容栅位移传感器自动测量技术应用研究

摘

要：指出工业加工行业由人工检测转为自动检测的变化趋势袁分析现有容栅传感器在工业应用时存在精度差尧可靠

钟胜

性低及响应速度慢等问题袁并提出从调整传感器走线布局尧优化电路和改进机械构件等解决方法袁还通过容栅传感器的应用场景分析袁验证方法的有效性遥

关键词：容栅位移传感器曰分布式布线方式曰自提起机构曰MODBUS协议曰测微计中图分类号：TP212

文献标识码：A

文章编号：1672-5X（2019）10-0110-03

0引言

随着我国制造业向智慧工厂的转型升级袁在机械产品零部件加工过程中袁把实时测量数据纳入工厂管理网络系统袁并最终实现实时在线检测已成必然趋势遥生产过程中袁企业在产品尺寸检测方面会投入大量人力物力袁希望做到精确尧快速的测量和判断袁并将检测数据存储尧传输分享和分析袁当然袁嵌入自动生产线的在线检测则更是企业最期待的生产方式遥现阶段袁将制造过程中的尺寸检测数据纳入管理网络系统依然存在很大难度袁因为这些工作依靠增加人工是难以完成的袁因此袁企业期望用自动检测设备来实现实时对产品尺寸的快速测量尧判断和数据传输袁更希望把自动检测尧判断尧处理嵌入生产线遥机械表需操作人员手工持表检测尧读数尧抄录数据袁之后袁人工录入电脑才能完成检测结果的数字化存储和传输袁这样袁人工检测尧录入效率都非常低袁远不能适应现代工厂网络化管理的要求遥以汽车玻璃行业为例袁前档玻璃都需对整个尺寸做精密测量袁人工检测两小时方能完成单件检测遥半自动检具袁是在一个检具上安装几十个传感器袁单件检测时间只需五分钟袁并且各种检测数据可记录成表格遥其他汽车零件如曲轴尧凸轮轴等都向自动化检测发展袁一般的机械零件检测也逐渐向此方向发展袁因此袁智能化袁高性能的位移测量传感器需求巨大袁且每年都在增长遥

1以往容栅测量技术较少用于工业自动化位

移测量的原因

容栅测量技术从上世纪八十年始应用在便携式量具上袁例如卡尺尧千分尺等袁该技术具有功耗低尧成本低等特点[1]袁但国内外都很少把该技术用于工业自动化位移测量上袁主要有以下原因院1.1基本原因

工业自动化对位移检测传感器有很高的技术要求袁首先是精度要求高袁中高端产品测量精度要求全程在3滋m以内袁或者更高曰第二是使用寿命要长袁由于传感器是用于批量检测袁反复检测的次数要求只少达到500万次到1000万次曰第三是使用环境恶劣袁生产加工环境下电磁干扰非常严重曰第四是检测速度要求袁要求检测频次每秒100次以上曰第五是传感器数据处理能力须达到自动化的要求遥1.2价格高

国外容栅传感器研究已经比较领先袁虽然精度较高袁但高精度的传感器制作工艺袁机械结构和光栅以及电感传感器没有区别袁所以成本上没有优势袁价格很高袁很难普遍推广应用遥1.3国内容栅传感器技术相对落后

国内方面袁容栅传感器技术相对落后袁产品测量精度袁使用寿命和可靠性达不到工业自动化测量要求袁虽然有一些类似产品袁但都属于低端低精度产品袁与国外同类产品比较不具有竞争力[1]遥

收稿日期：2019-07-07作者简介：钟胜渊1968-冤袁男袁湖南长沙人袁大学本科袁工程师袁研究方向院容栅位移传感器在自动化控制和测量领域的应用研究遥

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2容栅位移传感器整体方案设计思路

容栅传感器的基本原理院电容信号由传感器副栅发射栅极传递到主栅袁主栅接收后再反射到副栅接收极袁当主栅与副栅相对移动时袁接收到的信号与发射信号有相位差袁以此相位差来测量到位移遥这样袁电容栅条的密度就决定了传感器的分辨力遥主栅与副栅之间的电容稳定性决定了传感器的细分精度袁电容稳定性取决于两个栅板之间在相对移动时的动态平行度袁因此袁稳定可靠的机械构件和结构是容栅传感器精度的有力保障遥

桂林市晶准测控技术有限公司研发团队袁面对以上问题袁根据容栅位移传感器的基本原理尧误差规律尧性能特点等袁确定了以下整体测量系统设计思路院通过改变容栅栅条的布线方式来提高容栅传感器分辨力和精度袁通过软件改进提高容栅测微计数据处理功能袁通过对芯片和传感器振荡电路创新改进100袁提高容栅传感器采集频率袁使采集频率达到每秒的有次机遥整通体过遥

