謝惠琴，楊鐵牛，侯曙光

（五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江門 529020）

1 測(cè)量背景

以某機(jī)械設(shè)備有限公司已磨損的“∞”形狀注塑機(jī)機(jī)筒內(nèi)徑作為測(cè)量對(duì)象，如圖1所示?；贚abVIEW圖形化編程軟件平臺(tái)，以內(nèi)徑尺寸φ50-φ120mm，整體長(zhǎng)度為2-8m，材料為鐵基合金的“∞”形狀機(jī)筒為測(cè)量對(duì)象，采用高精度非接觸感應(yīng)式測(cè)量方法，進(jìn)行了相關(guān)的研究。

為了保證測(cè)量過(guò)程的穩(wěn)定性和重復(fù)精度，要求測(cè)量對(duì)象進(jìn)行以下必要的前置處理：用塞規(guī)檢查附著內(nèi)表面的雜質(zhì)厚度小于1mm。

圖1 φ70的被測(cè)機(jī)筒

2 測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

[1]后，設(shè)計(jì)了本研究的測(cè)量系統(tǒng)，如圖2所示，本測(cè)量系統(tǒng)包括：被測(cè)機(jī)筒、測(cè)量傳動(dòng)裝置、測(cè)量電路、數(shù)據(jù)采集和計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)等。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)被測(cè)對(duì)象、實(shí)際測(cè)量精度和測(cè)量范圍的需要，我們選用24V穩(wěn)壓直流電源，電渦流位移傳感器及其所配置的信號(hào)放大器，激光測(cè)距傳感器，選用 NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合NI公司的LabVIEW軟件平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)處理的編程。利用電渦流位移傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)筒內(nèi)徑尺寸采樣，采用激光測(cè)距傳感器確定被測(cè)截面的軸向準(zhǔn)確位置。

LabVIEW具有編程靈活、方便，形象化，圖像化及可以濾波等特點(diǎn)[2]，基于LabVIEW開(kāi)發(fā)了檢測(cè)系統(tǒng)的總體程序框圖，包括數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、存儲(chǔ)測(cè)量、補(bǔ)償程序的外部調(diào)用等子模塊。

3 測(cè)量原理及檢測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 電渦流傳感器檢測(cè)位移的測(cè)量原理

測(cè)量目的是要實(shí)現(xiàn)機(jī)筒使用者的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。生產(chǎn)環(huán)境與生產(chǎn)工藝的不確定性，會(huì)導(dǎo)致機(jī)筒內(nèi)壁粘附的雜質(zhì)也不統(tǒng)一，但它們都有一個(gè)共性：即雜質(zhì)均無(wú)導(dǎo)電性，而被測(cè)機(jī)筒是一種金屬材料。因此，根據(jù)渦流式傳感器最大的特點(diǎn)[3]：能對(duì)位移、厚度、表面溫度、電解質(zhì)濃度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)很寬等特點(diǎn)，采用電渦流位移傳感器作為基本檢測(cè)元件。

電渦流位移傳感器的工作原理，如圖3所示。當(dāng)線圈與被測(cè)金屬導(dǎo)體靠近時(shí)（考慮到渦流的反作用），線圈的等效阻抗可由下式求得：

式中，R，L——空心線圈電阻和電感；

R1，L1——渦流回路的等效電阻和電感；

M——線圈與金屬導(dǎo)體之間的互感；

U1，L——空心線圈電阻與電感的總電壓和電流。

由上式可知，電渦流傳感器的等效阻抗Z與被測(cè)材料的電阻率ρ、導(dǎo)磁率μr、激磁頻率f及線圈與被測(cè)件之間的距離x有關(guān)。當(dāng)ρ，μr，f確定后，Z只與x有關(guān)，通過(guò)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路，可得到輸出電壓與距離x的關(guān)系。圖3相關(guān)工作過(guò)程可以參考文獻(xiàn)[4]。

圖3 電渦流傳感器的基本工作原理圖[4]

3.2 電渦流位移傳感器的標(biāo)定

由于探頭線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)范圍是一定的，而被測(cè)體表面形成的渦流場(chǎng)也是一定的。這樣就對(duì)被測(cè)體表面大小有一定要求。通常，電渦流位移傳感器所測(cè)量的位移量是指以傳感器探頭中心為中心的1.5倍[4]探頭直徑區(qū)域面積內(nèi)的被測(cè)平面的平均值。本文研究的被測(cè)對(duì)象為內(nèi)圓弧面，而且圓弧直徑大小不一，因此，對(duì)應(yīng)的位移與輸出電壓之間的函數(shù)關(guān)系也是不同的。故需將電渦流傳感器對(duì)應(yīng)各直徑進(jìn)行標(biāo)定，其流程圖如圖4所示。采用LabVIEW對(duì)電渦流位移傳感器的“位移-電壓”進(jìn)行標(biāo)定。

