一種電渦流傳感器球面位移測(cè)量的標(biāo)定方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明一種電渦流傳感器球面位移測(cè)量的標(biāo)定方法屬于精密測(cè)量領(lǐng)域，涉及利用電渦流傳感器測(cè)量球面零件到傳感器探頭端面距離的標(biāo)定方法。該方法針對(duì)多組不同曲率球面的位移進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定，基于標(biāo)定數(shù)據(jù)建立電渦流傳感器球面位移測(cè)量的校準(zhǔn)曲面。首先將電渦流位移傳感器夾持固定在機(jī)床主軸上，將用于校準(zhǔn)的半球形標(biāo)定件裝夾在機(jī)床工作臺(tái)上，對(duì)多組不同曲率的半球形標(biāo)定件進(jìn)行傳感器探頭的對(duì)中處理，機(jī)床主軸帶動(dòng)電渦流位移傳感器探頭移動(dòng)，完成在其量程范圍內(nèi)的位移標(biāo)定，采用最小二乘法建立電渦流傳感器球面位移測(cè)量的校準(zhǔn)曲面。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意曲率球面位移測(cè)量的輸出標(biāo)定，提高曲面位移測(cè)量精度，準(zhǔn)確性高，實(shí)用性強(qiáng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種電渦流傳感器球面位移測(cè)量的標(biāo)定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于精密測(cè)量領(lǐng)域，涉及利用電渦流傳感器測(cè)量球面零件到傳感器探頭端 面距離的標(biāo)定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 航空航天及核工業(yè)中存在大批量具有復(fù)雜曲面特征的高精度關(guān)鍵零部件，其數(shù)字 化加工中由于金屬基面（即軟質(zhì)涂層等厚度加工基準(zhǔn)）的實(shí)際面形不能用原始設(shè)計(jì)表示， 需在機(jī)測(cè)量獲得。電渦流檢測(cè)因具有對(duì)非金屬材料透射好、測(cè)量范圍寬、靈敏度高、分辨率 高、響應(yīng)速度快、抗干擾力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響等優(yōu)點(diǎn)，為不可視狀態(tài)下的金屬基面 測(cè)量提供了有效途徑。目前電渦流位移傳感器的工作原理是基于線(xiàn)圈與平板間的互感效 應(yīng)，只在測(cè)量平面可以保證結(jié)果精度。因此，研究電渦流傳感器對(duì)不同曲率曲面的測(cè)量誤差 對(duì)提高曲面的測(cè)量精度十分必要。
[0003] 電渦流位移傳感器在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體表面非平面而具有曲面特征 時(shí)，以曲率參數(shù)表示曲面特征。雖然目標(biāo)測(cè)點(diǎn)與電渦流位移傳感器之間的距離沒(méi)有發(fā)生變 化，但由于被測(cè)零件中產(chǎn)生的渦流呈一定區(qū)域分布，電渦流場(chǎng)的空間分布將發(fā)生變化，從而 導(dǎo)致探頭線(xiàn)圈的阻抗較測(cè)量相同的平面位移相比發(fā)生變化，使得電渦流位移傳感器測(cè)量電 路的輸出電壓發(fā)生改變。即此時(shí)電渦流位移傳感器的測(cè)量結(jié)果已經(jīng)不能代表目標(biāo)測(cè)點(diǎn)的 實(shí)際距離，存在曲率誤差。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)被測(cè)表面為球面，曲率半徑為20mm時(shí)，曲率誤差 將為電渦流位移傳感器測(cè)量誤差可達(dá)〇. 〇5_，不能滿(mǎn)足測(cè)量的精度要求。而實(shí)際測(cè)量過(guò)程 中，被測(cè)零件普遍存在大量的曲面特征，尤其在復(fù)雜曲面的精密測(cè)量過(guò)程中，曲率誤差成為 制約高精密測(cè)量的關(guān)鍵因素之一，嚴(yán)重限制電渦流位移傳感器的測(cè)量精度與使用范圍。因 此，曲面零件位移的測(cè)量校準(zhǔn)技術(shù)顯得尤為重要。
