!j申請?zhí)朠CT/GB2006/001534)，其原理如圖2所示，測端上裝有微小反射鏡，測頭主體內(nèi)裝有激光光源與位置傳感器PSD，測桿中空，激光入射到測端的微小反射鏡上再反射回PSD上，當(dāng)測桿因測量力或運(yùn)動慣性發(fā)生彎曲時，準(zhǔn)確的測端位置可被PSD感知。"測端敏感"技術(shù)在原理上是精密測頭的一次革命性進(jìn)展，但現(xiàn)有"測端敏感"技術(shù)尚存在下列不足1) PSD對測桿變形只在二維內(nèi)敏感，而無法實現(xiàn)三維敏感；2)在對測桿變形進(jìn)行補(bǔ)償時，測桿變形只能視為線性彎曲，存在原理近似；3)測桿越長，補(bǔ)償效果越差。其測量力與運(yùn)動慣性引起的測桿變形仍然是影響測量精度與可測深徑比最主要的因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對航空航天、汽車工業(yè)、精密制造等領(lǐng)域中具有大深徑比與深寬比的深孔、狹槽及內(nèi)腔體零件精密測量的需求，提供一種基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器，以解決現(xiàn)有接觸式瞄準(zhǔn)與測量傳感器存在各向異性、測量力引起的測桿變形嚴(yán)重影響測量精度，非接觸式瞄準(zhǔn)與測量傳感器難以深入內(nèi)腔體、測量精度較低等問題，從根本上解決現(xiàn)有技術(shù)中測量精度與可測深度的矛盾，為具有大深徑比與深寬比的深孔、狹槽及內(nèi)腔體零件的高精度測量提供了 一種有效的三維超精密傳感器。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器，包括測頭與信號轉(zhuǎn)換與處理電路，測頭由球形測端、測桿、信號導(dǎo)線、 一位驅(qū)動管、絕緣部件、測桿裝卡機(jī)構(gòu)和測頭主體裝配構(gòu)成，其中，信號導(dǎo)線裝配在等位驅(qū)動管內(nèi)，等位驅(qū)動管裝配在測桿內(nèi)，信號導(dǎo)線與等位驅(qū)動管、等位驅(qū)動管與測桿之間通過絕緣部件相互絕緣定位，測桿裝卡在測桿裝
卡機(jī)構(gòu)上，測桿裝卡機(jī)構(gòu)安裝在測頭主體上；在絕緣部件端部連接安裝球形測端，球形測端的外表面設(shè)有球形電容極板，測桿、等位驅(qū)動管與球形電容極板相互絕緣，信號導(dǎo)線與球形電容極板電氣連接；信號轉(zhuǎn)換與處理電路采用電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路，等位驅(qū)動管通過電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路中的等位驅(qū)動電路實現(xiàn)與信號導(dǎo)線等電位，測桿在審氣上接大地。
所述測桿裝卡機(jī)構(gòu)由鎖緊螺釘、壓墊和錐形鎖緊套構(gòu)成，錐形鎖緊套的內(nèi)圓柱面與測桿
間隙配合，外錐面與測頭主體的內(nèi)錐面配合；錐形鎖緊套一側(cè)設(shè)有開口，且在與開口等間隔
位置處設(shè)有減壓槽，鎖緊螺釘?shù)耐饴菁y與測頭主體上的內(nèi)螺紋裝配配合，在錐形鎖緊套與鎖
緊螺釘之間安裝由彈性材料制作的壓墊。
所述球形測端由導(dǎo)電金屬、導(dǎo)電合金或在絕緣材料上鍍導(dǎo)電薄膜構(gòu)成。所述等位驅(qū)動管靠近球形測端的位置成喇叭口結(jié)構(gòu)。
所述信號導(dǎo)線可以直接裝配在測桿內(nèi)，二者之間通過絕緣部件相互絕緣定位。所述信號導(dǎo)線與球形測端的連接方式為焊接或機(jī)械連接。
所述電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路與測頭通過三同軸電纜相連，三同軸電纜的外屏蔽層、內(nèi)屏蔽層、芯線分別與測桿、等位驅(qū)動管、信號導(dǎo)線連接。
可以將所述的電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路整體或電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路的前端信號轉(zhuǎn)換與處理部分直接裝配在測頭主體內(nèi)部。
所述電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路為運(yùn)算放大式電路或交流電橋式電路。
本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新性及產(chǎn)生的積極效果在于
