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（1.鄭州宇通客車股份有限公司，河南 鄭州 450016；2. 河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191）

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一種非接觸式彈簧長度測量儀的設(shè)計(jì)

可杰1，張?jiān)?

（1.鄭州宇通客車股份有限公司，河南 鄭州 450016；2. 河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191）

文章利用變間隙電容原理設(shè)計(jì)了一種非接觸式彈簧長度測量系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的基本工作原理、結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了闡述，實(shí)踐證明，該產(chǎn)品精度高，價(jià)格低廉，且具有一定的開發(fā)價(jià)值。

電容；變間隙電容；非接觸式測量；位移測量

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.046

CLC NO.: U468.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-134-02

引言

近年來隨著汽車工業(yè)、國家制造業(yè)的快速發(fā)展，彈簧作為基礎(chǔ)零部件之一，需要一個(gè)超前的發(fā)展期才能適應(yīng)整個(gè)國家工業(yè)的快速發(fā)發(fā)展。然而，目前我國彈簧行業(yè)在整個(gè)制造業(yè)中屬于小行業(yè)，基本以中小企業(yè)為主，甚至很多是手工作坊式或者是由手工作坊發(fā)展而來，生產(chǎn)設(shè)備和檢測設(shè)備比較落后，所生產(chǎn)的彈簧應(yīng)用在低端產(chǎn)品中可以滿足精度要求，但是對(duì)于儀用或高端產(chǎn)品，裝配彈簧需要成對(duì)匹配安裝時(shí)要求彈簧精度較高，不能滿足精度要求[1]。雖然國外有精密的彈簧檢測設(shè)備，但價(jià)格昂貴，對(duì)大多數(shù)中小企業(yè)來說，一種快速測量又價(jià)格便宜的彈簧測量設(shè)備是提高其產(chǎn)品市場競爭力的保證?；诖吮疚慕榻B了一種非接觸式在線測量彈簧長度的測量系統(tǒng)。

1、測量系統(tǒng)的基本原理

圖1　變間隙電容工作原理圖

相關(guān)文獻(xiàn)表明，一些廠家要求測量的彈簧是彈簧絲為直徑Φ0.1mm-Φ1.1mm，彈簧直徑為Φ5mm-Φ10mm的細(xì)小彈簧，長度相對(duì)誤差要求在+0.2以內(nèi)。只要測量值在合理誤差范圍內(nèi)，即為合格產(chǎn)品。因?yàn)樵诖藴y量過程中，所需要測量的是一個(gè)相對(duì)量，不是絕對(duì)測量。同時(shí)因?yàn)闇y量的對(duì)象為細(xì)小彈簧，彈簧的的虎克系數(shù)比較小，接觸式測量極易使所測量的彈簧在外力的作用下發(fā)生變形，影響測量精度，由此只能采用非接觸式方法進(jìn)行測量。測量對(duì)象特殊性，決定了可采用以微小電容的原理測量在線彈簧長度，在測量過程中，生產(chǎn)過程中的彈簧斷面與測量儀的斷平面形成一個(gè)一個(gè)可變參量的電容器，其基本原理可以用圖1所示：

平板電容器來說明。

當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容量C為：

式中： S——極板間相對(duì)覆蓋面積

d——極板間距離

εr——相對(duì)介電常數(shù)

ε0——真空介電常數(shù)

ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)

當(dāng)被測參數(shù)式中的d、S和εr中的后兩個(gè)參數(shù)不變，電容上下兩電容極板之間間隙的變化引起電容的變化，電容的變化進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電壓的變化，以變化的電壓值進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈簧長度的實(shí)時(shí)在線測量[2-4]。

在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，當(dāng)被測量彈簧端面與測量儀傳感器探頭端面之間的距離減小，電容逐漸增大，其電壓極性由正到負(fù)，逐漸減小。當(dāng)機(jī)頭停止擠壓并準(zhǔn)備切斷彈簧時(shí)，此時(shí)測量多組電容數(shù)值，經(jīng)過死區(qū)理論處理，其大小不變，則該電容值通過測量儀的測定標(biāo)定結(jié)果計(jì)算出彈簧的相對(duì)長度。檢測電路給出信號(hào)，提示彈簧相對(duì)長度誤差是否在±0.2以內(nèi)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了相對(duì)位移的測量。