[0004] 2005年，清華大學(xué)賈永平、丁天懷等在《傳感技術(shù)學(xué)報(bào)》發(fā)表的論文《曲面體間隙 電渦流檢測(cè)的有限元分析》中提出利用與被測(cè)曲面形狀一致的異形線(xiàn)圈的電渦流效應(yīng)進(jìn)行 曲面零件的位移測(cè)量，但此方法制造成本較高，而且線(xiàn)圈的普遍適用性差。2013年，中北大 學(xué)信息工程學(xué)院胡鵬在碩士學(xué)位論文《基于平板標(biāo)定法的曲面涂層測(cè)厚精度分析》中介紹 了一種球形金屬零件非金屬涂層厚度的測(cè)量方法，即按照電渦流傳感器測(cè)量平面時(shí)的標(biāo)定 結(jié)果直接測(cè)量曲面涂層的厚度。該方法嚴(yán)重限制了被測(cè)零件的曲率范圍，而且測(cè)量精度不 能保證。國(guó)內(nèi)外學(xué)者和機(jī)構(gòu)的研究尚未提及保證利用電渦流位移傳感器測(cè)量任意曲面零件 距離的測(cè)量精度方法與技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述曲面測(cè)量方法的不足，針對(duì)電渦流傳感器 測(cè)量曲面零件位移時(shí)測(cè)量精度難以保證問(wèn)題，發(fā)明了一種適用于電渦流位移傳感器球面位 移測(cè)量的標(biāo)定方法。該方法基于傳感器對(duì)多組不同曲率球面的位移測(cè)量標(biāo)定數(shù)據(jù)，建立球 面零件位移測(cè)量的曲率誤差校準(zhǔn)曲面，實(shí)用價(jià)值高，應(yīng)用范圍廣。傳感器可在一次裝夾下 完成對(duì)不同曲率球面零件位移的多次標(biāo)定測(cè)量，保證標(biāo)定過(guò)程的快速高效；并且該標(biāo)定方 法對(duì)球面零件的曲率限制少，使用范圍廣；此外傳感器的對(duì)中處理作為本方法的重要環(huán)節(jié)， 將球面中沿主軸方向最高點(diǎn)作為目標(biāo)測(cè)量點(diǎn)，以目標(biāo)測(cè)點(diǎn)的位移作為球面的位移保證標(biāo) 定結(jié)果的準(zhǔn)確性；采用最小二乘法擬合電渦流傳感器測(cè)量不同曲率半球形零件位移的"位 移-曲率-輸出"校準(zhǔn)曲面，保證了標(biāo)定結(jié)果精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意曲率球面的位移測(cè)量誤差的 補(bǔ)償。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種電渦流傳感器球面位移測(cè)量的標(biāo)定方法，該方法 針對(duì)多組不同曲率球面的位移進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定，基于標(biāo)定數(shù)據(jù)建立電渦流傳感器球面位移測(cè) 量的校準(zhǔn)曲面。首先將電渦流位移傳感器夾持固定在機(jī)床主軸上，將用于校準(zhǔn)的半球形標(biāo) 定件裝夾在機(jī)床帶T形槽的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，然后對(duì)多組不同曲率的半球形標(biāo)定件進(jìn)行傳感 器探頭的對(duì)中處理，保證傳感器的測(cè)量初始位置處于被測(cè)曲面上目標(biāo)測(cè)點(diǎn)的正上方，并且 傳感器的軸線(xiàn)沿實(shí)驗(yàn)被測(cè)表面的法線(xiàn)方向，機(jī)床主軸帶動(dòng)電渦流位移傳感器探頭移動(dòng)，完 成在其量程范圍內(nèi)的位移標(biāo)定，采用最小二乘法建立電渦流傳感器球面位移測(cè)量的校準(zhǔn)曲 面，電渦流傳感器半球面位移測(cè)量標(biāo)定方法的具體步驟如下：
[0007] 第一步電渦流傳感器安裝
[0008] 將電渦流傳感器探頭6通過(guò)其自身的螺紋和2個(gè)傳感器探頭連接螺母12固定在 平板4中間，平板4通過(guò)4個(gè)螺栓3和螺母5與轉(zhuǎn)接裝置2連接，最后將轉(zhuǎn)接裝置2通過(guò)脹 套直接夾持在機(jī)床主軸1上，完成傳感器的安裝；
[0009] 第二步半球形標(biāo)定件的裝夾
[0010] 將半球形標(biāo)定件7放置在帶T形槽的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)11上并通過(guò)兩個(gè)專(zhuān)用夾具10夾 緊，通過(guò)螺栓的壓板9壓緊夾具10,完成標(biāo)定件的裝夾；
[0011] 第三步傳感器的對(duì)中處理
