魏 欣，王 棟，蔡 宇，張?jiān)讫?/p>

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)和機(jī)械零件加工制造中，很多零件的外形是圓形或者是圓柱體，加工工件的圓度誤差會直接影響各個零部件的配合精度、回轉(zhuǎn)精度、振動、摩擦、噪聲等，因此會降低其使用壽命，同時(shí)也會影響機(jī)器的精度[1]。所以圓度誤差是評價(jià)回轉(zhuǎn)體零件精度的重要參數(shù)，是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。

原始的圓度誤差測量方法主要以人工測量為主。檢測人員利用游標(biāo)卡尺等測量工具對工件進(jìn)行手動測量，測量過程中容易產(chǎn)生較大的測量誤差，同時(shí)人工測量必須在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，停機(jī)時(shí)間的增加，削弱了機(jī)時(shí)的利用率，降低了加工效率，因而人工測量方式的測量效率和測量精度都相對較低[2]。

鑒于傳統(tǒng)的測量手段測量過程煩瑣低效，影響工件的加工效率，本文設(shè)計(jì)了一種高精度在線圓度測量系統(tǒng)，采用電感式位移傳感器，實(shí)現(xiàn)了加工工件的在線測量。

1 技術(shù)方案

圓度測量系統(tǒng)采用高精度電感式位移傳感器，位移傳感器由3個依次排列的線圈和可移動鐵芯組成。電感式位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 電感式位移傳感器結(jié)構(gòu)

位移測量時(shí)，首先向線圈P中通入交變激勵電流，從而產(chǎn)生交變的激勵磁場B1，當(dāng)傳感器進(jìn)行圓度測量時(shí)，被測工件帶動鐵芯在線圈中移動，次級線圈S1，S2在鐵芯的作用下會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

圖1中的位移傳感器，設(shè)線圈P，S1，S2的長度均為D，3個線圈的匝數(shù)均為N，半徑為R，鐵芯在線圈中的位置為X。當(dāng)通入交變的激勵電流I時(shí)，產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度B1為：

式1中I為通入線圈P的激勵電流，μ0為空氣隙的磁導(dǎo)率。

由于的電感式位移傳感器結(jié)構(gòu)上D＞＞R，所以式1可以簡化為：

可以推導(dǎo)出激勵磁場B1的作用下S1和S2電感值L為：

設(shè)圓形鐵芯的半徑為r，磁導(dǎo)率為μ。當(dāng)鐵芯伸入電感式位移傳感器時(shí)，磁導(dǎo)率將增大。

μ'=μ0·μ，磁導(dǎo)率的變化將會帶來線圈S1和S2電感值的變化。設(shè)鐵芯在S1線圈部分的長度為d，則線圈S1的電感值為：

若鐵芯繼續(xù)向S1方向移動Δd，則線圈S1的電感變化值為：

則電感式位移傳感器的靈敏度為：

從式6中可以看出，隨著鐵芯在線圈中移動，線圈S1和S2的電感值呈線性變化的趨勢，數(shù)值的大小由線圈的匝數(shù)N、線圈長度D和鐵芯的半徑r決定。

2 實(shí)驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的電感式位移傳感器的性能，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，包括STM32F103核心板、H橋PWM輸出直流減速電機(jī)驅(qū)動板、串口A/D轉(zhuǎn)換電路板、信號調(diào)理電路等。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了更好地測試傳感器性能，實(shí)驗(yàn)中采用兩種不同參數(shù)分別繞制了兩個位移傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對結(jié)果進(jìn)行對比。參數(shù)1：線圈長度D=5 mm，線圈外徑R=8 mm，線圈P，S1，S2的匝數(shù)N均為300，鐵芯的半徑r=3 mm，磁導(dǎo)率μ=700。參數(shù)2：線圈長度D=5 mm，線圈外徑R=10 mm，線圈P，S1，S2的匝數(shù)N均為300，鐵芯的半徑r=5 mm，磁導(dǎo)率μ=700。

利用螺旋測微器推動位移傳感器，并通過單片機(jī)對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和記錄，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，參數(shù)1傳感器的線圈繞制半徑小于參數(shù)2傳感器，所以參數(shù)1線圈的感應(yīng)電壓小于參數(shù)2線圈。但通過圖3—4的趨勢線可以看出，參數(shù)1線圈的測量線性度優(yōu)于參數(shù)2線圈。說明繞制的線圈半徑越小，感應(yīng)磁場的一致性越好，測量越準(zhǔn)確。同時(shí)感應(yīng)電壓的分辨率就會下降，所以系統(tǒng)要綜合考慮AD的采樣精度來確定線圈的半徑。

圖3 參數(shù)1傳感器測量數(shù)據(jù)

圖4 參數(shù)2傳感器測量數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

本文提出了一種高精度電感式位移傳感器。通過分析和實(shí)際驗(yàn)證，電感式位移傳感器的測量線性度和分辨率與傳感器線圈的繞制半徑有很大的關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)場景定制傳感器的參數(shù)。