(1) 本發(fā)明提出了一種超精密非接觸式三維傳感方法。以球形電容極板作為敏感單元，以三同軸結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電容信號傳輸中的等位驅(qū)動與屏蔽，以電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路進(jìn)行傳感信號的高精度轉(zhuǎn)換與處理，對被測件的位移、尺寸形狀、位置或三維坐標(biāo)等參數(shù)進(jìn)行非接觸式高分辨力瞄準(zhǔn)與測量，徹底消除了接觸式測量中觸測力引起的測桿變形，其測端無摩擦、無磨損，最大可測深徑比可達(dá)到100: 1以上，從根本上解決了現(xiàn)有技術(shù)中測量精度與可測深度的矛盾。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之一。
(2) 本發(fā)明提供了一種具有任意方向瞄準(zhǔn)觸發(fā)與測微功能的高精度三維測頭。球形電容極板在空間三維任意方向都具有一致的傳感特性，消除了現(xiàn)有瞄準(zhǔn)測頭存在各向異性、傳感特性對測桿姿態(tài)敏感等伺題，大大提高了測頭重復(fù)裝調(diào)后的測量重復(fù)性；本發(fā)明無需復(fù)雜的三維微導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，測頭中不存在運(yùn)動副，結(jié)構(gòu)簡單可靠，易于集成，不存在機(jī)械慣性引起的動態(tài)誤差和遲滯誤差，其分辨力可達(dá)到納米量級。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之二。
(3) 本發(fā)明中球形電容極板作為瞄準(zhǔn)與測量傳感器的敏感單元，與球形測端合二為一，避免了現(xiàn)有接觸式瞄準(zhǔn)與測量傳感器由測端對工件進(jìn)行觸測、敏感單元卻位于測頭主體內(nèi)而遠(yuǎn)離測量點的缺陷。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之三。


圖1為接觸式測頭中測桿最大長徑比的仿真結(jié)果；
圖2為英國Renishaw公司"測端敏感"技術(shù)的原理示意圖3為本發(fā)明基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明中測桿裝卡機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖5為本發(fā)明測桿裝卡機(jī)構(gòu)中錐形鎖緊套的結(jié)構(gòu)示意圖6為本發(fā)明測頭結(jié)構(gòu)中等位驅(qū)動管喇叭口結(jié)構(gòu)示意圖7為本發(fā)明測頭結(jié)構(gòu)中信號導(dǎo)線直接裝配在測桿內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖8為本發(fā)明中球形測端的兩種結(jié)構(gòu)示意圖9為本發(fā)明中信號導(dǎo)線與球形測端兩種連接方式結(jié)構(gòu)示意圖IO為三同軸電纜的結(jié)構(gòu)示意圖11為本發(fā)明中電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路的一個實施例；圖12為本發(fā)明中電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路的另一個實施例；圖13為本發(fā)明實施例的電容-瞄準(zhǔn)間隙、分辨力-瞄準(zhǔn)間隙特性的仿真結(jié)果。圖中，l測端、2微小反射鏡、3入射光與返回光、4激光光源與PSD、 5球形測端、6測桿、7信號導(dǎo)線、8等位驅(qū)動管、9絕緣部件、IO測桿裝卡機(jī)構(gòu)、ll測頭主體、12測頭、13電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路、14三同軸電纜、15大地、16錐形鎖緊套、17壓墊、18鎖緊螺釘、19開口、 20減壓槽、21導(dǎo)電薄膜、22芯線、23絕緣層、24內(nèi)屏蔽層、25內(nèi)護(hù)套、26外屏蔽層、27外護(hù)套、28正弦信號源、29基準(zhǔn)電容、30被測電容、31絕對值電路、32低通濾波器、33A/D轉(zhuǎn)換器、34微處理器、35顯示單元、36傳感器地、37主放大器、38計算機(jī)接口。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進(jìn)行說明，并給出實施例。
