一種非接觸式彈簧長度測量儀的設計

可杰，張袁娟

（1.鄭州宇通客車股份有限公司，河南 鄭州 450016；2. 河南工程學院安全工程學院，河南 鄭州 451191）

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一種非接觸式彈簧長度測量儀的設計

可杰1，張袁娟2

（1.鄭州宇通客車股份有限公司，河南 鄭州 450016；2. 河南工程學院安全工程學院，河南 鄭州 451191）

文章利用變間隙電容原理設計了一種非接觸式彈簧長度測量系統，并對系統的基本工作原理、結構和電路設計原理進行了闡述，實踐證明，該產品精度高，價格低廉，且具有一定的開發價值。

電容；變間隙電容；非接觸式測量；位移測量

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.046

CLC NO.: U468.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-134-02

引言

近年來隨著汽車工業、國家制造業的快速發展，彈簧作為基礎零部件之一，需要一個超前的發展期才能適應整個國家工業的快速發發展。然而，目前我國彈簧行業在整個制造業中屬于小行業，基本以中小企業為主，甚至很多是手工作坊式或者是由手工作坊發展而來，生產設備和檢測設備比較落后，所生產的彈簧應用在低端產品中可以滿足精度要求，但是對于儀用或高端產品，裝配彈簧需要成對匹配安裝時要求彈簧精度較高，不能滿足精度要求[1]。雖然國外有精密的彈簧檢測設備，但價格昂貴，對大多數中小企業來說，一種快速測量又價格便宜的彈簧測量設備是提高其產品市場競爭力的保證。基于此本文介紹了一種非接觸式在線測量彈簧長度的測量系統。

1、測量系統的基本原理

圖1　變間隙電容工作原理圖

相關文獻表明，一些廠家要求測量的彈簧是彈簧絲為直徑Φ0.1mm-Φ1.1mm，彈簧直徑為Φ5mm-Φ10mm的細小彈簧，長度相對誤差要求在+0.2以內。只要測量值在合理誤差范圍內，即為合格產品。因為在此測量過程中，所需要測量的是一個相對量，不是絕對測量。同時因為測量的對象為細小彈簧，彈簧的的虎克系數比較小，接觸式測量極易使所測量的彈簧在外力的作用下發生變形，影響測量精度，由此只能采用非接觸式方法進行測量。測量對象特殊性，決定了可采用以微小電容的原理測量在線彈簧長度，在測量過程中，生產過程中的彈簧斷面與測量儀的斷平面形成一個一個可變參量的電容器，其基本原理可以用圖1所示：

平板電容器來說明。

當忽略邊緣效應時，其電容量C為：

式中： S——極板間相對覆蓋面積

d——極板間距離

εr——相對介電常數

ε0——真空介電常數

ε——電容極板間介質的介電常數

當被測參數式中的d、S和εr中的后兩個參數不變，電容上下兩電容極板之間間隙的變化引起電容的變化，電容的變化進而轉化為電壓的變化，以變化的電壓值進行標定，實現對彈簧長度的實時在線測量[2-4]。

在實際生產應用中，當被測量彈簧端面與測量儀傳感器探頭端面之間的距離減小，電容逐漸增大，其電壓極性由正到負，逐漸減小。當機頭停止擠壓并準備切斷彈簧時，此時測量多組電容數值，經過死區理論處理，其大小不變，則該電容值通過測量儀的測定標定結果計算出彈簧的相對長度。檢測電路給出信號，提示彈簧相對長度誤差是否在±0.2以內，同時也實現了相對位移的測量。

2、測量儀的結構設計

變間隙式電容傳感器是測量儀的核心檢測部件，怎樣實現將彈簧長度變化轉為電容變化是其測量儀能否實現測量目的的關鍵。在測量過程中，以測量儀的傳感器端面作為電容式傳感器的一極板，即電容傳感器的固定極板，所測量的彈簧端面作為變間隙式電容傳感器的另一電容極板，即電容傳感器的可動極板。兩者成為該測量儀檢測系統的核心部件——變間隙式微小電容傳感器[5]。

圖2　彈簧測量儀結構設計原理

測量儀的結構設計有緊固裝置，將其固定在彈簧纏繞機的機頭前端，在測量彈簧長度之前先進行數值標定，當彈簧機擠出彈簧時，其端面與測量的傳感器探頭端面形成電容，當彈簧擠出到測定長度時，停止機器，測量此時電容值并記錄數值，然后調節測量儀探頭端面與所測彈簧的距離變化為正負最大偏差時，記錄此時的測量數值。通過測量儀的調理電路把對電容變化的測量轉化為電壓的測量，由數據采集系統的數值標定實現電壓值與彈簧長度變化的對應轉化。

3、測量儀的軟件設計

本測控系統中電容傳感器的作用就是將測量的非電物理量轉化為電信號，經過后續調理電路對信號進行放大、濾波、A/D轉化部分后，傳輸到信號控制終端并通過液晶顯示器動態顯示測量結果，實時監測其與標準長度的比較結果并傳輸到執行部分，以達到在線動態測量的結果。電路流程如圖 3所示：

圖3　采集卡實現流程

4、結束語

與傳統手工接觸式測量彈簧長度相比，本文設計出的非接觸式彈簧測量系統有效的提高了生產效率和產品精度，并且可以規避彈簧加工時對彈簧絲用油進行潤滑污染鏡頭，造成測量誤差大，甚至無法測量的情況。同時該測量儀價格低廉，造作方便，對工作環境要求不高，有很大的推廣使用價值。

[1] 赫風祥.國外先進工業國家彈簧測試儀器發展情況[J].試驗技術與試驗機.1992,04;25-29.

[2] 王化祥,張淑英.傳感器原理及應用[M].天津:天津大學出版社.2004.4-9.45-66.

[3] 余瑞芬.傳感器原理[M].北京:航空工業出版社,1995.

[4] 強錫富.傳感器[M].北京:機械工業出版社,2004.

[5] 可杰.基于微小電容的彈簧檢長儀的設計[D].試驗技術與試驗機.2009.

Design of a non contact type spring length measuring instrument

Ke Jie1, Zhang Yuanjuan2
（1. Zheng Zhou Yutong Bus Co.Ltd., Henan Zhengzhou 450016; 2. Department of Safety Engineering, Henan Institute of Engineering, Henan Zhengzhou 451191）

The variable gap capacitive principle to design a non-contact spring length measurement system, and the basic working principle, circuit structure and design principle are described. It is proved that the products of high precision, low price, and has certain value.

capacitance; Variable gap capacitance; Non contact measurement; Displacement measurement

河南工程學院博士基金（D2013022）；河南省教育廳科學技術研究重點項目（14B440005）；國家自然科學基金（51104111）；鄭州市科技攻關項目（141PPTGG375）。

U468.4

A

1671-7988 （2016）06-134-02

可杰，男，河南省安陽市人，工學碩士，工程師，就職于鄭州宇通客車股份有限公司，從事汽車產品設計工作。