專利名稱：具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密儀器與測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙 向電容位移傳感器。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)50年代后，隨著航空航天、超精密制造和伺服控制等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?、低消耗?求的日益迫切以及電火花加工、電子束加工、電解加工等特種加工技術(shù)的突破，深孔零件及 其它大深寬比小內(nèi)尺寸零件在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓機(jī)械、伺服系統(tǒng)、武器發(fā) 射系統(tǒng)及精密儀器等裝備中被廣泛采用，其中深孔零件的特點(diǎn)是孔徑一般在小20mm以下； 深徑比多在10以上，少數(shù)達(dá)到幾十甚至幾百；均有很高的尺寸、形狀和位置精度要求。精
密深小孔零件的廣泛應(yīng)用對(duì)深小孔尺寸、形狀與位置參數(shù)的精確測(cè)量提出了迫切的要求，目 前，國(guó)內(nèi)外在小內(nèi)尺寸測(cè)量上還處于較低的水平，尤其在大深徑比和大深寬比小內(nèi)尺寸測(cè)量 上尚處于解決可測(cè)性問題的階段，而深小孔尺寸、形狀與位置參數(shù)的精密測(cè)量更成為測(cè)量領(lǐng)
域中的重大難題與研究熱點(diǎn)。
在大深徑比深小孔的孔徑與形狀測(cè)量過程中，傳統(tǒng)接觸式測(cè)量法由于測(cè)量力的存在，測(cè)
桿會(huì)發(fā)生撓曲變形，從而引入較大的測(cè)量誤差。附圖1 (a)是接觸式測(cè)頭對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行測(cè)量 的示意圖，其中"為測(cè)桿直徑、/為測(cè)桿長(zhǎng)度、F為測(cè)量力。附圖1 (b)是測(cè)桿發(fā)生撓曲變形 的示意圖，可見在測(cè)量力F的作用下測(cè)桿軸線由直線^S變成一條撓曲線w(;c)。設(shè)由測(cè)桿彎 曲引入的最大允許誤差為50nm，測(cè)桿材料彈性模量為200Gpa，對(duì)D=(|)3mm (t)10mm， F= O.IN、 0.05N、 0.02N時(shí)接觸式測(cè)頭的最大可測(cè)深徑比進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如附圖2所示，可 見接觸式測(cè)頭最大可測(cè)深徑比很難超過10: 1，其測(cè)量精度與可測(cè)深徑比受到嚴(yán)重限制，尤 其對(duì)深寬比和深徑比超大的小內(nèi)尺寸測(cè)量場(chǎng)合更無法完成測(cè)量。
為解決大深徑比小孔孔徑和其它大深寬比小內(nèi)尺寸測(cè)量的難題，人們紛紛把目光轉(zhuǎn)向非 接觸式測(cè)量法，重點(diǎn)是研制具有較高精度和大可測(cè)深徑比的非接觸式測(cè)頭與傳感器。氣動(dòng)測(cè) 量法是一種較傳統(tǒng)的可用于孔徑測(cè)量的非接觸式測(cè)量法，其原理是采用噴嘴一擋板機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 幾何量到氣動(dòng)量的轉(zhuǎn)換，基于測(cè)頭的流量特性或壓力特性實(shí)現(xiàn)測(cè)量；對(duì)于小、深孔的孔徑測(cè)量，常以被測(cè)孔作為測(cè)量噴嘴。該方法的缺點(diǎn)在于氣動(dòng)內(nèi)徑測(cè)頭屬于非接觸式測(cè)頭，但仍 存在一定的測(cè)量力；測(cè)量精度最高只能達(dá)到微米量級(jí)，單個(gè)測(cè)頭測(cè)量范圍很?。淮嬖跉饬髌?均效應(yīng)，尤其以被測(cè)深小孔作為測(cè)量噴嘴時(shí)，得到的是小孔尺寸與形狀誤差的綜合值，且只 能用來測(cè)量通孔。
