关于高精度止口测量仪的研究

王盼

（黑龙江省科学院大庆分院，黑龙江 大庆 163319）



关于高精度止口测量仪的研究

王盼

（黑龙江省科学院大庆分院，黑龙江 大庆 163319）

摘要：设计并研发了一款高精度止口测量仪，该测量仪机械结构遵循阿贝原则，外加线性与非线性误差补偿系统、便携式电感读数系统，使得线性误差更小、测量重复性误差更小、抗干扰能力更强，测量范围可调整，具有公差带设置、超范围报警、线性误差修正等效果。

关键词：高精度；误差补偿；电感读数；测量

精密和超精密加工的概念是按照加工精度划分的。通常精密加工是指加工精度为0.1～1μm、加工表面粗糙度Ra在0.02～0.1μm的加工技术，而超精密加工技术是指加工精度高于0.1μm、加工表面粗糙度Ra小于0.01μm的加工技术［1］。我国对这方面的研究明显落后。因此，为了使我国的国防和科技发展不受制于人，我们必须努力发展我国自主的精密和超精密加工技术，加大对精密与超精密加工技术方面的投入，争取尽快将我国的精密和超精密加工技术提升到“制造强国”的先进水平。

1　设计原理

高精度止口测量仪，是以传感器两个侧头进行感应，经过线性与非线性误差补偿系统进行补偿，而得出位移距离。这是由位移量转化为电感，再通过电感转化为位移数据的过程，是高精度便携式电感读数系统与误差修正系统的综合性应用。

2　研究与开发

2.1机械结构加工

外部机械结构加工，机械结构重在不影响精度的情况下尽量是重量减轻，使接缝更加切合，电感的安装更加合理。遵循阿贝原则，使测头运动轴线与被测尺寸轴线重合，尽量消除阿贝误差［2］。经过精密的设计与实验，分析出最合适的测量范围。

2.2便携式电感读数系统的设计与开发

便携式电感读数系统，将电感读数系统进行微型化，使其携带更加方便。这是以传感器两个侧头进行感应，经过线性与非线性误差系统的补偿，而得出的位移距离。

图1　便携式电感读数系统的操作模式Fig.1 Operating mode of portable inductance reading system

工作过程由标准振荡器产生频率稳定的方波信号，经过正弦波生成电路，转换为幅值稳定的正弦波，作为激励电源提供给变压器电桥，与得到的电感参数进行分档交流放大，进行相敏整流，通过Atmeag16进行AD数据采集和12864电型液晶进行数据显示。测量电感参数时，将使电桥平衡改变，输出含电感系数的正弦调幅波，信号经分档、放大、滤波及整流后送入到atmega16进行A/D数据采集，由电感读数软件，对采集的数据进行分析、滤波等处理，得到未进行误差补偿的数值。

图2　便携式电感读数系统的电路运行Fig.2 Circuit operation of portable inductance reading system

2.3误差补偿系统

线性误差是实测曲线与理想直线之间的偏差，是根据一些离散的点，确定一条直线，也就是高精度止口测量仪的电感线，找出偏离该直线的点与对应直线上的标准值的差，再除以实验数据记录的最大值即量程，就可以得到线性误差。简单地说，线性误差就是有规律的误差、可预期的。线性误差的预防方法：进行多次实验，对线性误差进行补偿。

非线性误差［3］，将仪器仪表等测量工具的输入、输出（测量、结果）分别作为直角坐标系的纵轴、横轴，选择适合的坐标轴，并将理想的输入输出对应点标入坐标，可以得到一条理想输入输出关系曲线。将实际的输入输出对应点标入坐标，可以得到一条实际输入输出关系曲线。最理想的情况下，这两条曲线应该重合，但实际上是不可能做到的，这两条曲线之间的距离就是误差。如果这两条曲线形状完全一致，但不重合，例如，一条曲线相当于另一条的平移或直线的斜率，这时的误差就是线性的，否则误差就是非线性误差［3］。非线性误差的算法：非线性误差=最大误差/量程。

绝对误差：测量值与真实值之差的绝对值。需要对比标准测量块规，计算方法：|测量值——真实值|。在标准温度下进行多次测量取平均值。

相对误差：绝对误差所占真实值的百分比，是被测点的绝对误差与被测点的理想值之比，计算方法：|测量值——真实值|/真实值。在标准温度下进行多次测量取平均值。

引用误差：绝对误差与测量上限（或量程）之比的百分数，计算方法：（绝对误差/测量上限）*100%；在标准温度下进行多次测量取平均值。

基本误差：在标准条件下，可以允许的误差。

阿贝误差：阿贝误差指的是在测量过程中，因相应角摆与阿贝偏置的联合作用，被测点的空间坐标值(即测量值)与实际值产生的误差。

将各种误差方式进行多次实验、补偿，再通过计算温度、湿度等，对被测量止口的温度差进行补偿计算。

3　精密与超精密加工技术的发展前景

精密和超精密加工技术是以不断提高加工精度为目标的工程科学与技术。随着精密和超精密加工技术的不断发展，它已经成为制造业发展史上必不可少的领头羊技术，精密和超精密加工技术，有着很广的应用领域，无论是日常生活中的汽车、火车、飞机，还是在国防方面的战斗机、导弹、航母，或是在外太空探索的卫星，都与我国国防发展息息相关，它们对于精密和超精密加工技术的依赖性远远超乎想象。目前，我国在精密和超精密加工技术的发展只能算作“制造大国”，但也只是大国而已，距离“制造强国”还有很远的路要走，在精密和超精密加工技术的发展上，我国起步比“制造强国”落后了近30年，英、美、德等国20世纪70年代就开始对精密和超精密加工技术进行了深入研究，且一直保持对我国的封锁禁运。1998年，我国第一台精密和超精密加工车床问世，随后解禁。虽然近些年我国精密和超精密技术迅猛发展，但依旧远远弱于一线强国，但是努力发展精密和超精密加工技术已经成为我国制造业发展的必然趋势之一。未来机密和超精密加工技术将会是国家高新技术和战略性新兴产业的基础，是现代基础科学研究与发展的基石，是我国现代化装备制造的核心支撑技术［4］。

参考文献：

［1］袁哲俊，高文龙.精密和超精密加工技术（第2版）［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

［2］李彬.论阿贝原则之扩展［C］//江苏省计量测试学会2005年论文集·中国会议，2005.

［3］ 周鸣争，汪军.基于支持向量机的传感器非线性误差校正［J］.电子科技大学学报，2006，（02）:125-126.

［4］ 谭弘颖.“中国制造2025”背景下我国超精密加工机床技术的发展——访哈尔滨工业大学精密工程研究所所长孙涛［J］.制造技术与机床，2015，（08）:106-107.

Research on high-accuracy measuring instrument

WANG Pan
(Daqing Branch of Heilongjiang Academy of Sciences,Daqing 163319,China)

Abstract:The design and development of a high precision measuring instrument,measuring instrument mechanical structure of which follows the Abbe principle,plus linear and nonlinear error compensation system and portable inductance readings system that makes the linear error and repeatability of measurement error smaller,anti-interference ability stronger,and measuring range adjusted.It has effects of tolerance zone settings,ultra range alarm and linear error correction.

Key words:High accuracy;Error compensation;Inductance reading;Measurement

中图分类号：TG834

文献标志码：A

文章编号：1674-8646（2016）08-0017-02

收稿日期：2016-02-19