一種基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器，包括測頭12與信號轉(zhuǎn)換與處理電路13，測頭12由球形測端5、測桿6、信號導(dǎo)線7、等位驅(qū)動管8、絕緣部件9、測桿裝卡機(jī)構(gòu)10和測頭主體11裝配構(gòu)成，其中，信號導(dǎo)線7裝配在等位驅(qū)動管8內(nèi)，等位驅(qū)動管8裝配在測桿6內(nèi)，信號導(dǎo)線7與等位驅(qū)動管8、等位驅(qū)動管8與測桿6之間通過絕緣部件9相互絕緣定位，測桿6裝卡在測桿裝卡機(jī)構(gòu)10上，.測桿裝卡機(jī)構(gòu)10安裝在測頭主
8體11上；在絕緣部件9端部連接安裝球形測端5，球形測端5的外表面設(shè)有球形電容極板，測桿6、等位驅(qū)動管8與球形電容極板相互絕緣，信號導(dǎo)線7與球形電容極板電氣連接；信號轉(zhuǎn)換與處理電路13采用電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路，等位驅(qū)動管8通過電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路13中的等位驅(qū)動電路實現(xiàn)與信號導(dǎo)線7等電位，測桿6在電氣上接大地15。本發(fā)明中，球形電容極板作為敏感單元，通過工作電場將球形測端與被測件間的微小瞄準(zhǔn)間隙轉(zhuǎn)換為電容信號，對被測件的位移、尺寸形狀、位置或三維坐標(biāo)等參數(shù)進(jìn)行非接觸式高分辨力瞄準(zhǔn)與測量，測桿、等位驅(qū)動管與信號導(dǎo)線構(gòu)成三同軸結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電容信號傳輸中的等位驅(qū)動與屏蔽，消除了寄生電容與空間電磁干擾對傳感器信號的影響。
所述測桿裝卡機(jī)構(gòu)10由鎖緊螺釘18、壓墊17和錐形鎖緊套16構(gòu)成，錐形鎖緊套16的內(nèi)圓柱面與測桿6間隙配合，外錐面與測頭主體ll的內(nèi)錐面配合；錐形鎖緊套16—側(cè)設(shè)有開口 19，且在與開口 19等間隔位置處設(shè)有減壓槽20，鎖緊螺釘18的外螺紋與測頭主體11上的內(nèi)螺紋裝配配合，在錐形鎖緊套16與鎖緊螺釘18之間安裝由彈性材料制作的壓墊17。減壓槽的作用是通過去除材料減小鎖緊壓力，鎖緊螺釘通過壓墊對錐形鎖緊套施加壓力，使錐形鎖緊套的開口收縮而鎖緊測桿。
所述球形測端5由導(dǎo)電金屬、導(dǎo)電合金或在絕緣材料上鍍導(dǎo)電薄膜構(gòu)成。所述等位驅(qū)動管8靠近球形測端5的位置成喇叭口結(jié)構(gòu)。目的是隔離測桿6與球形測端5，進(jìn)一步減小球形電容極板的對地寄生電容。
所述信號導(dǎo)線7可以直接裝配在測桿6內(nèi)，二者之間通過絕緣部件9相互絕緣定位。所述信號導(dǎo)線7與球形測端5的連接方式為焊接或機(jī)械連接。
所述電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路13與測頭12通過三同軸電纜14相連，三同軸電纜14的外屏蔽層26、內(nèi)屏蔽層24、芯線22分別與測桿6、等位驅(qū)動管8、信號導(dǎo)線7連接。
可以將所述的電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路13整體或電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路13的前端信號轉(zhuǎn)換與處理部分直接裝配在測頭主體11內(nèi)部。
所述電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路13為運(yùn)算放大式電路或交流電橋式電路。
附圖3為本發(fā)明基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，下面結(jié)合附圖3給出本發(fā)明的一個實施例。本發(fā)明在應(yīng)用時，被測件在電氣上接大地，球形測端5的外表面設(shè)有球形電容極板，球形電容極板與被測件不接觸，二者之間有一微小瞄準(zhǔn)間隙，瞄準(zhǔn)電容量C與該瞄準(zhǔn)間隙g的關(guān)系就是該傳感器的傳感特性。該傳感特性與被測件的表面形狀與曲率有關(guān)，此處僅對球形電容極板瞄準(zhǔn)無限大接地導(dǎo)體平面的情況進(jìn)行推導(dǎo)。球形電容極板與無限大接地導(dǎo)體平面之間形成的是一個空間三維非均勻電場，直接求解電磁場方程比較復(fù)雜，而采用電象法則較容易求解。設(shè)i o為球形電容極板的半徑，g為瞄準(zhǔn)間隙，
