Рисунок 3. Емкостные преобразователи

Емкостные преобразователи просты по конструкции, имеют высокую чувствительность и относительно малую инерционность. К их недостаткам следует отнести влияние внешних электрических полей, паразитных емкостей, температуры, влажности.

2.3 Описание работы проектируемого преобразователя.

Преобразователь основан на принципе измерения разности двух емкостей, обкладки которых связаны с свободно перемещающимися щупами, которые в свою очередь контактируют с поверхностью. Сам прибор при этом прижимается в базовой поверхности, относительно которой и проводится измерение. Непараллельность присутствует всегда, поэтому расстояние между обкладками емкостей будет разным, соответственно будет наблюдаться разность емкостей, вносит дисбаланс в мостовую схему электрической части и вызывает появление напряжения на выходе мостовой схемы. Далее это напряжение может быть подано в электрический преобразователь или измеряться непосредственно вольтметром. Зависимость между величиной отклонения от параллельности и напряжением нелинейна при плоских прямоугольных обкладках емкостей, однако эту зависимость можно легко привести к линейной путем изменения формы обкладок (профилированием). Либо как вариант подавать сигнал с мостовой схемы на аналого-цифровой преобразователь ЭВМ и выправлять зависимость с помощью программных методов.

Попутно можно отметить, что число емкостей может быть больше двух, точность измерения при этом возрастает, но мостовая схема уже не годится и в качестве анализатора лучше использовать ЭВМ, при этом при отсутствии дополнительных затрат можно также получить измерение плоскостности.

Настройку на 0 балансного моста необходимо будет проводить на образцовой поверхности, параллельной базе от которой производится измерение.

3 Подготовка текста технического задания согласно ГОСТу

3.1 Основания для разработки

Основанием для разработки нестандартизованного средства измерения служит задание на курсовое проектирование (прилагается). Тема разработки - проектирование нестандартизированного средства измерения параллельности направляющих прецизионного станка. Дата выдачи задания 14 февраля 2000 года.

3.2 Цель и назначение разработки

Целью разработки является увеличение производительности контроля геометрических параметров измеряемого изделия.

3.3 Характеристика объекта разработки

Объект разработки представляет собой нестандартизированное средство измерения, применяемое для контроля отклонений геометрических размеров направляющих прецизионного станка. Контролируемый параметр - непараллельность. В приборе используется емкостной либо фотоэлектрический преобразователь.

3.4 Основные технические требования к прибору:

Прибор должен удовлетворять следующим требованиям:

- Длина измеряемого объекта не менее 400 мм.

- Точность измерения не менее 0.5 мкм

4 Выбор и обоснование метрологических характеристик НСИ

Общий перечень основных нормируемых МХ, формы их представления и способы нормирования установлены в ГОСТ 8.009-84. «ГСИ. Нормирование и использование метрологических характеристик СИ». Согласно его номенклатура МХ включает в себя:

а. Характеристики, предназначенные для определения результатов измерения (без введения поправок)

б. Функция преобразования (градуировочная характеристика, уравнение преобразования) - это зависимость между значениями на выходе и входе СИ, представленная в виде таблицы, графика или формулы. Различают индивидуальную и номинальную функции преобразования. Индивидуальная описывает свойства конкретного экземпляра СИ. Ее еще называют градуировочной характеристикой. При серийном выпуске однотипных СИ зависимость между значениями на выходе и входе СИ часто устанавливается с помощью номинальной функции преобразования. Ее использование сопровождается погрешностями, вызванными отличием номинальной функции преобразования от индивидуальной. Идеальная функция преобразования представляет линейную зависимость.

в. Значение меры.

г. Цена деления шкалы измерительного прибора - это разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

д. Для цифровых приборов указывают цену единицы младшего разряда цифрового отсчетного устройства, вид выходного кода (двоичный, двоично-десятичный и т.п.), и число разрядов кода.

е. Функция влияния - это зависимость изменения МХ от изменения влияющих величин. Под последними понимают внешние физические воздействия - климатические, механические, электромагнитные, изменения параметров источников питания.

ж. Динамические характеристики, обусловленные влиянием на выходной сигнал изменениями во времени значений входного сигнала. Различают полные динамические характеристики и частичные. К полным относят: переходную, АЧХ, амплитудно-фазовую, импульсную переходную, передаточную. У частичным - любые функционалы или параметры полных динамических характеристик. Примерами таких характеристик может служит постоянная времени.

По условиям применения СИ различают нормальные и рабочие условия. Они отличаются диапазоном изменения неинформативных параметров входного сигнала и влияющих величин. Нормальными называют условия, для которых нормируется основная погрешность СИ. Для различных типов СИ нормальные условия могут быть разными. Однако СИ могут работать в более широком диапазоне изменения влияющих величин. Этот диапазон называют рабочим.

а. Расстояние между емкостями выбираю равным длине измеряемой поверхности - 400 мм (возможен также вариант с изменяемой длиной - для чего корпус преобразователя делается в виде телескопического цилиндра). Корпус лучше всего выполнить из композитного материала во избежание появления паразитных емкостей.

б.) Изменение расстояний между обкладками измерительных емкостей невелико (производится измерение точных поверхностей), поэтому функция преобразования будет относительно линейна. Для улучшения функции преобразования при изменении больших отклонений можно применить профилирование обкладок измерительных емкостей.

в.) Рабочий диапазон измерения составляет десятикратное значение измеряемой величины и равен 2,5 * 10 = 25 мкм.

г.) Цена деления должна быть не больше 0,5 мкм.

Рассчитаем ориентировочную площадь обкладок конденсатора для получения необходимой точности. Емкость конденсатора определяется следующей формулой: (см. п2.) В нашем случае максимальная величина изменения расстояния Dd = 25 мкм или Dd = 2,5×10 -5 м. Величина e для воздуха равна 1, универсальная диэлектрическая постоянная e0 = 8,85×10 -12. Для получения достоверных результатов изменение емкости должно быть не менее 10 нФ. Путем решения уравнения относительно S получаем значение площади 2,84×10 -2 м 2, что вполне реально. Далее назначим точностные требования на пластины обкладок измерительных емкостей. Точностные требования назначаем исходя из размер пластин (30 см на 10 см) и изменения расстояния между обкладками. Назначаем допуск на непараллельность 0.01 мкм и параметры шероховатости пластин Ra = 0,32 мкм.