容柵位移傳感器自動測量技術應用研究

鐘 勝

（桂林市晶準測控技術有限公司，廣西 桂林541000）

0 引言

隨著我國制造業(yè)向智慧工廠的轉型升級，在機械產(chǎn)品零部件加工過程中，把實時測量數(shù)據(jù)納入工廠管理網(wǎng)絡系統(tǒng)，并最終實現(xiàn)實時在線檢測已成必然趨勢。生產(chǎn)過程中，企業(yè)在產(chǎn)品尺寸檢測方面會投入大量人力物力，希望做到精確、快速的測量和判斷，并將檢測數(shù)據(jù)存儲、傳輸分享和分析，當然，嵌入自動生產(chǎn)線的在線檢測則更是企業(yè)最期待的生產(chǎn)方式?，F(xiàn)階段，將制造過程中的尺寸檢測數(shù)據(jù)納入管理網(wǎng)絡系統(tǒng)依然存在很大難度，因為這些工作依靠增加人工是難以完成的，因此，企業(yè)期望用自動檢測設備來實現(xiàn)實時對產(chǎn)品尺寸的快速測量、判斷和數(shù)據(jù)傳輸，更希望把自動檢測、判斷、處理嵌入生產(chǎn)線。機械表需操作人員手工持表檢測、讀數(shù)、抄錄數(shù)據(jù)，之后，人工錄入電腦才能完成檢測結果的數(shù)字化存儲和傳輸，這樣，人工檢測、錄入效率都非常低，遠不能適應現(xiàn)代工廠網(wǎng)絡化管理的要求。以汽車玻璃行業(yè)為例，前檔玻璃都需對整個尺寸做精密測量，人工檢測兩小時方能完成單件檢測。半自動檢具，是在一個檢具上安裝幾十個傳感器，單件檢測時間只需五分鐘，并且各種檢測數(shù)據(jù)可記錄成表格。其他汽車零件如曲軸、凸輪軸等都向自動化檢測發(fā)展，一般的機械零件檢測也逐漸向此方向發(fā)展，因此，智能化，高性能的位移測量傳感器需求巨大，且每年都在增長。

1 以往容柵測量技術較少用于工業(yè)自動化位移測量的原因

容柵測量技術從上世紀八十年代開始應用在便攜式量具上，例如卡尺、千分尺等，該技術具有功耗低、成本低等特點[1]，但國內(nèi)外都很少把該技術用于工業(yè)自動化位移測量上，主要有以下原因：

1.1 基本原因

工業(yè)自動化對位移檢測傳感器有很高的技術要求，首先是精度要求高，中高端產(chǎn)品測量精度要求全程在3 μm以內(nèi)，或者更高；第二是使用壽命要長，由于傳感器是用于批量檢測，反復檢測的次數(shù)要求只少達到500萬次到1 000萬次；第三是使用環(huán)境惡劣，生產(chǎn)加工環(huán)境下電磁干擾非常嚴重；第四是檢測速度要求，要求檢測頻次每秒100次以上；第五是傳感器數(shù)據(jù)處理能力須達到自動化的要求。

1.2 價格高

國外容柵傳感器研究已經(jīng)比較領先，雖然精度較高，但高精度的傳感器制作工藝，機械結構和光柵以及電感傳感器沒有區(qū)別，所以成本上沒有優(yōu)勢，價格很高，很難普遍推廣應用。

1.3 國內(nèi)容柵傳感器技術相對落后

國內(nèi)方面，容柵傳感器技術相對落后，產(chǎn)品測量精度，使用壽命和可靠性達不到工業(yè)自動化測量要求，雖然有一些類似產(chǎn)品，但都屬于低端低精度產(chǎn)品，與國外同類產(chǎn)品比較不具有競爭力[1]。