D為球心與導(dǎo)體平面的距離，有Z^i Q+g。設(shè)在球形電容極板的球心放置電量為+^的電荷，
依次產(chǎn)生的各個鏡像電荷的電量為^、《3、《4、……，各鏡像電荷距離球心的距離依次為A、/2、 /3、 /4、……,根據(jù)推導(dǎo)結(jié)果有
/產(chǎn)0
(1)
乙=-
2" — /
(2)
《"=
凡
2" —d
(3)
設(shè)球形電容極板的電勢為p，則該電勢只取決于+^
(4)
其中，S為空氣的介電常數(shù)。球形電容極板與無限大接地導(dǎo)體平面間的瞄準(zhǔn)電容量C為:
p p 1 —r
+ -
-+ -
-+ -
1-2, 1 —3^+r4 1 — 4^+3,
-+ ...) (5)
本實施例中，球形測端5的直徑為3mm，瞄準(zhǔn)間隙g為10nm 200nm，對其電容-瞄準(zhǔn)間隙、電容分辨力-瞄準(zhǔn)間隙特性進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果分別如圖13(a)、 (b)所示。球形測端5采用2級不銹鋼球，鋼球的外表面構(gòu)成球形電容極板，根據(jù)鋼球精度等級國家標(biāo)準(zhǔn)，2級鋼球的直徑變動量與球形誤差不超過0.05pm，表面粗糙度不超過5nm。測桿6與等位驅(qū)動管8采用薄壁不銹鋼管構(gòu)成，測桿6的外徑為2.5mm，壁厚為0.2mm，等位驅(qū)動管8的外徑為1.5mm，壁厚為20pm， 二者的直線度精度要求優(yōu)于20nm/100mm。信號導(dǎo)線7采用直徑為0.2mm的鎳絲，并采用電阻焊工藝焊接在球形測端5的外表面，使信號導(dǎo)線7與球形電容極板在電氣上連接。測桿6、等位驅(qū)動管8與信號導(dǎo)線7同軸裝配，構(gòu)成三同軸結(jié)構(gòu)。絕緣部件9采用聚四氟乙烯材料，其與信號導(dǎo)線7、等位驅(qū)動管8、測桿6之間采用環(huán)氧樹脂膠結(jié)，實現(xiàn)各部
10件之間的可靠絕緣與機(jī)械定位，也可以采用向測桿6及等電位驅(qū)動管8中灌注環(huán)氧樹脂并使之凝固的方法形成絕緣部件9。測桿6裝卡在測桿裝卡機(jī)構(gòu)10上，而測桿裝卡機(jī)構(gòu)10則通過螺釘固定等方式裝配在測頭主體11上。
本發(fā)明中，測桿6在電氣上接大地而對空間電磁場干擾進(jìn)行屏蔽，當(dāng)人員及周圍物體靠近測頭12時，不會引起測頭對地電容的變化，從而實現(xiàn)對外界干擾的有效屏蔽。等位驅(qū)動管8通過電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路13中的等位驅(qū)動電路實現(xiàn)與信號導(dǎo)線7等電位，從而消除了等位驅(qū)動管8與信號導(dǎo)線7之間的寄生電容，而等位驅(qū)動管8與測桿6間的寄生電容不影響電路的靈敏度與分辨力。本實施例中等位驅(qū)動電路采用一個高精度的1: l放大器電路實現(xiàn)，等位驅(qū)動管8與測桿6間的寄生電容做了 1: l放大器電路的負(fù)載，放大器采用的是高精度運(yùn)算放大器OP177A。
本實施例中電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路13與測頭12采用分體設(shè)計，二者之間通過三同軸電纜14連接。三同軸電纜的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖IO所示，由外護(hù)套27、外屏蔽層26、內(nèi)護(hù)套25、內(nèi)屏蔽層24、絕緣層23、芯線22構(gòu)成。三同軸電纜的外屏蔽層26、內(nèi)屏蔽層24、芯線22分別與測桿6、等位驅(qū)動管8、信號導(dǎo)線7連接，在電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路13中的等位驅(qū)動電路作用下，可以基本消除內(nèi)屏蔽層24與芯線22之間的電纜電容對電路的影響。為進(jìn)一步提高精度、消除干擾，也可以在測頭主體ll上加工出金屬屏蔽盒結(jié)構(gòu)，將電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路13或前端信號處理部分直接裝配在測頭主體11的內(nèi)部，這樣可以進(jìn)一步減少寄生電容與電纜電容對電路的影響，提高電路的靈敏度與分辨力等性能指標(biāo)。