2、測量儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變間隙式電容傳感器是測量儀的核心檢測部件，怎樣實(shí)現(xiàn)將彈簧長度變化轉(zhuǎn)為電容變化是其測量儀能否實(shí)現(xiàn)測量目的的關(guān)鍵。在測量過程中，以測量儀的傳感器端面作為電容式傳感器的一極板，即電容傳感器的固定極板，所測量的彈簧端面作為變間隙式電容傳感器的另一電容極板，即電容傳感器的可動(dòng)極板。兩者成為該測量儀檢測系統(tǒng)的核心部件——變間隙式微小電容傳感器[5]。

圖2　彈簧測量儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

測量儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有緊固裝置，將其固定在彈簧纏繞機(jī)的機(jī)頭前端，在測量彈簧長度之前先進(jìn)行數(shù)值標(biāo)定，當(dāng)彈簧機(jī)擠出彈簧時(shí)，其端面與測量的傳感器探頭端面形成電容，當(dāng)彈簧擠出到測定長度時(shí)，停止機(jī)器，測量此時(shí)電容值并記錄數(shù)值，然后調(diào)節(jié)測量儀探頭端面與所測彈簧的距離變化為正負(fù)最大偏差時(shí)，記錄此時(shí)的測量數(shù)值。通過測量儀的調(diào)理電路把對(duì)電容變化的測量轉(zhuǎn)化為電壓的測量，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)值標(biāo)定實(shí)現(xiàn)電壓值與彈簧長度變化的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化。

3、測量儀的軟件設(shè)計(jì)

本測控系統(tǒng)中電容傳感器的作用就是將測量的非電物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過后續(xù)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)化部分后，傳輸?shù)叫盘?hào)控制終端并通過液晶顯示器動(dòng)態(tài)顯示測量結(jié)果，實(shí)時(shí)監(jiān)測其與標(biāo)準(zhǔn)長度的比較結(jié)果并傳輸?shù)綀?zhí)行部分，以達(dá)到在線動(dòng)態(tài)測量的結(jié)果。電路流程如圖 3所示：

圖3　采集卡實(shí)現(xiàn)流程

4、結(jié)束語

與傳統(tǒng)手工接觸式測量彈簧長度相比，本文設(shè)計(jì)出的非接觸式彈簧測量系統(tǒng)有效的提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品精度，并且可以規(guī)避彈簧加工時(shí)對(duì)彈簧絲用油進(jìn)行潤滑污染鏡頭，造成測量誤差大，甚至無法測量的情況。同時(shí)該測量儀價(jià)格低廉，造作方便，對(duì)工作環(huán)境要求不高，有很大的推廣使用價(jià)值。

[1] 赫風(fēng)祥.國外先進(jìn)工業(yè)國家彈簧測試儀器發(fā)展情況[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī).1992,04;25-29.

[2] 王化祥,張淑英.傳感器原理及應(yīng)用[M].天津:天津大學(xué)出版社.2004.4-9.45-66.

[3] 余瑞芬.傳感器原理[M].北京:航空工業(yè)出版社,1995.

[4] 強(qiáng)錫富.傳感器[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[5] 可杰.基于微小電容的彈簧檢長儀的設(shè)計(jì)[D].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī).2009.

Design of a non contact type spring length measuring instrument

Ke Jie1, Zhang Yuanjuan2
（1. Zheng Zhou Yutong Bus Co.Ltd., Henan Zhengzhou 450016; 2. Department of Safety Engineering, Henan Institute of Engineering, Henan Zhengzhou 451191）

The variable gap capacitive principle to design a non-contact spring length measurement system, and the basic working principle, circuit structure and design principle are described. It is proved that the products of high precision, low price, and has certain value.

capacitance; Variable gap capacitance; Non contact measurement; Displacement measurement

河南工程學(xué)院博士基金（D2013022）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（14B440005）；國家自然科學(xué)基金（51104111）；鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目（141PPTGG375）。

U468.4

A

1671-7988 （2016）06-134-02

可杰，男，河南省安陽市人，工學(xué)碩士，工程師，就職于鄭州宇通客車股份有限公司，從事汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作。