2 容柵位移傳感器整體方案設計思路

容柵傳感器的基本原理：電容信號由傳感器副柵發(fā)射柵極傳遞到主柵，主柵接收后再反射到副柵接收極，當主柵與副柵相對移動時，接收到的信號與發(fā)射信號有相位差，以此相位差來測量到位移。這樣，電容柵條的密度就決定了傳感器的分辨力。主柵與副柵之間的電容穩(wěn)定性決定了傳感器的細分精度，電容穩(wěn)定性取決于兩個柵板之間在相對移動時的動態(tài)平行度，因此，穩(wěn)定可靠的機械構件和結構是容柵傳感器精度的有力保障。

桂林市晶準測控技術有限公司研發(fā)團隊，面對以上問題，根據(jù)容柵位移傳感器的基本原理、誤差規(guī)律、性能特點等，確定了以下整體測量系統(tǒng)設計思路：通過改變?nèi)輺艝艞l的布線方式來提高容柵傳感器分辨力和精度，通過軟件改進提高容柵測微計數(shù)據(jù)處理功能，通過對芯片和傳感器振蕩電路創(chuàng)新改進，提高容柵傳感器采集頻率，使采集頻率達到每秒100次。通過結構優(yōu)化使各種部件能組裝成體積較小的有機整體。

3 具體實施方案及關鍵創(chuàng)新

3.1 改進容柵傳感器的基礎布線方式，提高分辨力和精度

下面通過圖片來解釋原理：

普通容柵線條的排列方式如圖1所示[2]，在一個測量節(jié)距T中，放置編號1到8的8個發(fā)射極板，它們都在發(fā)射極板一側排列，T的尺寸越小，傳感器分辨力越高，由于受生產(chǎn)工藝的限制，每個發(fā)射極板太密就非常容易粘連。

改進型專利布線方式如圖2所示，把發(fā)射極板在接收極的兩邊排列，相鄰極板之間距離拉大，這樣極板在原有工藝極限的情況下再細一倍。

圖2 專利容柵

雖然采用分布式排列自有專利，降低了對線條的精細度要求，但要做到0.5 μm分辨力，最小線條要求也是小于0.1 mm，正常電路板線條腐蝕工藝是非常難以保證質量，我們自己改造一臺小型電路板腐蝕設備，針對超細線條要求精細調整腐蝕參數(shù)，最終找到最佳值，通過多次投板實驗，現(xiàn)在最小節(jié)距T由原來的1.08 mm縮小到0.512 mm，最小分辨力由1 μm 縮小到 0.5 μm。

測量精度不僅受分辨力的影響，還與機械構件動態(tài)平行度關系密切，它直接影響到測量過程中容柵傳感器兩個電容極板相對位置變化，這對提高重復定位精度和減少隨機誤差起到?jīng)Q定性的作用。在這個思路的前提下提出了全新的導向結構，使得利用現(xiàn)有的加工工藝的條件下，能保證傳感器的機械構件動態(tài)平行度，解決了測微計重復定位精度的難題。

通過上述在電路和機械構件的研發(fā)和改進，使測微計精度最高可達到2 μm。

3.2 提高容柵測微計數(shù)據(jù)處理功能

完善原來容柵傳感器的非標準協(xié)議，傳感器輸出以及集線器輸出都采用工業(yè)通用的MODBUS協(xié)議，出于縮小產(chǎn)品體積的考慮，傳感器內(nèi)部控制芯片比較簡單，為了滿足能輸出標準協(xié)議并保持高速數(shù)

據(jù)刷新功能，軟件方面做了大量的優(yōu)化。

3.3 提高容柵測微計采集頻率

在跟蹤測量應用場合，需要快速采集測量數(shù)據(jù)，這樣才能真實反應尺寸的變化規(guī)律，所以高速的采樣頻率的不可少的。

原來容柵傳感器是為低功耗電池環(huán)境下設計，采樣頻率一般只有4到8次，遠遠不能滿足要求，研發(fā)團隊與芯片設計公司合作，對芯片重新改版，提高芯片的使用電壓，改進傳感器振蕩電路，增加一路高速振蕩，并對模擬電路做相應調整，使得在高頻振蕩下，數(shù)據(jù)依然保持原來的精度指標，最終使采集頻率達到每秒100次。