附圖4為本發(fā)明中測桿裝卡機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。測桿6—般采用薄壁金屬管，裝卡不當(dāng)會引起測桿的變形，本發(fā)明中測桿裝卡機(jī)構(gòu)10由鎖緊螺釘18、壓墊17和錐形鎖緊套16構(gòu)成，錐形鎖緊套16上一側(cè)設(shè)有開口 19，其內(nèi)圓柱面和測桿6間隙配合，外錐面和測頭主體ll上加工出的內(nèi)錐面配合，壓墊17采用尼龍、聚四氟乙烯等彈性材料制成，鎖緊螺釘18上的外螺紋與測頭主體11上加工出的內(nèi)螺紋配合，通過壓墊17對錐形鎖緊套16施加壓力，使錐形鎖緊套16的開口收縮而鎖緊測桿6。
附圖5為本發(fā)明測桿裝卡機(jī)構(gòu)中錐形鎖緊套的結(jié)構(gòu)示意圖，錐形鎖緊套16的內(nèi)表面為圓柱形，外表面為圓錐形， 一側(cè)設(shè)有開口 19，在與開口 19等間隔的位置上設(shè)有減壓槽20，目的是通過去除材料減小錐形鎖緊套的壁厚，從而減小鎖緊壓力。如果是兩個減壓槽則與開口成120。等間隔均布，如果是三個減壓槽則與開口成90。等間隔均布，依次類推。附圖6為本發(fā)明測頭結(jié)構(gòu)中等位驅(qū)動管喇叭口結(jié)構(gòu)示意圖，等位驅(qū)動管8底部靠近球形測端5的位置成喇叭口結(jié)構(gòu)，以隔離測桿6與球形測端5，進(jìn)一步減少球形電容極板的對地寄生電容。
附圖7為本發(fā)明測頭結(jié)構(gòu)中信號導(dǎo)線直接裝配在測桿內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中信號導(dǎo)線7直接裝配在測桿6內(nèi)，二者之間通過絕緣部件9相互絕緣定位。此時信號導(dǎo)線7和測桿6之間形成一定的寄生電容，該寄生電容會影響傳感器的靈敏度與分辨力等性能指標(biāo)，為減小該寄生電容及其變化，根據(jù)圓柱形電容器的電容量規(guī)律，應(yīng)盡量增大測桿6的內(nèi)徑與信號導(dǎo)線7的外徑的比值，并采用溫度系數(shù)小的材料如殷鋼等制作測桿6與信號導(dǎo)線7。
附圖8為本發(fā)明中球形測端的兩種結(jié)構(gòu)示意圖，附圖8(a)中球形測端5為導(dǎo)電金屬或?qū)щ姾辖鸩牧霞庸さ母呔惹蝮w，其外表面構(gòu)成球形電容極板，附圖8(b)中球形測端5采用絕緣材料如紅寶石加工成髙精度球體、并在其表面鍍導(dǎo)電金屬或?qū)щ姾辖鸩牧系膶?dǎo)電薄膜21構(gòu)成，導(dǎo)電薄膜21的外表面構(gòu)成球形電容極板。
附圖9為本發(fā)明中信號導(dǎo)線與球形測端兩種連接方式結(jié)構(gòu)示意圖，附圖9(a)中，信號導(dǎo)線7與球形測端5采用焊接方式連接。附圖9(b)中，信號導(dǎo)線7與球形測端5采用機(jī)械連接，具體地是采用螺紋連接，該方式比較適用于球形測端5為高精度導(dǎo)電金屬、導(dǎo)電合金球且信號導(dǎo)線7直徑在lmm以上的情況。
附圖11為本發(fā)明中電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路的一個實施例，該電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路采用的是運(yùn)算放大器式電路，主要由正弦信號源28、基準(zhǔn)電容29、主放大器37、被測電容30、絕對值電路31、低通濾波器32、 A/D轉(zhuǎn)換器33、微處理器34、顯示單元35、計算機(jī)接口 38等部分組成。正弦信號源28作用是提供一個具有高幅值、頻率穩(wěn)定度的正弦載波信號，本實施例中正弦信號源28采用直接數(shù)字合成方式構(gòu)成，采用AD公司高性能直接數(shù)字合成芯片AD9953?；鶞?zhǔn)電容29是被測電容高精度測量的參考基準(zhǔn)，其穩(wěn)定性直接決定了電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路的測量精度，采用的是具有零溫度系數(shù)的高精度電容并進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)忍幚?