2000年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙勇、李鵬生等人提出了一種激光光纖孔徑測(cè)量法(l.Yong Zhao et al. A novel fiber-optic sensor used for small internal curved surface measurement. Sensor and Actuators. 2000, (86):211 215; 2.馬惠萍，李鵬生，楊樂民.用于光纖傳感器測(cè)孔的三角 測(cè)量法研究.計(jì)量技術(shù).2001,(9):18 20;3.趙勇，李鵬生，馬惠萍，浦昭邦.提高激光光纖測(cè) 量系統(tǒng)分辨力的方法.光電工程.1999, 26(5): 27-30; 4.發(fā)明專利"一種產(chǎn)品表面多參數(shù)非接 觸離焦檢測(cè)的光纖傳感器"，公開號(hào)CN1160546C)，該方法采用Y型光纖制成光強(qiáng)調(diào)制型非 接觸式瞄準(zhǔn)傳感器，激光經(jīng)光纖入射到被測(cè)表面后反射回輸出光纖，通過檢測(cè)輸出光的強(qiáng)度 來確定測(cè)頭到孔壁的瞄準(zhǔn)距離。該傳感器結(jié)構(gòu)比較小巧，可測(cè)深孔、盲孔及軟質(zhì)材料工件， 但傳感器的距離-光強(qiáng)特性完全取決于被測(cè)表面的光潔度與光反射特性，測(cè)量精度只能達(dá)到微 米量級(jí)，當(dāng)被測(cè)表面光潔度與光反射特性較差時(shí)無法完成測(cè)量。
從上世紀(jì)90年代起，天津大學(xué)研究將電容傳感器用于小孔孔徑的非接觸式測(cè)量(1.楊 世民.盲小孔與狹槽三維測(cè)頭的研究.天津大學(xué)博士學(xué)位論文.1993:1 9，42 53; 2.孫長(zhǎng)庫(kù), 王小兵，劉斌，鄭義忠.電容傳感微小孔徑的測(cè)量方法.納米技術(shù)與精密工程.2006， 4(2):103 106; 3.徐安桃，付敬業(yè)，鄭義忠，葉聲華.小深孔內(nèi)徑電容傳感測(cè)量系統(tǒng)的研究. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào).2006, 19(6):2460~2463)，研制的電容測(cè)頭的極板是在圓柱形基體上切割出的 圓柱形電極，其結(jié)構(gòu)如附圖3所示，傳感器的理想工作位置是圓柱形極板與被測(cè)孔同軸，當(dāng) 極板與被測(cè)孔不同軸而存在偏心時(shí)，測(cè)得的是圓柱形極板與被測(cè)孔間的平均間隙；為提高測(cè) 量精度實(shí)際上常采用相對(duì)測(cè)量法，即每次測(cè)量前用標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)量被測(cè)孔徑 與標(biāo)準(zhǔn)孔徑的差值。該傳感器實(shí)際工作于電子塞規(guī)方式，單個(gè)測(cè)頭的測(cè)量范圍很小，測(cè)量精
度只能達(dá)到微米量級(jí)，傳感器不具備以下幾方面特性1)測(cè)頭具有大長(zhǎng)徑比2)可對(duì)孔和
內(nèi)尺寸進(jìn)行雙向瞄準(zhǔn)發(fā)訊3)可進(jìn)行平面度、圓度、圓柱度等形狀參數(shù)的掃描測(cè)量4)測(cè)量 精度達(dá)到超精密量級(jí)，難以滿足深小孔的孔徑與形狀超精密測(cè)量的要求。
另外還有一些其它的非接觸式測(cè)量方法與傳感器見諸報(bào)道，如圖像法(發(fā)明專利"微孔 自動(dòng)測(cè)量方法及裝置"，公開號(hào)CN1493847)、端面光探針掃描法(徐利梅，張家裕.精密微小 孔激光測(cè)量方法.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào).1998，27(3):300~304)等，分別是采用圖像或光學(xué)的法完成測(cè)量，但這些方法均存在原理缺陷，以端面測(cè)量代替截面測(cè)量，不能對(duì)任意截面的尺 寸與形狀進(jìn)行測(cè)量，在實(shí)用性和精度方面不能滿足精密孔徑測(cè)量、特別是大深徑比小孔孔徑 非接觸測(cè)量的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)大深徑比小孔孔徑與形狀超精密測(cè)量及其它大深寬小內(nèi)尺寸測(cè)量 難題，提供一種基于電容傳感機(jī)理的具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容傳感器，以 解決傳統(tǒng)接觸式測(cè)量法及現(xiàn)有非接觸式測(cè)量法在測(cè)量精度、實(shí)用性方面存在的各種缺陷，傳 感器可測(cè)深徑比可達(dá)到和超過50: 1，瞄準(zhǔn)分辨力達(dá)到納米量級(jí)，可用于直徑小3mm以上的 深小孔孔徑與形狀的精密測(cè)量及其它大深寬小內(nèi)尺寸測(cè)量場(chǎng)合。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，包括電容測(cè)頭和信號(hào)轉(zhuǎn)換 與處理電路，該電容測(cè)頭為圓柱型雙向電容測(cè)頭結(jié)構(gòu)，圓柱形雙向電容測(cè)頭由測(cè)桿、極板屏 蔽件、左極板、右極板、銷釘、信號(hào)導(dǎo)桿組成；在測(cè)桿端部上安裝整體呈圓柱形的極板屏蔽