應(yīng)用標(biāo)定程序，針對(duì)φ70mm材料為不銹鋼的機(jī)筒對(duì)一對(duì)電渦流位移傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，如表1所示，圖5為表1對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線圖。由圖可知位移與輸出電壓之間在一定范圍內(nèi)是成線性關(guān)系的。

圖4 標(biāo)定軟件流程圖

表1 一對(duì)傳感器對(duì)應(yīng)φ70mm模擬機(jī)筒的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)表

圖5 φ70mm位移-電壓標(biāo)定曲線

由圖5可得，傳感器1的量程線性范圍為2.1mm～4.4mm；傳感器2的量程線性范圍為2.1mm～4.5mm，該范圍內(nèi)的線性情況比較好，能滿足測(cè)量要求。利用線性擬合原理，將此兩個(gè)傳感器針對(duì)該φ70mm機(jī)筒的位移與電壓的線性函數(shù)關(guān)系，擬合為：

其中，y1、y2——測(cè)量位移，mm；

x1、x2——輸出電壓，v 。

3.3 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)配置與圖6的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件流程圖，結(jié)合上述傳感器的標(biāo)定值，針對(duì)模擬的φ70mm不銹鋼材料磨損機(jī)筒，采用LabVIEW軟件進(jìn)行了兩路數(shù)據(jù)采集的程序編寫，如圖7所示為數(shù)據(jù)采集局部程序圖。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件流程圖

由上面測(cè)量方法可得：1）采用LabVIEW軟件編寫具有具體化、形象化和簡(jiǎn)單化等特點(diǎn)；2）檢測(cè)結(jié)果可以采用多種形式輸出與保存[5]，例如數(shù)值的text文本方式或是excel電子表格；3）對(duì)磨損量的檢測(cè)結(jié)果適時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；4）整個(gè)測(cè)量過(guò)程的數(shù)據(jù)可以在線監(jiān)測(cè)。

4 測(cè)量數(shù)據(jù)分析與處理

4.1 本次實(shí)驗(yàn)裝置介紹

本次試驗(yàn)借用數(shù)控銑床平臺(tái)，采用兩個(gè)探頭直徑為φ8mm的傳感器安裝在同一截面上（即被測(cè)機(jī)筒的直徑方向上），用兩個(gè)傳感器在直徑方向進(jìn)行同步測(cè)量。最后將傳感器1測(cè)得的位移量與傳感器2測(cè)得的位移量之和與兩傳感器探頭端的距離相加即為所測(cè)得的直徑。用公式表示為：

其中：

d—實(shí)測(cè)機(jī)筒內(nèi)徑量；mm

d0—兩個(gè)傳感器探頭端之間的距離；mm

d1—傳感器1測(cè)得的位移量；mm

d2—傳感器2測(cè)得的位移量；mm

4.2 實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)及預(yù)處理結(jié)果

在一個(gè)截面內(nèi)安裝兩個(gè)傳感器，每間隔一個(gè)毫米采集數(shù)據(jù)。利用兩路數(shù)據(jù)采集程序?qū)D1所示樣本進(jìn)行實(shí)測(cè)后，將所測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用excel軟件將其繪成曲線圖。如圖8所示為φ70mm模擬機(jī)筒的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖8 所測(cè)直徑曲線圖

圖7 兩路數(shù)據(jù)采集局部程序框圖

其中相應(yīng)幾處重要的波峰波谷數(shù)據(jù)明細(xì)如表2所示。

表2 理論直徑與實(shí)測(cè)直徑對(duì)比

4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理

在研究傳感器的測(cè)量原理基礎(chǔ)上，結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差規(guī)律，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的補(bǔ)償函數(shù)進(jìn)行了初步猜測(cè)，并運(yùn)用C語(yǔ)言進(jìn)行編程驗(yàn)證。通過(guò)幾組補(bǔ)償函數(shù)對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷嘗試，最后得到最佳的補(bǔ)償函數(shù)并對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)--波峰值進(jìn)行了補(bǔ)償。進(jìn)一步構(gòu)造補(bǔ)償函數(shù)（另文專門論述），依據(jù)實(shí)時(shí)所得數(shù)據(jù)，在線修正補(bǔ)償函數(shù)的權(quán)值系數(shù)，可以適應(yīng)不同零件的測(cè)量。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)表2的補(bǔ)償結(jié)果如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)處理前后比較

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該測(cè)量方法可以滿足機(jī)筒內(nèi)孔磨損量的測(cè)量要求，所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)不同的處理，還可以用于評(píng)定機(jī)筒內(nèi)孔的其他特征。例如機(jī)筒的圓柱度誤差，機(jī)筒內(nèi)表面的波度，“∞”形機(jī)筒兩孔中心線的平行度誤差，同時(shí)還能用于檢測(cè)新機(jī)筒是否合格的質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程等等。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理、測(cè)量方法的分析，結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行了具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)所測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析之后，證實(shí)該原理與方法是可行的，能滿足企業(yè)的測(cè)量精度和測(cè)量效率的要求。

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