，其相對容值穩(wěn)定度達(dá)到1 10ppm。被測電容30就是球形電容極板與被測件形成的瞄準(zhǔn)電容。主放大器37是一個高輸入阻抗、低偏置電壓與偏置電流的高精度運(yùn)算放大器，采用AD公司的超小偏置電流運(yùn)算放大器AD549K實現(xiàn)，其差模輸入電阻達(dá)1013量級，共模輸入電阻達(dá)1015量級。正弦信號源28產(chǎn)生的正弦載波信號經(jīng)過主放大器37后，理想情況下忽略主放大器37的偏置電壓與偏置電流，則其輸出信號的幅值與被測電容30成反比，即載波信號的幅值受被測信號調(diào)制成為調(diào)幅信號。被測電容30—個極板是球形電容極板，另一個極板是被測工件，被測工件電氣上接大地15，而電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路13的參考地是傳感器地36，傳感器地36與大地15在電氣上隔離。本實施例中對調(diào)幅信號進(jìn)行全波整流與低通濾波，將之轉(zhuǎn)化為與之幅值有對應(yīng)關(guān)系的直流信號，實現(xiàn)對調(diào)幅信號的高精度解調(diào)。全波整流是由絕對值電路31實現(xiàn)，低通濾波器32采用由運(yùn)算放大器(OP177A)構(gòu)成的8階切比雪夫低通濾波器，截止頻率為2kHz。 A/D轉(zhuǎn)換器33采用美國AD公司的16位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD976A，采樣率為200ksps，微處理器34采用TI公司的2000系列DSP芯片TMS320LF2407A，顯示單元35采用圖形點陣液晶模塊MS12864A，計算機(jī)接口 32采用USB2.0高速數(shù)據(jù)傳輸模塊，其主控芯片采用Cypress公司的高性能USB2.0接口芯片CY7C68013A。 A/D轉(zhuǎn)換器33在微處理器34的控制下，對低通濾波器32輸出的直流信號進(jìn)行高精度采樣，并將采樣結(jié)果送給微處理器34，由微處理器34進(jìn)行非線性校正、數(shù)字濾波等處理后，將瞄準(zhǔn)間隙的測量結(jié)果顯示在顯示單元35上，并通過計算機(jī)接口 38發(fā)送給上位機(jī)。
附圖12為本發(fā)明中電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路的另一個實施例，采用的也是運(yùn)算放大器式電路，與附圖11中實施例不同的是本實施例中正弦信號源28除產(chǎn)生高幅值、頻率穩(wěn)定度的正弦載波信號外，還產(chǎn)生一路與之頻率相同、相位相差卯。的方波信號，并送給A/D轉(zhuǎn)換器33， A/D轉(zhuǎn)換器33在該方波信號每個上升沿與下降沿所在的時刻，對主放大器37輸出的調(diào)幅信號進(jìn)行采樣。由于正弦信號源28產(chǎn)生的正弦信號與方波信號是同步的，因此A/D轉(zhuǎn)換器33采樣所在的時刻對應(yīng)調(diào)幅信號的波峰和波谷，從而實現(xiàn)了對調(diào)幅信號的同步相敏檢波。采用同步相敏檢波能夠使電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路實現(xiàn)具有更高的帶寬與精度。
1權(quán)利要求
1.一種基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器，包括測頭(12)與信號轉(zhuǎn)換與處理電路(13)，其特征在于測頭(12)由球形測端(5)、測桿(6)、信號導(dǎo)線(7)、等位驅(qū)動管(8)、絕緣部件(9)、測桿裝卡機(jī)構(gòu)(10)和測頭主體(11)裝配構(gòu)成，其中，信號導(dǎo)線(7)裝配在等位驅(qū)動管(8)內(nèi)，等位驅(qū)動管(8)裝配在測桿(6)內(nèi)，信號導(dǎo)線(7)與等位驅(qū)動管(8)、等位驅(qū)動管(8)與測桿(6)之間通過絕緣部件(9)相互絕緣定位，測桿(6)裝卡在測桿裝卡機(jī)構(gòu)(10)上，測桿裝卡機(jī)構(gòu)(10)安裝在測頭主體(11)上；在絕緣部件(9)端部連接安裝球形測端(5)，球形測端(5)的外表面設(shè)有球形電容極板，測桿(6)、等位驅(qū)動管(8)與球形電容極板相互絕緣，信號導(dǎo)線(7)與球形電容極板電氣連接；信號轉(zhuǎn)換與處理電路(13)采用電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路，等位驅(qū)動管(8)通過電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路(13)中的等位驅(qū)動電路實現(xiàn)與信號導(dǎo)線(7)等電位，測桿(6)在電氣上接大地(15)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器，其特 