件，左極板和右極板對(duì)徑設(shè)置在極板屏蔽件上，兩極板相互對(duì)稱，在左極板和右極板與極板
屏蔽件之間設(shè)有絕緣間隙；在極板屏蔽件內(nèi)配裝一根銷釘，在測(cè)桿內(nèi)配裝一根信號(hào)導(dǎo)桿，銷 釘?shù)膬啥朔謩e與左極板和右極板連接，信號(hào)導(dǎo)桿的一端與銷釘連接；或者在極板屏蔽件內(nèi)配
裝兩根銷釘，在測(cè)桿內(nèi)配裝兩根信號(hào)導(dǎo)桿，兩根銷釘各自的一端分別與左極板和右極板連接， 兩根銷釘?shù)牧硪欢朔謩e與兩根信號(hào)導(dǎo)桿各自的一端連接。
所述信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路是由前振信號(hào)發(fā)生器、本振信號(hào)發(fā)生器、混頻單元、中頻濾波 器、信號(hào)切換開關(guān)、信號(hào)整形單元、鑒頻單元、微處理器、顯示單元與計(jì)算機(jī)接口組成的外
差調(diào)頻式信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路；其中，圓柱型雙向電容測(cè)頭與前振信號(hào)發(fā)生器連接，前振信 號(hào)發(fā)生器依次與混頻單元、中頻濾波器、信號(hào)切換開關(guān)、信號(hào)整形單元、鑒頻單元、微處理 器連接，前振信號(hào)發(fā)生器又直接與信號(hào)切換開關(guān)連接，本振信號(hào)發(fā)生器與混頻單元連接，微 處理器包含有顯示單元和計(jì)算機(jī)接口 。
所述左極板和右極板形狀為方形、或長(zhǎng)方形、或橢圓形、或圓形。
在所述測(cè)桿和極板屏蔽件的腔內(nèi)設(shè)有定位件。
所述測(cè)桿、極板屏蔽件、左極板、右極板、銷釘和信號(hào)導(dǎo)桿為良導(dǎo)體。 所述測(cè)桿、極板屏蔽件、左極板和右極板是在絕緣材料上鍍金屬膜構(gòu)成。
6所述定位件是由環(huán)氧樹脂材料制作。
所述左極板和右極板與極板屏蔽件之間的絕緣間隙的寬度為20pm 20(^m。 所述前振信號(hào)發(fā)生器采用克拉潑振蕩電路，并安裝在金屬屏蔽盒內(nèi)。 本發(fā)明提供了一種具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，本發(fā)明的電 容測(cè)頭的極板屏蔽件對(duì)徑方向上對(duì)稱分布兩個(gè)柱面窗口形極板，在被測(cè)孔徑兩端對(duì)被測(cè)件進(jìn) 行瞄準(zhǔn)時(shí)，傳感器具有對(duì)稱的傳感特性，從而具有雙向瞄準(zhǔn)觸發(fā)能力；進(jìn)行孔徑測(cè)量時(shí)，由 傳感器測(cè)得兩側(cè)的瞄準(zhǔn)間隙并給出觸發(fā)信號(hào)，由其它宏尺寸測(cè)量傳感器測(cè)得兩次觸發(fā)之間測(cè) 頭的位移，被測(cè)內(nèi)孔徑等于兩側(cè)瞄準(zhǔn)間隙、測(cè)頭直徑與測(cè)頭位移量之和；傳感器既可用于尺 寸測(cè)量中的觸發(fā)式瞄準(zhǔn)，又可用于圓度、圓柱度等形狀參數(shù)的高精度測(cè)量。
本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新性及具有的良好效果如下
(1) 本發(fā)明針對(duì)大深徑比小孔孔徑及其它大深寬比小內(nèi)尺寸測(cè)量的難題，提供了一種具 有大可測(cè)深徑比的非接觸式傳感方法，其原理是通過測(cè)頭極板與被測(cè)件形成的空間三維瞄準(zhǔn) 電場(chǎng)，測(cè)頭從徑向?qū)Ρ粶y(cè)件進(jìn)行高精度非接觸式瞄準(zhǔn)，傳感器兼有觸發(fā)與測(cè)微雙重功能，其 最大可測(cè)深徑比可達(dá)到和超過50: 1，高于任何一種現(xiàn)有的方法與技術(shù)，可解決傳統(tǒng)接觸式 測(cè)量法測(cè)量力引起測(cè)桿撓曲和測(cè)端變形、可測(cè)深徑比與測(cè)量精度受到嚴(yán)重限制的問題。
