基于小孔径超精测量方法的研究

陶杰，秦国艺桂林市计量测试研究所

基于小孔径超精测量方法的研究

陶杰，秦国艺
桂林市计量测试研究所

从某种程度上来说，科技的发展是建立在测量精度的基础上的，人类每一次科技的发展，无不伴随着度量衡的精细化。现今，航空航天、高新材料、精密仪器等发展无不需要对孔径进行超精密的测量。对劲小孔径超精测量的进展，从某种方面来说就是推进我国工业整体向精密化、集约化的发展。本文结合当今最先进的科技进展，探索如何进行小孔径的超精测量方法，实现我国测量事业的飞跃，为我国进行普及精确的测量技术和工业的早日进步起到推动作用。

小孔径；精确测量；电容传感

一、小孔径测量特点与发展情况

（一）小孔径测量的特点

小孔径测量是指1mm以下尺寸的测量，其测量难度可想而知。其测量具有以下特点。首先，被测件十分的小，很难选择测量基准，在测量时，极易造成定位的误差。测量容易受到外界干扰，且小尺寸零件的基面十分的小，与定位支撑不能很好的接触，还会引起附加误差，所以，其定位误差往往十分的大；其次，因为气垫、污渍、油膜等影响，在测量的过程中要有一定的测量力，但是在小孔径的测量中这种力度经常会引起被测件的变形，导致测量的不准确，所以测量力对小孔径的超精测量会产生一定的影响；三、在用光学方法对小孔径进行测量的时候，经常出现衍射效应，在被测件的边缘产生了衍射条纹，降低了轮廓阴影的清晰度，使瞄准精度受到影响。四、小孔径超精测量受到温度的影响较小，热变形和冷变形虽然经常会造成被测件和测量工具的变形，但是一般测量件和仪器导热较快，两者很容易达到温度的平衡，所以温度变化引起的误差有限；五、被测件过于细小，就导致清洗困难，很容易因为灰尘等发生轮廓畸变，造成测量的误差。

（二）测量方法的现状

孔径测量作为一项基础工程，发展十分的迅速，到目前为止已经发明了多种测量方法。孔径测量的监测参数包括：小孔在零件中的位置、零件表面小孔的圆度和位置、在一定深度上小孔的圆度和直径、小孔的轴线对表面的位置、小孔的直线度和圆柱度。测量方法包含了接触测量和非接触测量两种。接触式的测量包括坐标测量机法、振荡扫描测量法、电接触测量法、尺寸线规法。其中坐标测量机法能够保证精度和截面参数，振荡扫描测量法无法进行绝缘体的测量，电接触法精度很低，尺寸线规法是最早使用的技术；非接触测量法主要包括光学放大法、弗朗和衍射测量孔径法、象点瞄准法、激光光点扫描反射法、气动孔径测量法、电容传感法等[1]。

二、小孔径测量的气动测量

小孔径的气动测量可以分为流量式、压力式、流速式等。压力式测量仪主要用于主动测量，流量式和流速式的测量仪主要用于静态的测量。压力式的气动测量仪采用的是背压气路系统，其背压气路的间隙曲线一般由粘性部、直线部、水平部、过度部组成。测量仪的构成和设计主要有喷嘴、挡板机构、测量导向间隙、喷嘴下沉量的确定这几部分构成。根据测量的工件类型和结构特点，喷嘴的设定也各不相同，喷嘴的数量决定了测量的精确程度，同时，成本也会相应的提高，所以要根据实际的需要进行喷嘴数量的确定[2]。每个喷嘴由两个直径上方向相反的喷嘴构成，当一个喷嘴压在工件的内壁径上，相反方向的另一个喷嘴就具有了较大的间隙，总背压要与两个喷嘴与工件内径的距离相一致。喷嘴设置在测量杆的总长1/3处时，导向性达到最佳，同时这样的设定也可以避免测量喷嘴的方向与被测工件的径向不一致的现象；喷嘴挡板机构最重要的就是确定结构的几何特性和测量间隙的范围。所谓挡板机构就是被测量件的表面。前文中提过，在实际测量中，经常发生定位不当的问题，喷嘴挡板机构的几何设定和测量间隙的确定主要是用来消除定位误差的。根据测量件表面的不同特征，挡板机构也有不同的设定，主要分为平行挡板机构和不平行挡板机构两种，小孔径的测量主要是平行挡板机构。几何特性可以用：A=f（L,S）；dA=LdS+SdL来表示，A表示被测截面的面积，S表示测量的间隙，L表示喷嘴的周径。因为L是确定的常数，也可以表示成A=LS。喷嘴的横向截面与被测面有关，如果喷嘴挡板流出面积和喷嘴的截面积相等，间隙就为极限间隙。气电转换装置是气动测量仪的关键部分，它使用压力传感器把压力信号转换成电信号输出，就可以对测量的结果进行显示。其整个运行过程如下：

三、小孔径测量的电容传感测量

小孔径超精测量主要采用的是变面积型电容传感器，测量时，把传感器插入测量件的被测孔中，要注意传感器的有效测量电极和被测件不能接触，传感器的外壳和被测孔要共接，并且传感器与被测孔的方向要最大化的达到平行。电容传感器有两个等位环，分布在有效测量电极的两边，位置对称。在外部有一层绝缘层，把有效测量电极、等位环、传感器的外壳相隔离。当电容传感器位于被测孔中间时，在忽略传感器边缘效应的情况下，传感器和被测孔之间的电容量是固定的，如果被测孔径发生变化则电容量也发生变化，为了达到测量的精准化，通常要把孔径变化的电容量计算在整个测量中，误差一般在0.2%左右。如果电容测量仪没有在被测孔径的中间，那么就要计算偏心量、传感器有效半径、电极长度等。这一过程，电容量主要受到偏心率的影响，偏心率越大，电容量就越大。要注意，因为实际测量中电容传感器侧头的电极长度是有限的，不可避免的会有一些边缘效应，为了避免这一现象，尽量使测试结果接近实际的电容值，在测量电极的边缘要进行保护环的设定。

[1]毕于顺.小孔径泡沫铝研究进展[J].材料导报,2008,07:48-52.

[2]兰馗博.碳纳米管小孔径互连以及相关工艺的研究[D].天津理工大学,2014.