王盼

（黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江 大慶 163319）

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關(guān)于高精度止口測量儀的研究

王盼

（黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江 大慶 163319）

摘要：設(shè)計(jì)并研發(fā)了一款高精度止口測量儀，該測量儀機(jī)械結(jié)構(gòu)遵循阿貝原則，外加線性與非線性誤差補(bǔ)償系統(tǒng)、便攜式電感讀數(shù)系統(tǒng)，使得線性誤差更小、測量重復(fù)性誤差更小、抗干擾能力更強(qiáng)，測量范圍可調(diào)整，具有公差帶設(shè)置、超范圍報(bào)警、線性誤差修正等效果。

關(guān)鍵詞：高精度；誤差補(bǔ)償；電感讀數(shù)；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(shù)，而超精密加工技術(shù)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(shù)［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(fā)展不受制于人，我們必須努力發(fā)展我國自主的精密和超精密加工技術(shù)，加大對精密與超精密加工技術(shù)方面的投入，爭取盡快將我國的精密和超精密加工技術(shù)提升到“制造強(qiáng)國”的先進(jìn)水平。

1　設(shè)計(jì)原理

高精度止口測量儀，是以傳感器兩個(gè)側(cè)頭進(jìn)行感應(yīng)，經(jīng)過線性與非線性誤差補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，而得出位移距離。這是由位移量轉(zhuǎn)化為電感，再通過電感轉(zhuǎn)化為位移數(shù)據(jù)的過程，是高精度便攜式電感讀數(shù)系統(tǒng)與誤差修正系統(tǒng)的綜合性應(yīng)用。

2　研究與開發(fā)

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)加工

外部機(jī)械結(jié)構(gòu)加工，機(jī)械結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)軸線與被測尺寸軸線重合，盡量消除阿貝誤差［2］。經(jīng)過精密的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，分析出最合適的測量范圍。

2.2便攜式電感讀數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

便攜式電感讀數(shù)系統(tǒng)，將電感讀數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行微型化，使其攜帶更加方便。這是以傳感器兩個(gè)側(cè)頭進(jìn)行感應(yīng)，經(jīng)過線性與非線性誤差系統(tǒng)的補(bǔ)償，而得出的位移距離。

圖1　便攜式電感讀數(shù)系統(tǒng)的操作模式Fig.1 Operating mode of portable inductance reading system

工作過程由標(biāo)準(zhǔn)振蕩器產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的方波信號(hào)，經(jīng)過正弦波生成電路，轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定的正弦波，作為激勵(lì)電源提供給變壓器電橋，與得到的電感參數(shù)進(jìn)行分檔交流放大，進(jìn)行相敏整流，通過Atmeag16進(jìn)行AD數(shù)據(jù)采集和12864電型液晶進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。測量電感參數(shù)時(shí)，將使電橋平衡改變，輸出含電感系數(shù)的正弦調(diào)幅波，信號(hào)經(jīng)分檔、放大、濾波及整流后送入到atmega16進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)采集，由電感讀數(shù)軟件，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、濾波等處理，得到未進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)值。

圖2　便攜式電感讀數(shù)系統(tǒng)的電路運(yùn)行Fig.2 Circuit operation of portable inductance reading system

2.3誤差補(bǔ)償系統(tǒng)

線性誤差是實(shí)測曲線與理想直線之間的偏差，是根據(jù)一些離散的點(diǎn)，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(diǎn)與對應(yīng)直線上的標(biāo)準(zhǔn)值的差，再除以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(guī)律的誤差、可預(yù)期的。線性誤差的預(yù)防方法：進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，對線性誤差進(jìn)行補(bǔ)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(jié)果）分別作為直角坐標(biāo)系的縱軸、橫軸，選擇適合的坐標(biāo)軸，并將理想的輸入輸出對應(yīng)點(diǎn)標(biāo)入坐標(biāo)，可以得到一條理想輸入輸出關(guān)系曲線。將實(shí)際的輸入輸出對應(yīng)點(diǎn)標(biāo)入坐標(biāo)，可以得到一條實(shí)際輸入輸出關(guān)系曲線。最理想的情況下，這兩條曲線應(yīng)該重合，但實(shí)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(dāng)于另一條的平移或直線的斜率，這時(shí)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(shí)值之差的絕對值。需要對比標(biāo)準(zhǔn)測量塊規(guī)，計(jì)算方法：|測量值——真實(shí)值|。在標(biāo)準(zhǔn)溫度下進(jìn)行多次測量取平均值。

相對誤差：絕對誤差所占真實(shí)值的百分比，是被測點(diǎn)的絕對誤差與被測點(diǎn)的理想值之比，計(jì)算方法：|測量值——真實(shí)值|/真實(shí)值。在標(biāo)準(zhǔn)溫度下進(jìn)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?jǐn)?shù)，計(jì)算方法：（絕對誤差/測量上限）*100%；在標(biāo)準(zhǔn)溫度下進(jìn)行多次測量取平均值。

基本誤差：在標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)角擺與阿貝偏置的聯(lián)合作用，被測點(diǎn)的空間坐標(biāo)值(即測量值)與實(shí)際值產(chǎn)生的誤差。

將各種誤差方式進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)、補(bǔ)償，再通過計(jì)算溫度、濕度等，對被測量止口的溫度差進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。

3　精密與超精密加工技術(shù)的發(fā)展前景

精密和超精密加工技術(shù)是以不斷提高加工精度為目標(biāo)的工程科學(xué)與技術(shù)。隨著精密和超精密加工技術(shù)的不斷發(fā)展，它已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展史上必不可少的領(lǐng)頭羊技術(shù)，精密和超精密加工技術(shù)，有著很廣的應(yīng)用領(lǐng)域，無論是日常生活中的汽車、火車、飛機(jī)，還是在國防方面的戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈、航母，或是在外太空探索的衛(wèi)星，都與我國國防發(fā)展息息相關(guān)，它們對于精密和超精密加工技術(shù)的依賴性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎想象。目前，我國在精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展只能算作“制造大國”，但也只是大國而已，距離“制造強(qiáng)國”還有很遠(yuǎn)的路要走，在精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展上，我國起步比“制造強(qiáng)國”落后了近30年，英、美、德等國20世紀(jì)70年代就開始對精密和超精密加工技術(shù)進(jìn)行了深入研究，且一直保持對我國的封鎖禁運(yùn)。1998年，我國第一臺(tái)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(shù)迅猛發(fā)展，但依舊遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于一線強(qiáng)國，但是努力發(fā)展精密和超精密加工技術(shù)已經(jīng)成為我國制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢之一。未來機(jī)密和超精密加工技術(shù)將會(huì)是國家高新技術(shù)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代基礎(chǔ)科學(xué)研究與發(fā)展的基石，是我國現(xiàn)代化裝備制造的核心支撐技術(shù)［4］。

參考文獻(xiàn)：

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

［2］李彬.論阿貝原則之?dāng)U展［C］//江蘇省計(jì)量測試學(xué)會(huì)2005年論文集·中國會(huì)議，2005.

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

［4］ 譚弘穎.“中國制造2025”背景下我國超精密加工機(jī)床技術(shù)的發(fā)展——訪哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所所長孫濤［J］.制造技術(shù)與機(jī)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(hào)：TG834

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-8646（2016）08-0017-02

收稿日期：2016-02-19