结构优化使各种部件能组装成体积较小3具体实施方案及关键创新

3.1改进容栅传感器的基础布线方式，提高分辨力和精度

下面通过图片来解释原理院

普通容栅线条的排列方式如图1所示[2]袁在一个测量节距T中袁放置编号1到8的8个发射极板袁它们都在发射极板一侧排列袁T的尺寸越小袁传感器分辨力越高袁由于受生产工艺的袁每个发射极板太密就非常容易粘连遥

T

1

12

23

45

67

8

S

接收极

图1普通容栅线条的排列方式

改进型专利布线方式如图2所示袁把发射极板在接收极的两边排列袁相邻极板之间距离拉大袁这样极板在原有工艺极限的情况下再细一倍遥

叶装备制造技术曳2019年第10期

多层布线

极密布线

渊a冤容栅外形

T

1357

接收极

2468

渊b冤容栅布线

图2专利容栅

虽然采用分布式排列自有专利袁降低了对线条的精细度要求袁但要做到0.5滋m分辨力袁最小线条要求也是小于0.1mm袁正常电路板线条腐蚀工艺是非常难以保证质量袁我们自己改造一台小型电路板腐蚀设备袁针对超细线条要求精细调整腐蚀参数袁最终找到最佳值袁通过多次投板实验袁现在最小节距T1由滋原m来缩小的1.08到0.5mm滋m缩小遥

到0.512mm袁最小分辨力由

测量精度不仅受分辨力的影响袁还与机械构件

动态平行度关系密切袁它直接影响到测量过程中容栅传感器两个电容极板相对位置变化袁这对提高重复定位精度和减少随机误差起到决定性的作用遥在这个思路的前提下提出了全新的导向结构袁使得利用现有的加工工艺的条件下袁能保证传感器的机械构件动态平行度袁解决了测微计重复定位精度的难题遥

通过上述在电路和机械构件的研发和改进袁使测微计精度最高可达到2滋m遥3.2提高容栅测微计数据处理功能

完善原来容栅传感器的非标准协议袁传感器输出以及集线器输出都采用工业通用的MODBUS协议袁出于缩小产品体积的考虑袁传感器内部控制芯片

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EquipmentManufacturingTechnologyNo.10袁2019比较简单袁为了满足能输出标准协议并保持高速数据刷新功能袁软件方面做了大量的优化遥3.3提高容栅测微计采集频率

在跟踪测量应用场合袁需要快速采集测量数据袁这样才能真实反应尺寸的变化规律袁所以高速的采样频率的不可少的遥

原来容栅传感器是为低功耗电池环境下设计袁采样频率一般只有4到8次袁远远不能满足要求袁研发团队与芯片设计公司合作袁对芯片重新改版袁提高芯片的使用电压袁改进传感器振荡电路袁增加一路高速振荡袁并对模拟电路做相应调整袁使得在高频振荡下袁数据依然保持原来的精度指标袁最终使采集频率达到每秒100次遥3.4增加自提起机构

传感器在某些自动使用测量场景中袁需要测杆自动上下移动去接触工件袁实现测量遥这样袁我们在传感器主体上袁利用已有的导向系统袁巧妙设计了一个气动活塞机构袁测量杆在活塞机构内移动袁当外部增加气压袁测杆就被顶出袁减小气压袁则测杆缩回遥这样袁传感器固定不动袁也能实现自动接触测量工件袁测毕自动脱离袁实现批量检测目的遥这一气缸装置申请了国家实用新型专利袁专利号院ZL2016203862315遥