[0012] 首先，移動(dòng)機(jī)床主軸1沿X軸負(fù)向、Y軸負(fù)向，Z軸正向離開(kāi)半球形標(biāo)定件7,然后， 使傳感器探頭6以一定進(jìn)給速度Vi垂直接近帶T形槽的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)11表面，探頭端面與 帶T形槽的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)11表面接觸時(shí),停止機(jī)床主軸1的進(jìn)給,記錄下機(jī)床此時(shí)主軸z軸 的坐標(biāo)值 Ζ(ι，將主軸1沿z軸正向抬高至Zl = Z(l+H+0. 02, Η為被測(cè)半球形標(biāo)定件7的高度， 保證傳感器對(duì)中時(shí)測(cè)量到的位移在其測(cè)量范圍內(nèi)。粗對(duì)中過(guò)程中手動(dòng)控制機(jī)床主軸1帶動(dòng) 傳感器探頭6通過(guò)目測(cè)接近半球形標(biāo)定件7球面的中心點(diǎn)，停止時(shí)，記錄此時(shí)傳感器對(duì)中的 起始坐標(biāo)位置為（χ〇, ％，Zl)，鎖住機(jī)床主軸在Ζ軸與Υ軸方向不動(dòng)，機(jī)床主軸1沿X軸正向 以一定速度v2移動(dòng)距離1:，同時(shí)以采樣頻率f采集此期間內(nèi)傳感器反饋電壓值，待機(jī)床主 軸1停止后，尋找反饋值最小值的時(shí)間坐標(biāo)t x，計(jì)算半球形零標(biāo)定件的X軸方向的中點(diǎn)&為 X(l+tx X v2 ;同理尋找半球形標(biāo)定件的Y軸方向的中點(diǎn)時(shí)，反饋電壓值最小值的時(shí)間坐標(biāo)ty， 半球形標(biāo)定件的Y軸方向的中點(diǎn)yi為y〇+t yXv2 ;
[0013] 第四步不同曲率半球形標(biāo)定件位移標(biāo)定測(cè)量
[0014] 將機(jī)床主軸1移動(dòng)到坐標(biāo)系下（Xi，yp Zi)點(diǎn)處，初始的測(cè)量位移為0. 02mm。使傳 感器探頭6在量程范圍內(nèi)沿Z軸以特定步進(jìn)量程不斷提升，探頭與試件表面的間隙不斷增 大，在每一個(gè)步進(jìn)完成后，記錄一定曲率半徑r下η組不同測(cè)量距離t傳感器的輸出信號(hào)值 yi。半球形標(biāo)定件的曲率半徑^范圍為電渦流傳感器可測(cè)的最小球面半徑到受曲率半徑影 響最大球面半徑，并以等半徑差的方式選擇多組校準(zhǔn)的半球形標(biāo)定件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過(guò)程 重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟第二、三、四步；
[0015] 第五步建立曲率誤差校準(zhǔn)曲面
[0016] 基于標(biāo)定過(guò)程中獲得的不同曲率半徑的球面標(biāo)定件的"位移-曲率-輸出"數(shù)據(jù) 點(diǎn)（ti， ri，yi) i = 1，2, . . .，N，共N組，建立電渦流傳感器測(cè)量不同曲率半徑的半球形標(biāo)定件 位移的校準(zhǔn)曲面，曲面方程為：
[0017]

【權(quán)利要求】
1. 一種電渦流傳感器球面位移測(cè)量的標(biāo)定方法，其特征在于，該方法針對(duì)多組不同曲 率球面的位移進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定，基于標(biāo)定數(shù)據(jù)建立電渦流傳感器球面位移測(cè)量的校準(zhǔn)曲面； 首先將電渦流位移傳感器夾持固定在機(jī)床主軸上，將用于校準(zhǔn)的半球形標(biāo)定件裝夾在機(jī)床 帶T形槽的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，然后對(duì)多組不同曲率的半球形標(biāo)定件進(jìn)行傳感器探頭的對(duì)中處 理，保證傳感器的測(cè)量初始位置處于被測(cè)曲面上目標(biāo)測(cè)點(diǎn)的正上方，并且傳感器的軸線(xiàn)沿 實(shí)驗(yàn)被測(cè)表面的法線(xiàn)方向，機(jī)床主軸帶動(dòng)電渦流位移傳感器探頭移動(dòng)，完成在其量程范圍 內(nèi)的位移標(biāo)定，采用最小二乘法建立電渦流傳感器球面位移測(cè)量的校準(zhǔn)曲面，電渦流傳感 器球面位移測(cè)量標(biāo)定方法具體步驟如下： 第一步電渦流傳感器安裝 將電渦流傳感器探頭（6)通過(guò)其自身的螺紋和2個(gè)傳感器探頭連接螺母（12)固定在 平板（4)中間，平板（4)通過(guò)4個(gè)螺栓（3)和螺母（5)與轉(zhuǎn)接裝置（2)連接，最后，將轉(zhuǎn)接 裝置（2)通過(guò)脹套直接夾持在機(jī)床主軸1上，完成傳感器的安裝； 第二步半球形標(biāo)定件的裝夾 將半球形標(biāo)定件（7)放置在帶T形槽的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（11)上并通過(guò)兩個(gè)專(zhuān)用夾具（10) 