3.4 增加自提起機構

傳感器在某些自動使用測量場景中，需要測桿自動上下移動去接觸工件，實現(xiàn)測量。這樣，我們在傳感器主體上，利用已有的導向系統(tǒng)，巧妙設計了一個氣動活塞機構，測量桿在活塞機構內(nèi)移動，當外部增加氣壓，測桿就被頂出，減小氣壓，則測桿縮回。這樣，傳感器固定不動，也能實現(xiàn)自動接觸測量工件，測畢自動脫離，實現(xiàn)批量檢測目的。這一氣缸裝置申請了國家實用新型專利，專利號：ZL2016203862315。

4 容柵位移傳感器的技術指標

2018年10月，該項產(chǎn)品通過了桂林市科技局組織的成果鑒定，各項技術指標均達到設計要求。

容柵位移傳感器，品名稱為測微計，其技術指標如下：

（1）千分測微計的分辨率0.5 μm，測量精度3 μm。

（2）數(shù)據(jù)讀取速度＞100 次/秒。

（3）帶氣缸自動伸縮機構。

（4）通信協(xié)議為MODBUS，且可記錄最大值和最小值。

5 應用場景介紹

5.1 千分測微計適用精密加工時的零件測量

千分測微計適用于精密加工時測量的零件直徑、臺階和曲面，如圖3所示。

圖3 實際應用介紹

5.2 百分測微計適合產(chǎn)品形狀測量

百分測微計適合測量產(chǎn)品形狀，例如在汽車玻璃、板金等自動、半自動檢具上使用，如圖4所示。

圖4 百分測微計適合測量產(chǎn)品形狀

汽車玻璃、板金等部件，形狀復雜，檢測點往往非常多，由于測微計具有高性價比，并且具有多達64個測微計組合的優(yōu)點，所以非常適合使用。

擋風玻璃檢具，紅色箭頭處安裝了測微計。

5.3 應用特點

（1）快速組成多測微計測量系統(tǒng)。提供多種類型集線器，可以把多個測微計組合成測量系統(tǒng)，數(shù)據(jù)進電腦和PLC處理，最多64個。圖5所示為32個測微計組合的示意圖。

（2）提供顯示盒組成廉價自動測試系統(tǒng)。測微計配套數(shù)據(jù)顯示控制盒，可以顯示當前測微計的數(shù)據(jù)，可設置上下公差，具有超差報警，以及公差比較結果輸出，驅動外部設備等功能。用戶檢測點少，建議采用這種廉價方案組成自動化檢測系統(tǒng)。

（3）標準協(xié)議。測微計系統(tǒng)通信模式是標準MODBUS協(xié)議，與現(xiàn)有的可編程控制器（PLC）通信非常方便。

圖532 個測微計組合示意圖

6 結語

桂林市晶準測控技術有限公司研發(fā)的容柵位移傳感器（測微計），集檢測、數(shù)據(jù)存儲、傳輸為一體，具有高精度、網(wǎng)絡化并兼具高性價比，是國內(nèi)首創(chuàng)和領先，填補了國內(nèi)容柵測量技術在高精度、智能化應用領域的空白。與國際一流同類產(chǎn)品相比，主要技術指標基本持平，但價格只是國外一流產(chǎn)品的三分之一到五分之一。與其它光柵、電感技術產(chǎn)品相比，具有價格顯著低（是國內(nèi)產(chǎn)品的二分之一，進口產(chǎn)品的三分之一）、功耗低等優(yōu)勢?，F(xiàn)已經(jīng)應用于軸承自動檢測、汽車行業(yè)機械加工零件、汽車玻璃、板金件的在線及自動、半自動檢測等。進一步研發(fā)方向是增加絕對值測量和無線傳輸功能，隨著技術的突破，將會極大地擴展容柵測量技術的應用場景。