(2) 本發(fā)明提出了一種具有對(duì)徑雙柱面窗口極板結(jié)構(gòu)的雙向電容瞄準(zhǔn)測(cè)頭，在圓柱形極 板屏蔽件上對(duì)徑、對(duì)稱分布兩個(gè)柱面窗口形極板，通過對(duì)稱的極板與測(cè)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，測(cè)頭在 被測(cè)孔直徑兩端對(duì)被測(cè)件進(jìn)行瞄準(zhǔn)時(shí)具有相互對(duì)稱的傳感特性，從而具有雙向瞄準(zhǔn)觸發(fā)能力， 傳感器具有一定量程，其位移分辨力可達(dá)到納米量級(jí)，既可用于大深徑比小孔孔徑及其它大
深寬比小內(nèi)尺寸的精密測(cè)量，又可用于內(nèi)結(jié)構(gòu)、內(nèi)腔體形狀參數(shù)的高精度測(cè)量。
(3) 本發(fā)明提供了一種數(shù)字式外差調(diào)頻信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理技術(shù)，本振信號(hào)發(fā)生器采用直接
數(shù)字合成方式構(gòu)成，鑒頻單元采用多周期同步測(cè)頻技術(shù)，避免了傳統(tǒng)模擬式電路由于元器件 溫漂、老化引入的零點(diǎn)漂移及模擬調(diào)制與解調(diào)中信號(hào)幅值與頻率穩(wěn)定性差、諧波失真大等不 足，可明顯提高傳感器的精度水平，使之能夠滿足精密孔徑測(cè)量、尤其是大深徑比小孔孔徑 非接觸測(cè)量的要求。


圖l(a)為接觸式測(cè)頭對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行測(cè)量的示意圖，(b)為測(cè)桿發(fā)生撓曲變形的示意圖;
7圖2為接觸式測(cè)頭最大可測(cè)深徑比的仿真結(jié)果；
圖3為天津大學(xué)研制的電容測(cè)孔傳感器測(cè)頭的結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明的具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器示意圖； 圖5為本發(fā)明的圓柱型雙向電容測(cè)頭實(shí)施例1的」卜:視圖，即單銷釘、單信號(hào)導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)的 示意圖6為圖5的側(cè)視圖； 圖7為圖6中A—A向的剖視圖8為本發(fā)明的圓柱型雙向電容測(cè)頭實(shí)施例2的剖視圖，即雙銷釘與雙信號(hào)導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)的 示意圖
圖9為本發(fā)明的雙向電容測(cè)頭實(shí)施例3的正視圖； 圖10為圖9的側(cè)視圖11為圓柱型雙向電容測(cè)頭與被測(cè)工件在一側(cè)瞄準(zhǔn)的示意圖。
圖中，l絕緣環(huán)、2保護(hù)環(huán)、3絕緣體、4小孔、5測(cè)量電極、6保護(hù)環(huán)、7絕緣環(huán)、8測(cè) 頭的端部、9空心圓柱體、IO測(cè)量電極的導(dǎo)線、ll測(cè)頭的端部、12圓柱型雙向電容測(cè)頭、13 信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路、14前振信號(hào)發(fā)生器、15本振信號(hào)發(fā)生器、16混頻單元、17中頻濾波 器、18信號(hào)切換開關(guān)、19信號(hào)整形單元、20鑒頻單元、21微處理器、22顯示單元、23計(jì)算 機(jī)接口、 24信號(hào)導(dǎo)桿、25測(cè)桿、26極板屏蔽件、27左極板、28右極板、29銷釘、30絕緣 間隙、31定位件、32被測(cè)件、33大地。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)說明，并給出實(shí)施例。
一種具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，包括電容測(cè)頭12和信號(hào)轉(zhuǎn) 換與處理電路13，其特征在于該電容測(cè)頭12為圓柱型雙向電容測(cè)頭結(jié)構(gòu)，圓柱形雙向電 容測(cè)頭12由測(cè)桿25、極板屏蔽件26、左極板27、右極板28、銷釘29、信號(hào)導(dǎo)桿24組成； 在測(cè)桿25端部上安裝整體呈圓柱形的極板屏蔽件26，左極板27和右極板28對(duì)徑設(shè)置在極 板屏蔽件26上，兩極板相互對(duì)稱，在左極板27和右極板28與極板屏蔽件26之間設(shè)有絕緣 間隙30;在極板屏蔽件26內(nèi)配裝一根銷釘29，在測(cè)桿25內(nèi)配裝一根信號(hào)導(dǎo)桿24,銷釘29 的兩端分別與左極板27和右極板28連接，信號(hào)導(dǎo)桿24的一端與銷釘29連接；或者在極板 屏蔽件26內(nèi)配裝兩根銷釘29，在測(cè)桿25內(nèi)配裝兩根信號(hào)導(dǎo)桿24，兩根銷釘(29)各自的一 端分別與左極板27和右極板28連接，兩根銷釘(29)的另一端分別與兩根信號(hào)導(dǎo)桿(24)各自的一端連接。