孔径测量系统精度分析

孔径测量系统精度分析

摘要：随着现代工业技术的迅猛发展，对孔类零件的测量提出越来越高的要求，尤其是深小盲孔的精密测量一直是在长度测量领域的难题，本文提出了一种基于反射式强度调制型光纤传感器的深孔内径光电检测系统，分析了影响深孔内径光电检测系统精度的各种因素，定量计算各项误差的极限值，并介绍提高检测系统精度的几种方法。

关键词：深孔内径光电检测精度分析

1.光电检测系统的总体设计方案

发光二极管（led）经方波发生器调制驱动后，发出一定频率的脉冲光并耦合入光纤探头。光纤探头由多根光纤紧密排列而成，并根据其作用分为三束，其中一束为入射光纤束，负责传输光源发出的光并照射在被测对象，另两束分别为同轴型和随机型反射光纤束，负责接收和传输被测对象的反射光。基于此原理，本传感器采用两个红外光电二极管（pin）分别对两束光信号进行光电转换，再分别通过两路模拟信号处理电路进行放大、带通滤波、相敏检波等处理后，最后由嵌入式微控制单元（mcu）进行采样、a/d转换、两路信号相除、线性校正等处理，得到一个与光纤探头位移量为正比的电压值。

2.精度理论分析

1.光纤传感探头在被测孔中倾斜产生的测量误差

光纤传感探头在被测孔中倾斜，引入的误差为

δ1=bc-ab=dcosα-d=2dsin2α2cosα

此项误差随着间隙变化量的增加而增加，因此从性质上仍属于变值系统误差。但由于标定仪器及实际测量时的α具有随机性，故通常把它按随机误差来处理。由于α越大，δ1越大，因此应对传感器安装定位时的α加以限制。

2.光纤传感探头在被测孔中偏心产生的测量误差

光纤传感探头在被测孔中放置偏心引入的最大误差为

δ2=2ab=2（ao-bo）

3.光纤传感器不确定度产生的测量误差

假设采用的光纤传感器的不确定度为0.5μm，考虑使用三个光纤传感器的情况，所以由传感器造成误差最大为

δ3=0.52+0.52+0.52μm=0.94μm

4.标准件极限误差产生的测量误差

假设采用的标准环规的极值误差为，它所带来的误差最大为

δ4=0.5μm

5.a/d转换的量化误差

系统采用12位a/d转换器，经adc采样精度实验验证可知采样精度可达到1/（216-2）=1/4094=0.0244%，所以模数转换时引入的量化误差δ5约为0.0244%fsr，即

δ5=0.5μm

6.其它因素

由电源、光源、温度、湿度变化以及被测孔表面特性等引起的误

差通过补偿以及数据处理相对于上述因素来说非常小，为了在设计时给可能出现的其它随机误差留有余地，设其它各种因素带来的误差最大为

δ6=2μm

7.测量误差的估计值

δ合=δ21+δ22+δ23+δ24+δ25+δ26=8.34μm

δ合=8.34μm<10μm，满足设计要求。

3.提高检测系统精度的基本方法

提高机械系统与结构的精度是保证精密设各质量的核心技术问题。它的基本途径有三种：减少误差源和误差值、误差补偿和采用误差校正。

1.减少误差源和误差值

一是减少误差源；二是合理地分配精度。三是采用运动学结构。四是采用巧妙的测量机构及装置，来抵消和削弱各个影响环节的误差影响，可适当降低对各个环节的精度要求。

2.在安装定位中补偿误差

设计中为了保证设备的精度，并在此前提下降低零件的加工精度要求，达到减少或消除误差影响的措施，统称“误差补偿”。误差补偿的方法可归纳为工艺补偿和设计补偿两类。在实际中，除光纤传感器本身的制造误差外，安装误差的影响也很大，如光纤传感器本身安装产生的倾斜与偏心及其相对于被测孔的倾斜与偏心。测量过程中产生的这些都是定位误差的主要组成部分，都会引起测量误

差。因此，在装配调整过程中，通过修配或校正，使这个误差值达到最小。

3.对测量结果进行校正误差。

软件误差补偿是根据被补偿误差修改测量结果的值，主要是预先标定误差补偿。先对误差进行辨识然后利用它标定或修改随后测量数据。预先标定误差补偿在目前机床误差补偿中被普遍采用。它只能补偿系统误差，并要求机床及误差辨识系统的精度都有很好的重复性。

4.结论

本文针对具体的孔径检测系统的光电部分进行了误差源分析，理论上分析了检测系统光电部分的测量误差，满足本系统精度要求10μm，并在如何提高测量系统的精度方面作了一定的研究。

参考文献

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