微動開關行程和力自動測量方法研究

劉堯峰 宋 斌 趙長青

（成都天奧測控技術有限公司，四川成都611731）

0 引言

微動開關是具有速動機構及微小觸電間隙的精密機械電氣開關[1]。微動開關出廠需測量部分指標，如行程（預行程、超行程）、力（操作力、釋放力）等，同時還需要實時記錄力和行程之間的關系。

傳統的人工測量方法可以測量這幾項指標，但都是分項測量，如采用千分尺進行測量，測量精度和重復性差，且不能測量力和行程的關系。

目前常用的自動化測量主要為接觸式測量，如采用直線光柵尺來測量開關的行程[2]，配合力傳感器測量力，但力傳感器在測量過程中的變形會產生位移，而該位移無法精確計算，故采用直線光柵尺的距離作為開關的行程有一定的誤差。

基于以上原因，提出了一種自動測量力和行程的方法：采用激光測距傳感器測量行程，采用力傳感器測量力。該方法效率高、重復精度高，可廣泛應用于類似開關的測量。

1 原理設計

微動開關安裝在力傳感器安裝板右端，激光測距傳感器安裝在安裝板左端（圖1），當力傳感器下降時，微動開關的觸點接觸安裝板，開關跟隨力傳感器下降，由于微動開關彈簧對力傳感器的反作用力，傳感器作用區域將彎曲變形，產生微小的位移ΔX，微動開關總的行程是力傳感器的平移距離X與ΔX之和，也即激光測量的距離（圖2）。

圖1 結構正視示意圖

圖2 行程測量示意圖

2 結構設計

如圖3所示，測力和行程結構由驅動裝置、力傳感器、激光測距傳感器組成；驅動裝置負責力傳感器的驅動，力傳感器安裝在驅動裝置上，微動開關安裝在定制的工裝上；激光測距傳感器安裝在機座上。

圖3 測力和行程結構圖

測試流程：驅動裝置向微動開關方向運動，當力傳感器剛接觸到開關時，傳感器產生微小形變所輸出的電壓信號作為激光測距傳感器的測試基準（初始位置）。驅動裝置驅動傳感器繼續運動，當達到微動開關的預行程（開關觸點剛好接觸）時，示波器采集到觸發信號，同時將該信號發送給激光傳感器作為預行程測量值；當驅動裝置達到激光傳感器設定的全行程值時，驅動裝置停止運動。

3 行程、力測量理論分析

3.1 行程測量分析

激光在測量時產生光斑，當被測物體與光斑垂直時，被測物體的實際尺寸即為L（圖4）；當被測物體與光斑不垂直時，激光在被測物上會產生位移分量，使得激光測量出的數值與實際距離有偏差，需進行誤差分析。

圖4 激光測量分析圖

設傳感器的變形角度為θ，激光光斑的大小為d×b（長邊×短邊），光斑在投影面上的形狀為橢圓形，則長邊大小為d1=d/cos θ，因光斑大小引起的距離誤差為ΔL=（d1sin θ）/2=（dtan θ）/2。

首先計算傳感器的末端位移y，再計算激光光斑大小引起的誤差ΔL，計算如下：

式中，y為傳感器的末端位移；F為開關的作用力；L為力作用點距離；E為力傳感器彈性模量；I為力傳感器慣性矩。

取微動開關作用力F=10 N，L=130 mm，E=6.9×10-4N/mm2，I=8 748 mm4，計算得y=0.012 mm。

則誤差ΔL=0.35×9.23×10-5/2=1.6×10-5mm，光斑大小引起的距離誤差忽略不計。

從理論上分析激光傳感器測量的距離即為微動開關的動作行程。為滿足要求，選取傳感器的行程為20 mm，精度為0.005 mm。

3.2 力測量分析

開關力的大小采用力傳感器測量，傳感器接觸開關時產生微弱形變并輸出毫伏級電壓信號。為滿足要求，選取力傳感器范圍為50 N，精度為0.01%FS，選用6位半高精度數字萬用表實現對該信號的高精度測量，測量精度達0.001 5%。則力的綜合測量精度為：

因此，從理論上分析，力傳感器及6位半高精度數字萬用表可用于微動開關力的測量。

4 測試結果

經過實際測試，得到行程和力的曲線如圖5所示。

圖5 力—位移曲線圖

5 結語

通過激光測距和力傳感器組合測量微動開關的行程和力，避免了人工測量的誤差，同時采用激光測距儀直接測量行程，避免了中間的測量環節，測量精度高，重復性好，該方法也可實時顯示力和位移的關系，滿足實際測試需求。

[1]微動開關通用規范：GJB 809A—1997[S].

[2]劉仁義，代明德，劉俊，等.微動開關壓力行程數字化綜合測量儀：200810068934.3[P].2008-10-09.