本發(fā)明是通過極板與被測(cè)件間形成的空間三維瞄準(zhǔn)電場(chǎng)，測(cè)頭從徑向?qū)Ρ粶y(cè)件進(jìn)行非接觸式瞄準(zhǔn)，最大可測(cè)長(zhǎng)徑比可達(dá)到和超過50: 1;左極板、右極板在被測(cè)尺寸兩端瞄準(zhǔn)被測(cè)件時(shí)，傳感器具有左右對(duì)稱的傳感特性，從而具有雙向瞄準(zhǔn)觸發(fā)能力；傳感器進(jìn)行內(nèi)尺寸測(cè)量時(shí)，由傳感器測(cè)得兩側(cè)的瞄準(zhǔn)間隙并給出觸發(fā)信號(hào)，由其它宏尺寸測(cè)量傳感器測(cè)得兩次觸發(fā)之間測(cè)頭的位移，則被測(cè)內(nèi)尺寸等于兩側(cè)瞄準(zhǔn)間隙、測(cè)頭直徑與測(cè)頭位移量之和；傳感器具有一定的量程，既可用于尺寸測(cè)量中的觸發(fā)式瞄準(zhǔn)，又可用于圓度、圓柱度等形狀參數(shù)的高精度測(cè)量。
所述信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路13是由前振信號(hào)發(fā)生器14、本振信號(hào)發(fā)生器15、混頻單元16、中頻濾波器17、信號(hào)切換開關(guān)18、信號(hào)整形單元19、鑒頻單元20、微處理器21、顯示單元22與計(jì)算機(jī)接口23組成的外差調(diào)頻式信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路；其中，圓柱型雙向電容測(cè)頭12與前振信號(hào)發(fā)生器14連接，前振信號(hào)發(fā)生器14依次與混頻單元16、中頻濾波器17、信號(hào)切換開關(guān)18、信號(hào)整形單元19、鑒頻單元20、微處理器21連接，前振信號(hào)發(fā)生器14又直接與信號(hào)切換開關(guān)18連接，本振信號(hào)發(fā)生器15與混頻單元16連接，微處理器21包含有顯示單元22和計(jì)算機(jī)接口 23。被測(cè)位移信號(hào)對(duì)前振信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的高頻載波信號(hào)產(chǎn)生頻率調(diào)制，調(diào)頻信號(hào)與本振信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行鑒頻處理，從中解調(diào)出被測(cè)位移量的信息。
所述左極板27和右極板28形狀為方形、或長(zhǎng)方形、或橢圓形、或圓形。
在所述測(cè)桿25和極板屏蔽件26的腔內(nèi)設(shè)有定位件31 。
所述測(cè)桿25、極板屏蔽件26、左極板27、右極板28、銷釘29和信號(hào)導(dǎo)桿24為良導(dǎo)體。所述測(cè)桿25、極板屏蔽件26、左極板27和右極板28是在絕緣材料上鍍金屬膜構(gòu)成。所述定位件31是由環(huán)氧樹脂材料制作。
所述左極板27和右極板28與極板屏蔽件26之間的絕緣間隙30的寬度為20|im 200(_im。所述前振信號(hào)發(fā)生器14采用克拉潑振蕩電路，并安裝在金屬屏蔽盒內(nèi)。所述本振信號(hào)發(fā)生器15可采用直接數(shù)字頻率合成方式獲得，以獲得高幅度、頻率穩(wěn)定性的本振信號(hào)；所述鑒頻單元20可以采用多周期同步測(cè)頻方式構(gòu)成，以進(jìn)行高精度數(shù)字測(cè)頻。
下面結(jié)合一個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行詳細(xì)介紹
附圖4給出了本發(fā)明的具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器的示意圖，附圖ll是雙向電容測(cè)頭與被測(cè)工件在被測(cè)直徑的一側(cè)瞄準(zhǔn)的截面示意圖，在本實(shí)施例中，極板所在圓柱面的直徑為(j)2.5mm，被測(cè)工件孔徑為(j)3mm ())20mm。被測(cè)工件接地作為一個(gè)極