夾緊，通過(guò)螺栓的壓板（9)壓緊夾具（10)，完成標(biāo)定件的裝夾； 第三步傳感器的對(duì)中處理 首先移動(dòng)機(jī)床主軸沿X軸負(fù)向、Y軸負(fù)向，Z軸正向離開(kāi)半球形標(biāo)定件（7)，然后，使傳 感器探頭￠)以一定進(jìn)給速度^垂直接近帶T形槽的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（11)表面，探頭端面與 帶T形槽的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（11)表面接觸時(shí),停止機(jī)床主軸（1)的進(jìn)給,記錄下機(jī)床此時(shí)主軸 z軸的坐標(biāo)值Z(l，然后，將機(jī)床主軸（1)沿z軸正向抬高至Zl = Z(l+H+0. 02,其中，Η為被測(cè) 半球形標(biāo)定件（7)的高度，保證傳感器對(duì)中時(shí)測(cè)量到的位移在其測(cè)量范圍內(nèi)；粗對(duì)中過(guò)程 中手動(dòng)控制機(jī)床主軸（1)帶動(dòng)傳感器探頭（6)通過(guò)目測(cè)接近半球形標(biāo)定件（7)球面的中心 點(diǎn)，停止時(shí)，記錄此時(shí)傳感器對(duì)中的起始坐標(biāo)位置為（χ〇, ％，Zl)，鎖住機(jī)床主軸在Ζ軸與Υ軸 方向不動(dòng)，機(jī)床主軸（1)沿X軸正向以一定速度？2移動(dòng)距離h，同時(shí)以采樣頻率f采集此 期間內(nèi)傳感器反饋電壓值，待機(jī)床主軸停止后，尋找反饋值最小值的時(shí)間坐標(biāo)t x，計(jì)算半球 形零標(biāo)定件的X軸方向的中點(diǎn)Xi為Xd+kXvs ;同理，尋找半球形標(biāo)定件的Y軸方向的中點(diǎn) 時(shí)，反饋電壓值最小值的時(shí)間坐標(biāo)ty，半球形標(biāo)定件的Y軸方向的中點(diǎn) yi為y(l+tyXv2 ; 第四步不同曲率半球形標(biāo)定件位移標(biāo)定測(cè)量 將機(jī)床主軸移動(dòng)到坐標(biāo)系下（XpypZi)點(diǎn)處，初始的測(cè)量位移為0.02mm;使傳感器探 頭（6)在量程范圍內(nèi)沿Z軸以特定步進(jìn)量程不斷提升，探頭與試件表面的間隙不斷增大，在 每一個(gè)步進(jìn)完成后，記錄一定曲率半徑r下η組不同測(cè)量距離^傳感器的輸出信號(hào)值 yi ; 半球形標(biāo)定件的曲率半徑^范圍為電渦流傳感器可測(cè)的最小球面半徑到受曲率半徑影響 最大球面半徑，并以等半徑差的方式選擇多組校準(zhǔn)的半球形標(biāo)定件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過(guò)程重 復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟第二、三、四步； 第五步建立曲率誤差校準(zhǔn)曲面 基于標(biāo)定過(guò)程中獲得的不同曲率半徑的球面標(biāo)定件的"位移-曲率-輸出"數(shù)據(jù)點(diǎn) (% ri，yi) i = 1，2,. . .，N，共N組，建立電渦流傳感器測(cè)量不同曲率半徑的半球形標(biāo)定件位 移的校準(zhǔn)曲面，曲面方程為： n m ^=Z(Zw，w,,/) (η 其中，t為測(cè)量位移，r為球面半徑，y為輸出電壓，c表示曲面方程的多項(xiàng)式系數(shù)，m為 t的最尚階數(shù)，η為r的最尚階數(shù)； 采用最小二乘法建立校準(zhǔn)曲面y，擬合曲面結(jié)果的總誤差Q為： =t [>，/.- ? (lx')]2 (2) 左=1 j=Q i=j 令總誤差Q最小，歸結(jié)為多元函數(shù)的極值問(wèn)題，即cj;i_j應(yīng)滿(mǎn)足： ^- = 〇 (3) dcu-j 首先將數(shù)據(jù)點(diǎn)& yi) i = 1，2,. . .，N，代入公式（2)得Q的數(shù)學(xué)表達(dá)式，接著將Q代 入公式（3)中組成多元方程組，由方程組可解得系數(shù)的值，代入式（1)即可得擬合的 校準(zhǔn)曲面數(shù)學(xué)表達(dá)式。
【文檔編號(hào)】G01B7/28GK104279946SQ201410473255
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】王永青, 廉盟, 劉海波, 盛賢君, 賈振元, 王鳳彪, 郭東明, 康仁科 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)