基于小孔徑超精測(cè)量方法的研究

陶杰，秦國(guó)藝桂林市計(jì)量測(cè)試研究所

基于小孔徑超精測(cè)量方法的研究

陶杰，秦國(guó)藝
桂林市計(jì)量測(cè)試研究所

從某種程度上來說，科技的發(fā)展是建立在測(cè)量精度的基礎(chǔ)上的，人類每一次科技的發(fā)展，無不伴隨著度量衡的精細(xì)化?，F(xiàn)今，航空航天、高新材料、精密儀器等發(fā)展無不需要對(duì)孔徑進(jìn)行超精密的測(cè)量。對(duì)勁小孔徑超精測(cè)量的進(jìn)展，從某種方面來說就是推進(jìn)我國(guó)工業(yè)整體向精密化、集約化的發(fā)展。本文結(jié)合當(dāng)今最先進(jìn)的科技進(jìn)展，探索如何進(jìn)行小孔徑的超精測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)我國(guó)測(cè)量事業(yè)的飛躍，為我國(guó)進(jìn)行普及精確的測(cè)量技術(shù)和工業(yè)的早日進(jìn)步起到推動(dòng)作用。

小孔徑；精確測(cè)量；電容傳感

一、小孔徑測(cè)量特點(diǎn)與發(fā)展情況

（一）小孔徑測(cè)量的特點(diǎn)

小孔徑測(cè)量是指1mm以下尺寸的測(cè)量，其測(cè)量難度可想而知。其測(cè)量具有以下特點(diǎn)。首先，被測(cè)件十分的小，很難選擇測(cè)量基準(zhǔn)，在測(cè)量時(shí)，極易造成定位的誤差。測(cè)量容易受到外界干擾，且小尺寸零件的基面十分的小，與定位支撐不能很好的接觸，還會(huì)引起附加誤差，所以，其定位誤差往往十分的大；其次，因?yàn)闅鈮|、污漬、油膜等影響，在測(cè)量的過程中要有一定的測(cè)量力，但是在小孔徑的測(cè)量中這種力度經(jīng)常會(huì)引起被測(cè)件的變形，導(dǎo)致測(cè)量的不準(zhǔn)確，所以測(cè)量力對(duì)小孔徑的超精測(cè)量會(huì)產(chǎn)生一定的影響；三、在用光學(xué)方法對(duì)小孔徑進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，經(jīng)常出現(xiàn)衍射效應(yīng)，在被測(cè)件的邊緣產(chǎn)生了衍射條紋，降低了輪廓陰影的清晰度，使瞄準(zhǔn)精度受到影響。四、小孔徑超精測(cè)量受到溫度的影響較小，熱變形和冷變形雖然經(jīng)常會(huì)造成被測(cè)件和測(cè)量工具的變形，但是一般測(cè)量件和儀器導(dǎo)熱較快，兩者很容易達(dá)到溫度的平衡，所以溫度變化引起的誤差有限；五、被測(cè)件過于細(xì)小，就導(dǎo)致清洗困難，很容易因?yàn)榛覊m等發(fā)生輪廓畸變，造成測(cè)量的誤差。

（二）測(cè)量方法的現(xiàn)狀

孔徑測(cè)量作為一項(xiàng)基礎(chǔ)工程，發(fā)展十分的迅速，到目前為止已經(jīng)發(fā)明了多種測(cè)量方法。孔徑測(cè)量的監(jiān)測(cè)參數(shù)包括：小孔在零件中的位置、零件表面小孔的圓度和位置、在一定深度上小孔的圓度和直徑、小孔的軸線對(duì)表面的位置、小孔的直線度和圓柱度。測(cè)量方法包含了接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量?jī)煞N。接觸式的測(cè)量包括坐標(biāo)測(cè)量機(jī)法、振蕩掃描測(cè)量法、電接觸測(cè)量法、尺寸線規(guī)法。其中坐標(biāo)測(cè)量機(jī)法能夠保證精度和截面參數(shù)，振蕩掃描測(cè)量法無法進(jìn)行絕緣體的測(cè)量，電接觸法精度很低，尺寸線規(guī)法是最早使用的技術(shù)；非接觸測(cè)量法主要包括光學(xué)放大法、弗朗和衍射測(cè)量孔徑法、象點(diǎn)瞄準(zhǔn)法、激光光點(diǎn)掃描反射法、氣動(dòng)孔徑測(cè)量法、電容傳感法等[1]。