板，測(cè)頭的一個(gè)極板對(duì)其進(jìn)行瞄準(zhǔn)，二者間形成一個(gè)瞄準(zhǔn)電容場(chǎng)，瞄準(zhǔn)間隙為20nm 10(^m。由于極板與被測(cè)工件間的瞄準(zhǔn)間隙相對(duì)于測(cè)頭尺寸非常小，所以可近似認(rèn)為電力線均垂直于極板，則極板與被測(cè)工件形成的每個(gè)微元電容都可看作是一個(gè)平板電容，每個(gè)微元電容的容值為-
dC = ^^ (1)以極板橫截面所在圓的圓心02為原點(diǎn)、測(cè)量方向?yàn)?c軸建立直角坐標(biāo)系xO^。瞄準(zhǔn)吋極
板所在圓柱面軸線與被測(cè)工件的軸線平行且x軸垂直平分極板橫截面。設(shè)被測(cè)孔半徑為w，極板所在圓柱面半徑為r，極板高度為/,瞄準(zhǔn)間隙為&,如附圖ll所示。
以原點(diǎn)為起點(diǎn)，取任意角度P作射線分別與被測(cè)孔截面圓和極板交于點(diǎn)A和B，從圖中幾何關(guān)系有IO!AhR、 ICMOzhR-r-&。設(shè)IAB卜A則|02八| = " + 5，令丄=「卜&，根據(jù)余弦定理在
三角形0,02八中有
/ 2 =(及一丄)2 +(r + <5)2十2cos6'(i —丄)0 +厶) (2)
整理得
J = Vcos25> -丄)2 + (2及丄一丄2) — cos ^ —丄)一 r (3)
設(shè)極板橫截面所對(duì)圓心角為2《，則6取值區(qū)間為[-《，《，對(duì)所有微元求積分可得瞄準(zhǔn)電容量為
C'=f^^ (4)上f <5
將式(3)代入上式得理想瞄準(zhǔn)狀態(tài)下的瞄準(zhǔn)電容量為
C = f , g'4J^-(5)
々^/cos2 0. (i - ￡)2 + (2/ ￡ — ￡2) — cos 6>.—丄)一r
本實(shí)施例瞄準(zhǔn)電容量的量值在lpF左右。
在本實(shí)施例中，前振信號(hào)發(fā)生器14是一個(gè)高穩(wěn)定度電容三點(diǎn)式振蕩電路，由高穩(wěn)定度線繞電感、云母電容、CBB電容、高穩(wěn)定度三極管等溫度系數(shù)小的元器件構(gòu)成，并安裝在金屬屏蔽盒內(nèi)。產(chǎn)生一個(gè)頻率與幅值穩(wěn)定的高頻正弦波作為載波信號(hào)，其頻率為4MHz，幅值為1Vpp。測(cè)桿與屏蔽盒可靠連接以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的完全屏蔽，可有效減小空間電磁場(chǎng)的干擾。當(dāng)
10雙向電容測(cè)頭與被測(cè)件發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，瞄準(zhǔn)電容量發(fā)生變化，相應(yīng)地會(huì)引起前振信號(hào)諧振頻率的變化，實(shí)現(xiàn)被測(cè)位移信號(hào)對(duì)載波信號(hào)的頻率調(diào)制。前振信號(hào)/,的表達(dá)式為
/、，_,1 (6)24(C、. +C0)
式中C,——瞄準(zhǔn)電容；
Co——前振信號(hào)發(fā)生器電路中等效雜散電容。
本振信號(hào)發(fā)生器15可采用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(Agilent33120A),或采用微處理器(MSP430F149)控制直接數(shù)字頻率合成芯片(AD9953)獲得?；祛l單元16以混頻器芯片(MC1496)為核心構(gòu)成，本振信號(hào)力與前振信號(hào)義經(jīng)混頻后，得到一組和頻、差頻信號(hào),
/ =|±"乂.±加乂 I w、 m=l, 2, 3... (7)
中頻濾波器17由中心頻率455kHz的陶瓷濾波器構(gòu)成，混頻單元輸出信號(hào)力經(jīng)中頻濾波器濾波后，得到中心頻率為455kHz的中頻信號(hào)厶
(8)
信號(hào)切換開關(guān)18由繼電器或模擬開關(guān)構(gòu)成，控制本振信號(hào)或中頻信號(hào)進(jìn)入信號(hào)整形單元19。當(dāng)傳感器工作在超外差方式、即對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行整形、鑒頻等處理時(shí)，測(cè)量精度基本不受影響，而測(cè)量速度可提高IO倍左右。信號(hào)整形單元19主要對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行整形、限幅處理，將其由正弦信號(hào)變成同頻的方波信號(hào)。鑒頻單元20主要由CPLD器件(EPM7064SLC44)構(gòu)成，采用高速多周期同步測(cè)頻方式進(jìn)行高精度數(shù)字測(cè)頻，解調(diào)出調(diào)頻信號(hào)中的被測(cè)位移信號(hào)。經(jīng)微處理器21 (AT89C52)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，可得到被測(cè)瞄準(zhǔn)間隙&的值。測(cè)量結(jié)果顯示在顯示單元22 (SMS0619)上，同時(shí)經(jīng)基于RS232串行通訊協(xié)議的計(jì)算機(jī)接口 23發(fā)送給計(jì)算機(jī)。
