關于高精度止口測量儀的研究

王盼

（黑龍江省科學院大慶分院，黑龍江 大慶 163319）

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關于高精度止口測量儀的研究

王盼

（黑龍江省科學院大慶分院，黑龍江 大慶 163319）

摘要：設計并研發了一款高精度止口測量儀，該測量儀機械結構遵循阿貝原則，外加線性與非線性誤差補償系統、便攜式電感讀數系統，使得線性誤差更小、測量重復性誤差更小、抗干擾能力更強，測量范圍可調整，具有公差帶設置、超范圍報警、線性誤差修正等效果。

關鍵詞：高精度；誤差補償；電感讀數；測量

精密和超精密加工的概念是按照加工精度劃分的。通常精密加工是指加工精度為0.1～1μm、加工表面粗糙度Ra在0.02～0.1μm的加工技術，而超精密加工技術是指加工精度高于0.1μm、加工表面粗糙度Ra小于0.01μm的加工技術［1］。我國對這方面的研究明顯落后。因此，為了使我國的國防和科技發展不受制于人，我們必須努力發展我國自主的精密和超精密加工技術，加大對精密與超精密加工技術方面的投入，爭取盡快將我國的精密和超精密加工技術提升到“制造強國”的先進水平。

1　設計原理

高精度止口測量儀，是以傳感器兩個側頭進行感應，經過線性與非線性誤差補償系統進行補償，而得出位移距離。這是由位移量轉化為電感，再通過電感轉化為位移數據的過程，是高精度便攜式電感讀數系統與誤差修正系統的綜合性應用。

2　研究與開發

2.1機械結構加工

外部機械結構加工，機械結構重在不影響精度的情況下盡量是重量減輕，使接縫更加切合，電感的安裝更加合理。遵循阿貝原則，使測頭運動軸線與被測尺寸軸線重合，盡量消除阿貝誤差［2］。經過精密的設計與實驗，分析出最合適的測量范圍。

2.2便攜式電感讀數系統的設計與開發

便攜式電感讀數系統，將電感讀數系統進行微型化，使其攜帶更加方便。這是以傳感器兩個側頭進行感應，經過線性與非線性誤差系統的補償，而得出的位移距離。

圖1　便攜式電感讀數系統的操作模式Fig.1 Operating mode of portable inductance reading system

工作過程由標準振蕩器產生頻率穩定的方波信號，經過正弦波生成電路，轉換為幅值穩定的正弦波，作為激勵電源提供給變壓器電橋，與得到的電感參數進行分檔交流放大，進行相敏整流，通過Atmeag16進行AD數據采集和12864電型液晶進行數據顯示。測量電感參數時，將使電橋平衡改變，輸出含電感系數的正弦調幅波，信號經分檔、放大、濾波及整流后送入到atmega16進行A/D數據采集，由電感讀數軟件，對采集的數據進行分析、濾波等處理，得到未進行誤差補償的數值。

圖2　便攜式電感讀數系統的電路運行Fig.2 Circuit operation of portable inductance reading system

2.3誤差補償系統

線性誤差是實測曲線與理想直線之間的偏差，是根據一些離散的點，確定一條直線，也就是高精度止口測量儀的電感線，找出偏離該直線的點與對應直線上的標準值的差，再除以實驗數據記錄的最大值即量程，就可以得到線性誤差。簡單地說，線性誤差就是有規律的誤差、可預期的。線性誤差的預防方法：進行多次實驗，對線性誤差進行補償。

非線性誤差［3］，將儀器儀表等測量工具的輸入、輸出（測量、結果）分別作為直角坐標系的縱軸、橫軸，選擇適合的坐標軸，并將理想的輸入輸出對應點標入坐標，可以得到一條理想輸入輸出關系曲線。將實際的輸入輸出對應點標入坐標，可以得到一條實際輸入輸出關系曲線。最理想的情況下，這兩條曲線應該重合，但實際上是不可能做到的，這兩條曲線之間的距離就是誤差。如果這兩條曲線形狀完全一致，但不重合，例如，一條曲線相當于另一條的平移或直線的斜率，這時的誤差就是線性的，否則誤差就是非線性誤差［3］。非線性誤差的算法：非線性誤差=最大誤差/量程。