4容栅位移传感器的技术指标

织的2018成果鉴年定10袁各月项袁该项技术产品指标通均过达了到桂林设计市要科求技遥

局组容栅位移传感器袁品名称为测微计袁其技术指标如下院滋m渊渊遥

1冤千分测微计的分辨率0.5滋m袁测量精度3

渊2渊3冤4冤数冤带据通气读信缸取协自动速度议为伸跃MODBUS缩100机构次遥

/秒遥袁且可记录最大值和最

小值遥

5应用场景介绍

5.1千分测微计适用精密加工时的零件测量

千分测微计适用于精密加工时测量的零件直径尧台阶和曲面袁如图3所示遥

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曲面测量

台阶测量

直径测量

图3实际应用介绍

5.2百分测微计适合产品形状测量

百分测微计适合测量产品形状袁例如在汽车玻璃尧板金等自动尧半自动检具上使用袁如图4所示遥

图4百分测微计适合测量产品形状

汽车玻璃尧板金等部件袁形状复杂袁检测点往往非常多袁由于测微计具有高性价比袁并且具有多达个测微计组合的优点袁所以非常适合使用遥

挡风玻璃检具袁红色箭头处安装了测微计遥5.3应用特点

渊1冤快速组成多测微计测量系统遥提供多种类型集线器袁可以把多个测微计组合成测量系统袁数据进电脑和PLC处理袁最多个遥图5所示为32个测微计组合的示意图遥

渊2冤提供显示盒组成廉价自动测试系统遥测微计配套数据显示控制盒袁可以显示当前测微计的数据袁可设置上下公差袁具有超差报警袁以及公差比较结果输出袁驱动外部设备等功能遥用户检测点少袁建议采

渊下转第132页冤

EquipmentManufacturingTechnologyNo.10袁2019FiniteElementAnalysistotheIntegratedTestDeviceofSuspensionInsulatorBasedonUG

SUNQi-hui1袁ZHUKe1袁PUJun-song1袁CAIGang1袁LIUXi1袁ZHUKe袁DENGTao1袁CHENZheng-xiong2渊1.StateGridSichuanElectricPowerResearchInstitute袁Chengdu610094袁China曰

2.UniversityofElectronicScienceandTechnology袁Chengdu611731袁China冤

Abstract：Inordertoverifywhethertheframeandkeypartsofthesuspensioninsulatorintegratedtestdevicemeettherequirementsoftheintensityandmeasurementaccuracy袁theUGisadoptedtothefiniteelementanalysis.ThetensioningforceofthesuspensioninsulatorcomprehensivetestdeviceintheworkingstatusissetequivalentintoTheresultsshowthattheframeandkeycomponentsmeettherequirementsofstrengthandmeasurementaccuracy.Keywords：integratedtestingdevice曰finiteelementanalysis曰powerload曰stressandstrain

渊上接第112页冤

powerloadof3dmodelingframeworkandcomponents.Aseriesofparametersincludingmaterialproperties袁physicalproperties袁grid袁constraintsetc.areset.Thenthestressandstraindistributionissolvedafterfiniteelementanalysis.

用这种廉价方案组成自动化检测系统遥

MODBUS协议袁与现有的可编程控制器渊PLC冤通信非常方便遥

渊3冤标准协议遥测微计系统通信模式是标准

有高精度尧网络化并兼具高性价比袁是国内首创和领先袁填补了国内容栅测量技术在高精度尧智能化应用领域的空白遥与国际一流同类产品相比袁主要技术指标基本持平袁但价格只是国外一流产品的三分之一到五分之一遥与其它光栅尧电感技术产品相比袁具有价格显著低渊是国内产品的二分之一袁进口产品的三分之一冤尧功耗低等优势遥现已经应用于轴承自动检测尧汽车行业机械加工零件尧汽车玻璃尧板金件的在线及自动尧半自动检测等遥进一步研发方向是增加绝对值测量和无线传输功能袁随着技术的突破袁将会极大地扩展容栅测量技术的应用场景遥

1234...8

910...161718...242526...32

参考文献：

[1]黄桂云袁李振雄袁李品毅.浅谈容栅技术产业发展趋势及技术提升的思路和建议[J].2015渊10冤院84-87.

[2]王文良袁杨继恩袁李斌.容栅式直线同步传感器工作原理及系统设计方法[J].传感器世界袁1998渊9冤院23-26.

图532个测微计组合示意图

6结语

桂林市晶准测控技术有限公司研发的容栅位移传感器渊测微计冤袁集检测尧数据存储尧传输为一体袁具

ResearchontheApplicationofAutomaticMeasurement

TechnologyoftheGrating-shapeCapacitiveSensor

渊GuilinJingzhunMeasurementandControlTechnologyCo.袁Ltd.袁GuilinGuangxi1000袁China冤

Abstract：Thispaperpointsoutthattheindustrialprocessingindustryfrommanualinspectiontothetendencyofaccuracy袁lowreliabilityandresponsespeed袁andputforwardfromtheadjustmentofsensorlinelayout袁optimiza原theautomaticdetection袁analysisnowgrating-shapecapacitivesensorexistinindustrialapplicationssuchaslow

ZHONGSheng

tionofcircuitandimprovethemechanicalcomponentssuchassolution袁thispaperalsothroughthegrating-shapecapacitivesensorapplicationscenarioanalysis袁verifythevalidityofthemethod.

Keywords：grating-shapecapacitivesensor曰distributedwiring曰selfliftingmechanism曰micrometer

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