附圖5 附圖10給出了本發(fā)明的雙向電容測(cè)頭的3個(gè)實(shí)施例。在這3個(gè)實(shí)施例中，觀ij桿25采用滿足直線度要求的薄壁鋼管，直徑為())2.5mm，壁厚約100nm。極板屏蔽件26同時(shí)作為極板加工的基體，采用溫度系數(shù)小的鈹青銅材料經(jīng)車削加工而成，其外徑為(j)3mm,壁厚約20(Vm，測(cè)桿25與極板屏蔽件26采用緊配合方式連接。極板屏蔽件26上采用機(jī)械加工方法加工出兩個(gè)對(duì)徑分布的窗口形極板27和28，極板與極板屏蔽件可靠絕緣，絕緣間隙30寬度為20pm 3(Him，寬度均勻。測(cè)桿25與極板屏蔽件26內(nèi)灌注環(huán)氧樹脂并使之凝固形成定位件31實(shí)現(xiàn)測(cè)頭各部件的機(jī)械定位與連接。
附圖5為圓柱型雙向電容測(cè)頭的實(shí)施例1的正視圖，圖6為圖5的左視圖，圖7為沿圖6中A—A方向的剖視圖，在實(shí)施例1中，左極板27與右極板28為長(zhǎng)方形，對(duì)徑分布且相萬對(duì)稱，通過一個(gè)銷釘29與一個(gè)信號(hào)導(dǎo)桿24相連，通過絕緣間隙30與極板屏蔽件26可靠絕緣。在測(cè)桿25與極板屏蔽件26內(nèi)灌注環(huán)氧樹脂并使之凝固形成定位部件31。
圖8為本發(fā)明的雙向電容測(cè)頭實(shí)施例2的剖視圖，在實(shí)施例2中，窗口形極板為長(zhǎng)方形，左極板27與右極板28分別通過銷釘29的左右兩部分與信號(hào)導(dǎo)桿24的左右兩部分相連，信號(hào)導(dǎo)桿的左右兩部分可靠絕緣。
圖9為本發(fā)明的雙向電容測(cè)頭實(shí)施例3的正視圖，圖10為圖9的左視圖，在實(shí)施例3中，左極板27與右極板28為橢圓形，對(duì)徑分布且相互對(duì)稱，通過一個(gè)銷釘29與一個(gè)信號(hào)導(dǎo)桿24相連，通過絕緣間隙30與極板屏蔽件26可靠絕緣。
測(cè)頭工作時(shí)，測(cè)桿25與極板屏蔽件26在電氣上接地，由于極板27和28與極板屏蔽件26不等電位，因此會(huì)產(chǎn)生寄生電容?？梢圆捎抿?qū)動(dòng)電纜技術(shù)，使測(cè)桿25、極板屏蔽件26在電位上實(shí)現(xiàn)對(duì)左極板27和右極板28電位的跟隨，可以達(dá)到消除寄生電容與邊緣效應(yīng)的目的，在測(cè)桿外側(cè)再套一層起屏蔽作用的薄壁金屬桿，并在電氣上接地。
權(quán)利要求
1.一種具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，包括電容測(cè)頭(12)和信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路(13)，其特征在于該電容測(cè)頭(12)為圓柱型雙向電容測(cè)頭結(jié)構(gòu)，圓柱形雙向電容測(cè)頭(12)由測(cè)桿(25)、極板屏蔽件(26)、左極板(27)、右極板(28)、銷釘(29)、信號(hào)導(dǎo)桿(24)組成；在測(cè)桿(25)端部上安裝整體呈圓柱形的極板屏蔽件(26)，左極板(27)和右極板(28)對(duì)徑設(shè)置在極板屏蔽件(26)上，兩極板相互對(duì)稱，在左極板(27)和右極板(28)與極板屏蔽件(26)之間設(shè)有絕緣間隙(30)；在極板屏蔽件(26)內(nèi)配裝一根銷釘(29)，在測(cè)桿(25)內(nèi)配裝一根信號(hào)導(dǎo)桿(24)，銷釘(29)的兩端分別與左極板(27)和右極板(28)連接，信號(hào)導(dǎo)桿(24)的一端與銷釘(29)連接；或者在極板屏蔽件(26)內(nèi)配裝兩根銷釘(29)，在測(cè)桿(25)內(nèi)配裝兩根信號(hào)導(dǎo)桿(24)，兩根銷釘(29)各自的一端分別與左極板(27)和右極板(28)連接，兩根銷釘(29)的另一端分別與兩根信號(hào)導(dǎo)桿(24)各自的一端連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，其特征在 