征在于所述測桿裝卡機(jī)構(gòu)(10)由鎖緊螺釘(18)、壓墊(17)和錐形鎖緊套(16)構(gòu)成，錐 形鎖緊套(16)的內(nèi)圓柱面與測桿(6)間隙配合，外錐面與測頭主體(11)的內(nèi)錐面配合； 錐形鎖緊套(16) —側(cè)設(shè)有開口 (19)，且在與開口 (19)等間隔位置處設(shè)有減壓槽(20)， 鎖緊螺釘U(kuò)8)的外螺紋與測頭主體(11)上的內(nèi)螺紋裝配配合，在錐形鎖緊套(16)與鎖 緊螺釘(18)之間安裝由彈性材料制作的壓墊(17)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器，其特 征在于所述球形測端(5)由導(dǎo)電金屬、導(dǎo)電合金或在絕緣材料上鍍導(dǎo)電薄膜構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器，其特 征在于所述等位驅(qū)動管(8)靠近球形測端(5)的位置成喇叭口結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器，其特 征在于所述信號導(dǎo)線(7)可以直接裝配在測桿(6)內(nèi)，二者之間通過絕緣部件(9)相互絕 緣定位。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器，其特 征在于所述信號導(dǎo)線(7)與球形測端(5)的連接方式為焊接或機(jī)械連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器，其特 征在于所述電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路(13)與測頭(12)通過三同軸電纜(14)相連，三同 軸電纜(14)的外屏蔽層(26)、內(nèi)屏蔽層(24)、芯線(22)分別與測桿(6)、等位驅(qū)動管(8)、信號導(dǎo)線(7)連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器，其特 征在于可以將所述的電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路(13)整體或電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路(13) 的前端信號轉(zhuǎn)換與處理部分直接裝配在測頭主體(11)內(nèi)部。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器，其特 征在于所述電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路(13)為運(yùn)算放大式電路或交流電橋式電路。
全文摘要
基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準(zhǔn)與測量傳感器屬于精密儀器與測量技術(shù)領(lǐng)域，其測頭由球形測端、測桿、信號導(dǎo)線、等位驅(qū)動管、絕緣部件、測桿裝卡機(jī)構(gòu)和測頭主體構(gòu)成，信號導(dǎo)線、等位驅(qū)動管和測桿同軸裝配，三者通過絕緣部件相互絕緣定位，在絕緣部件端部安裝球形測端，球形測端的外表面設(shè)有球形電容極板，并通過信號導(dǎo)線輸出傳感信號；傳感器采用電容信號轉(zhuǎn)換與處理電路，并采用等位驅(qū)動與屏蔽消除寄生電容和空間電磁干擾的影響；本發(fā)明最大可測深徑比可達(dá)到100∶1以上，分辨力可達(dá)納米量級，且在空間三維任意方向都具有一致的傳感特性，為具有大深徑比與深寬比的深孔、狹槽及內(nèi)腔體零件的高精度測量提供了一種有效的傳感器。
文檔編號G01B7/00GK101561240SQ20091007214
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月31日
發(fā)明者崔俊寧, 歐耀東, 譚久彬, 璐 韓 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)