基于小孔徑超精測量方法的研究

陶杰，秦國藝桂林市計量測試研究所

基于小孔徑超精測量方法的研究

陶杰，秦國藝
桂林市計量測試研究所

從某種程度上來說，科技的發展是建立在測量精度的基礎上的，人類每一次科技的發展，無不伴隨著度量衡的精細化。現今，航空航天、高新材料、精密儀器等發展無不需要對孔徑進行超精密的測量。對勁小孔徑超精測量的進展，從某種方面來說就是推進我國工業整體向精密化、集約化的發展。本文結合當今最先進的科技進展，探索如何進行小孔徑的超精測量方法，實現我國測量事業的飛躍，為我國進行普及精確的測量技術和工業的早日進步起到推動作用。

小孔徑；精確測量；電容傳感

一、小孔徑測量特點與發展情況

（一）小孔徑測量的特點

小孔徑測量是指1mm以下尺寸的測量，其測量難度可想而知。其測量具有以下特點。首先，被測件十分的小，很難選擇測量基準，在測量時，極易造成定位的誤差。測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，還會引起附加誤差，所以，其定位誤差往往十分的大；其次，因為氣墊、污漬、油膜等影響，在測量的過程中要有一定的測量力，但是在小孔徑的測量中這種力度經常會引起被測件的變形，導致測量的不準確，所以測量力對小孔徑的超精測量會產生一定的影響；三、在用光學方法對小孔徑進行測量的時候，經常出現衍射效應，在被測件的邊緣產生了衍射條紋，降低了輪廓陰影的清晰度，使瞄準精度受到影響。四、小孔徑超精測量受到溫度的影響較小，熱變形和冷變形雖然經常會造成被測件和測量工具的變形，但是一般測量件和儀器導熱較快，兩者很容易達到溫度的平衡，所以溫度變化引起的誤差有限；五、被測件過于細小，就導致清洗困難，很容易因為灰塵等發生輪廓畸變，造成測量的誤差。

（二）測量方法的現狀

孔徑測量作為一項基礎工程，發展十分的迅速，到目前為止已經發明了多種測量方法。孔徑測量的監測參數包括：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、小孔的軸線對表面的位置、小孔的直線度和圓柱度。測量方法包含了接觸測量和非接觸測量兩種。接觸式的測量包括坐標測量機法、振蕩掃描測量法、電接觸測量法、尺寸線規法。其中坐標測量機法能夠保證精度和截面參數，振蕩掃描測量法無法進行絕緣體的測量，電接觸法精度很低，尺寸線規法是最早使用的技術；非接觸測量法主要包括光學放大法、弗朗和衍射測量孔徑法、象點瞄準法、激光光點掃描反射法、氣動孔徑測量法、電容傳感法等[1]。

二、小孔徑測量的氣動測量

小孔徑的氣動測量可以分為流量式、壓力式、流速式等。壓力式測量儀主要用于主動測量，流量式和流速式的測量儀主要用于靜態的測量。壓力式的氣動測量儀采用的是背壓氣路系統，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。測量儀的構成和設計主要有噴嘴、擋板機構、測量導向間隙、噴嘴下沉量的確定這幾部分構成。根據測量的工件類型和結構特點，噴嘴的設定也各不相同，噴嘴的數量決定了測量的精確程度，同時，成本也會相應的提高，所以要根據實際的需要進行噴嘴數量的確定[2]。每個噴嘴由兩個直徑上方向相反的噴嘴構成，當一個噴嘴壓在工件的內壁徑上，相反方向的另一個噴嘴就具有了較大的間隙，總背壓要與兩個噴嘴與工件內徑的距離相一致。噴嘴設置在測量桿的總長1/3處時，導向性達到最佳，同時這樣的設定也可以避免測量噴嘴的方向與被測工件的徑向不一致的現象；噴嘴擋板機構最重要的就是確定結構的幾何特性和測量間隙的范圍。所謂擋板機構就是被測量件的表面。前文中提過，在實際測量中，經常發生定位不當的問題，噴嘴擋板機構的幾何設定和測量間隙的確定主要是用來消除定位誤差的。根據測量件表面的不同特征，擋板機構也有不同的設定，主要分為平行擋板機構和不平行擋板機構兩種，小孔徑的測量主要是平行擋板機構。幾何特性可以用：A=f（L,S）；dA=LdS+SdL來表示，A表示被測截面的面積，S表示測量的間隙，L表示噴嘴的周徑。因為L是確定的常數，也可以表示成A=LS。噴嘴的橫向截面與被測面有關，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。氣電轉換裝置是氣動測量儀的關鍵部分，它使用壓力傳感器把壓力信號轉換成電信號輸出，就可以對測量的結果進行顯示。其整個運行過程如下：

三、小孔徑測量的電容傳感測量

小孔徑超精測量主要采用的是變面積型電容傳感器，測量時，把傳感器插入測量件的被測孔中，要注意傳感器的有效測量電極和被測件不能接觸，傳感器的外殼和被測孔要共接，并且傳感器與被測孔的方向要最大化的達到平行。電容傳感器有兩個等位環，分布在有效測量電極的兩邊，位置對稱。在外部有一層絕緣層，把有效測量電極、等位環、傳感器的外殼相隔離。當電容傳感器位于被測孔中間時，在忽略傳感器邊緣效應的情況下，傳感器和被測孔之間的電容量是固定的，如果被測孔徑發生變化則電容量也發生變化，為了達到測量的精準化，通常要把孔徑變化的電容量計算在整個測量中，誤差一般在0.2%左右。如果電容測量儀沒有在被測孔徑的中間，那么就要計算偏心量、傳感器有效半徑、電極長度等。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，因為實際測量中電容傳感器側頭的電極長度是有限的，不可避免的會有一些邊緣效應，為了避免這一現象，盡量使測試結果接近實際的電容值，在測量電極的邊緣要進行保護環的設定。

[1]畢于順.小孔徑泡沫鋁研究進展[J].材料導報,2008,07:48-52.

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