于所述信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路(13)是由前振信號(hào)發(fā)生器(14)、本振信號(hào)發(fā)生器(15)、混頻 單元(16)、中頻濾波器(17)、信號(hào)切換開關(guān)(18)、信號(hào)整形單元(19)、鑒頻單元(20)、 微處理器(21)、顯示單元(22)與計(jì)算機(jī)接口 (23)組成的外差調(diào)頻式信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路; 其中圓柱型雙向電容測(cè)頭(12)與前振信號(hào)發(fā)生器(14)連接，前振信號(hào)發(fā)生器(14)依次 與混頻單元(16)、中頻濾波器(17)、信號(hào)切換開關(guān)(18)、信號(hào)整形單元(19)、鑒頻單元(20)、微處理器(21)連接，前振信號(hào)發(fā)生器(14)又直接與信號(hào)切換開關(guān)(18)連接，本 振信號(hào)發(fā)生器(15)與混頻單元(16)連接，微處理器(21)包含有顯示單元(22)和計(jì)算 機(jī)接口 (23)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，其特征在 于所述左極板(27)和右極板(28)形狀為方形、或長(zhǎng)方形、或橢圓形、或圓形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，其特征在 于在所述測(cè)桿(25)和極板屏蔽件(26)的腔內(nèi)設(shè)有定位件(31)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，其特征在 于所述測(cè)桿(25)、極板屏蔽件(26)、左極板(27)、右極板(28)、銷釘(29)和信號(hào)導(dǎo)桿(24)為良導(dǎo)體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，其特征在 于所述測(cè)桿(25)、極板屏蔽件(26)、左極板(27)和右極板(28)是在絕緣材料上鍍金屬 膜構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，,征在 于所述定位件(31)是由環(huán)氧樹脂材料制作。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，其特征在 于所述左極板(27)和右極板(28)與極板屏蔽件(26)之間的絕緣間隙(30)的寬度為20pm 200nm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器，其特征在 于所述前振信號(hào)發(fā)生器(14)采用克拉潑據(jù)蕩電路，并安裝在金屬屏蔽盒內(nèi)。
全文摘要
具有對(duì)徑雙窗口極板結(jié)構(gòu)的圓柱型雙向電容位移傳感器屬于精密儀器與測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，其圓柱型雙向電容測(cè)頭由測(cè)桿、極板屏蔽件、左極板、右極板、銷釘、信號(hào)導(dǎo)桿組成，在測(cè)桿端部上安裝整體呈圓柱形的極板屏蔽件，左、右極板對(duì)徑設(shè)置在極板屏蔽件上且相互對(duì)稱，在極板與極板屏蔽件之間設(shè)有絕緣間隙；在極板屏蔽件內(nèi)配裝一根銷釘，在測(cè)桿內(nèi)配裝一根信號(hào)導(dǎo)桿，銷釘?shù)膬啥朔謩e與左、右極板連接，信號(hào)導(dǎo)桿的一端與銷釘連接；或者在極板屏蔽件內(nèi)配裝兩根銷釘，在測(cè)桿內(nèi)配裝兩根信號(hào)導(dǎo)桿，兩根銷釘各自的一端分別與左、右極板連接，另一端分別與兩根信號(hào)導(dǎo)桿的一端連接；本發(fā)明具有可測(cè)深徑比大、可進(jìn)行雙向瞄準(zhǔn)觸發(fā)、傳感器具有一定量程等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B7/13GK101493310SQ20091007130
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2009年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月21日
發(fā)明者葉樹亮, 崔俊寧, 譚久彬 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)