絕對誤差：測量值與真實值之差的絕對值。需要對比標準測量塊規，計算方法：|測量值——真實值|。在標準溫度下進行多次測量取平均值。

相對誤差：絕對誤差所占真實值的百分比，是被測點的絕對誤差與被測點的理想值之比，計算方法：|測量值——真實值|/真實值。在標準溫度下進行多次測量取平均值。

引用誤差：絕對誤差與測量上限（或量程）之比的百分數，計算方法：（絕對誤差/測量上限）*100%；在標準溫度下進行多次測量取平均值。

基本誤差：在標準條件下，可以允許的誤差。

阿貝誤差：阿貝誤差指的是在測量過程中，因相應角擺與阿貝偏置的聯合作用，被測點的空間坐標值(即測量值)與實際值產生的誤差。

將各種誤差方式進行多次實驗、補償，再通過計算溫度、濕度等，對被測量止口的溫度差進行補償計算。

3　精密與超精密加工技術的發展前景

精密和超精密加工技術是以不斷提高加工精度為目標的工程科學與技術。隨著精密和超精密加工技術的不斷發展，它已經成為制造業發展史上必不可少的領頭羊技術，精密和超精密加工技術，有著很廣的應用領域，無論是日常生活中的汽車、火車、飛機，還是在國防方面的戰斗機、導彈、航母，或是在外太空探索的衛星，都與我國國防發展息息相關，它們對于精密和超精密加工技術的依賴性遠遠超乎想象。目前，我國在精密和超精密加工技術的發展只能算作“制造大國”，但也只是大國而已，距離“制造強國”還有很遠的路要走，在精密和超精密加工技術的發展上，我國起步比“制造強國”落后了近30年，英、美、德等國20世紀70年代就開始對精密和超精密加工技術進行了深入研究，且一直保持對我國的封鎖禁運。1998年，我國第一臺精密和超精密加工車床問世，隨后解禁。雖然近些年我國精密和超精密技術迅猛發展，但依舊遠遠弱于一線強國，但是努力發展精密和超精密加工技術已經成為我國制造業發展的必然趨勢之一。未來機密和超精密加工技術將會是國家高新技術和戰略性新興產業的基礎，是現代基礎科學研究與發展的基石，是我國現代化裝備制造的核心支撐技術［4］。

參考文獻：

［1］袁哲俊，高文龍.精密和超精密加工技術（第2版）［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

［2］李彬.論阿貝原則之擴展［C］//江蘇省計量測試學會2005年論文集·中國會議，2005.

［3］ 周鳴爭，汪軍.基于支持向量機的傳感器非線性誤差校正［J］.電子科技大學學報，2006，（02）:125-126.

［4］ 譚弘穎.“中國制造2025”背景下我國超精密加工機床技術的發展——訪哈爾濱工業大學精密工程研究所所長孫濤［J］.制造技術與機床，2015，（08）:106-107.

Research on high-accuracy measuring instrument

WANG Pan
(Daqing Branch of Heilongjiang Academy of Sciences,Daqing 163319,China)

Abstract:The design and development of a high precision measuring instrument,measuring instrument mechanical structure of which follows the Abbe principle,plus linear and nonlinear error compensation system and portable inductance readings system that makes the linear error and repeatability of measurement error smaller,anti-interference ability stronger,and measuring range adjusted.It has effects of tolerance zone settings,ultra range alarm and linear error correction.

Key words:High accuracy;Error compensation;Inductance reading;Measurement

中圖分類號：TG834

文獻標志碼：A

文章編號：1674-8646（2016）08-0017-02

收稿日期：2016-02-19