二、小孔徑測(cè)量的氣動(dòng)測(cè)量

小孔徑的氣動(dòng)測(cè)量可以分為流量式、壓力式、流速式等。壓力式測(cè)量?jī)x主要用于主動(dòng)測(cè)量，流量式和流速式的測(cè)量?jī)x主要用于靜態(tài)的測(cè)量。壓力式的氣動(dòng)測(cè)量?jī)x采用的是背壓氣路系統(tǒng)，其背壓氣路的間隙曲線一般由粘性部、直線部、水平部、過度部組成。測(cè)量?jī)x的構(gòu)成和設(shè)計(jì)主要有噴嘴、擋板機(jī)構(gòu)、測(cè)量導(dǎo)向間隙、噴嘴下沉量的確定這幾部分構(gòu)成。根據(jù)測(cè)量的工件類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，噴嘴的設(shè)定也各不相同，噴嘴的數(shù)量決定了測(cè)量的精確程度，同時(shí)，成本也會(huì)相應(yīng)的提高，所以要根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行噴嘴數(shù)量的確定[2]。每個(gè)噴嘴由兩個(gè)直徑上方向相反的噴嘴構(gòu)成，當(dāng)一個(gè)噴嘴壓在工件的內(nèi)壁徑上，相反方向的另一個(gè)噴嘴就具有了較大的間隙，總背壓要與兩個(gè)噴嘴與工件內(nèi)徑的距離相一致。噴嘴設(shè)置在測(cè)量桿的總長(zhǎng)1/3處時(shí)，導(dǎo)向性達(dá)到最佳，同時(shí)這樣的設(shè)定也可以避免測(cè)量噴嘴的方向與被測(cè)工件的徑向不一致的現(xiàn)象；噴嘴擋板機(jī)構(gòu)最重要的就是確定結(jié)構(gòu)的幾何特性和測(cè)量間隙的范圍。所謂擋板機(jī)構(gòu)就是被測(cè)量件的表面。前文中提過，在實(shí)際測(cè)量中，經(jīng)常發(fā)生定位不當(dāng)?shù)膯栴}，噴嘴擋板機(jī)構(gòu)的幾何設(shè)定和測(cè)量間隙的確定主要是用來消除定位誤差的。根據(jù)測(cè)量件表面的不同特征，擋板機(jī)構(gòu)也有不同的設(shè)定，主要分為平行擋板機(jī)構(gòu)和不平行擋板機(jī)構(gòu)兩種，小孔徑的測(cè)量主要是平行擋板機(jī)構(gòu)。幾何特性可以用：A=f（L,S）；dA=LdS+SdL來表示，A表示被測(cè)截面的面積，S表示測(cè)量的間隙，L表示噴嘴的周徑。因?yàn)長(zhǎng)是確定的常數(shù)，也可以表示成A=LS。噴嘴的橫向截面與被測(cè)面有關(guān)，如果噴嘴擋板流出面積和噴嘴的截面積相等，間隙就為極限間隙。氣電轉(zhuǎn)換裝置是氣動(dòng)測(cè)量?jī)x的關(guān)鍵部分，它使用壓力傳感器把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，就可以對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行顯示。其整個(gè)運(yùn)行過程如下：

三、小孔徑測(cè)量的電容傳感測(cè)量

小孔徑超精測(cè)量主要采用的是變面積型電容傳感器，測(cè)量時(shí)，把傳感器插入測(cè)量件的被測(cè)孔中，要注意傳感器的有效測(cè)量電極和被測(cè)件不能接觸，傳感器的外殼和被測(cè)孔要共接，并且傳感器與被測(cè)孔的方向要最大化的達(dá)到平行。電容傳感器有兩個(gè)等位環(huán)，分布在有效測(cè)量電極的兩邊，位置對(duì)稱。在外部有一層絕緣層，把有效測(cè)量電極、等位環(huán)、傳感器的外殼相隔離。當(dāng)電容傳感器位于被測(cè)孔中間時(shí)，在忽略傳感器邊緣效應(yīng)的情況下，傳感器和被測(cè)孔之間的電容量是固定的，如果被測(cè)孔徑發(fā)生變化則電容量也發(fā)生變化，為了達(dá)到測(cè)量的精準(zhǔn)化，通常要把孔徑變化的電容量計(jì)算在整個(gè)測(cè)量中，誤差一般在0.2%左右。如果電容測(cè)量?jī)x沒有在被測(cè)孔徑的中間，那么就要計(jì)算偏心量、傳感器有效半徑、電極長(zhǎng)度等。這一過程，電容量主要受到偏心率的影響，偏心率越大，電容量就越大。要注意，因?yàn)閷?shí)際測(cè)量中電容傳感器側(cè)頭的電極長(zhǎng)度是有限的，不可避免的會(huì)有一些邊緣效應(yīng)，為了避免這一現(xiàn)象，盡量使測(cè)試結(jié)果接近實(shí)際的電容值，在測(cè)量電極的邊緣要進(jìn)行保護(hù)環(huán)的設(shè)定。

[1]畢于順.小孔徑泡沫鋁研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2008,07:48-52.

[2]蘭馗博.碳納米管小孔徑互連以及相關(guān)工藝的研究[D].天津理工大學(xué),2014.