钟 胜

（桂林市晶准测控技术有限公司，广西 桂林541000）

0 引言

随着我国制造业向智慧工厂的转型升级，在机械产品零部件加工过程中，把实时测量数据纳入工厂管理网络系统，并最终实现实时在线检测已成必然趋势。生产过程中，企业在产品尺寸检测方面会投入大量人力物力，希望做到精确、快速的测量和判断，并将检测数据存储、传输分享和分析，当然，嵌入自动生产线的在线检测则更是企业最期待的生产方式。现阶段，将制造过程中的尺寸检测数据纳入管理网络系统依然存在很大难度，因为这些工作依靠增加人工是难以完成的，因此，企业期望用自动检测设备来实现实时对产品尺寸的快速测量、判断和数据传输，更希望把自动检测、判断、处理嵌入生产线。机械表需操作人员手工持表检测、读数、抄录数据，之后，人工录入电脑才能完成检测结果的数字化存储和传输，这样，人工检测、录入效率都非常低，远不能适应现代工厂网络化管理的要求。以汽车玻璃行业为例，前档玻璃都需对整个尺寸做精密测量，人工检测两小时方能完成单件检测。半自动检具，是在一个检具上安装几十个传感器，单件检测时间只需五分钟，并且各种检测数据可记录成表格。其他汽车零件如曲轴、凸轮轴等都向自动化检测发展，一般的机械零件检测也逐渐向此方向发展，因此，智能化，高性能的位移测量传感器需求巨大，且每年都在增长。

1 以往容栅测量技术较少用于工业自动化位移测量的原因

容栅测量技术从上世纪八十年代开始应用在便携式量具上，例如卡尺、千分尺等，该技术具有功耗低、成本低等特点[1]，但国内外都很少把该技术用于工业自动化位移测量上，主要有以下原因：

1.1 基本原因

工业自动化对位移检测传感器有很高的技术要求，首先是精度要求高，中高端产品测量精度要求全程在3 μm以内，或者更高；第二是使用寿命要长，由于传感器是用于批量检测，反复检测的次数要求只少达到500万次到1 000万次；第三是使用环境恶劣，生产加工环境下电磁干扰非常严重；第四是检测速度要求，要求检测频次每秒100次以上；第五是传感器数据处理能力须达到自动化的要求。

1.2 价格高

国外容栅传感器研究已经比较领先，虽然精度较高，但高精度的传感器制作工艺，机械结构和光栅以及电感传感器没有区别，所以成本上没有优势，价格很高，很难普遍推广应用。

1.3 国内容栅传感器技术相对落后

国内方面，容栅传感器技术相对落后，产品测量精度，使用寿命和可靠性达不到工业自动化测量要求，虽然有一些类似产品，但都属于低端低精度产品，与国外同类产品比较不具有竞争力[1]。

2 容栅位移传感器整体方案设计思路

容栅传感器的基本原理：电容信号由传感器副栅发射栅极传递到主栅，主栅接收后再反射到副栅接收极，当主栅与副栅相对移动时，接收到的信号与发射信号有相位差，以此相位差来测量到位移。这样，电容栅条的密度就决定了传感器的分辨力。主栅与副栅之间的电容稳定性决定了传感器的细分精度，电容稳定性取决于两个栅板之间在相对移动时的动态平行度，因此，稳定可靠的机械构件和结构是容栅传感器精度的有力保障。

桂林市晶准测控技术有限公司研发团队，面对以上问题，根据容栅位移传感器的基本原理、误差规律、性能特点等，确定了以下整体测量系统设计思路：通过改变容栅栅条的布线方式来提高容栅传感器分辨力和精度，通过软件改进提高容栅测微计数据处理功能，通过对芯片和传感器振荡电路创新改进，提高容栅传感器采集频率，使采集频率达到每秒100次。通过结构优化使各种部件能组装成体积较小的有机整体。

3 具体实施方案及关键创新

3.1 改进容栅传感器的基础布线方式，提高分辨力和精度

下面通过图片来解释原理：

普通容栅线条的排列方式如图1所示[2]，在一个测量节距T中，放置编号1到8的8个发射极板，它们都在发射极板一侧排列，T的尺寸越小，传感器分辨力越高，由于受生产工艺的限制，每个发射极板太密就非常容易粘连。

改进型专利布线方式如图2所示，把发射极板在接收极的两边排列，相邻极板之间距离拉大，这样极板在原有工艺极限的情况下再细一倍。

图2 专利容栅

虽然采用分布式排列自有专利，降低了对线条的精细度要求，但要做到0.5 μm分辨力，最小线条要求也是小于0.1 mm，正常电路板线条腐蚀工艺是非常难以保证质量，我们自己改造一台小型电路板腐蚀设备，针对超细线条要求精细调整腐蚀参数，最终找到最佳值，通过多次投板实验，现在最小节距T由原来的1.08 mm缩小到0.512 mm，最小分辨力由1 μm 缩小到 0.5 μm。

测量精度不仅受分辨力的影响，还与机械构件动态平行度关系密切，它直接影响到测量过程中容栅传感器两个电容极板相对位置变化，这对提高重复定位精度和减少随机误差起到决定性的作用。在这个思路的前提下提出了全新的导向结构，使得利用现有的加工工艺的条件下，能保证传感器的机械构件动态平行度，解决了测微计重复定位精度的难题。

通过上述在电路和机械构件的研发和改进，使测微计精度最高可达到2 μm。

3.2 提高容栅测微计数据处理功能

完善原来容栅传感器的非标准协议，传感器输出以及集线器输出都采用工业通用的MODBUS协议，出于缩小产品体积的考虑，传感器内部控制芯片比较简单，为了满足能输出标准协议并保持高速数

据刷新功能，软件方面做了大量的优化。

3.3 提高容栅测微计采集频率

在跟踪测量应用场合，需要快速采集测量数据，这样才能真实反应尺寸的变化规律，所以高速的采样频率的不可少的。

原来容栅传感器是为低功耗电池环境下设计，采样频率一般只有4到8次，远远不能满足要求，研发团队与芯片设计公司合作，对芯片重新改版，提高芯片的使用电压，改进传感器振荡电路，增加一路高速振荡，并对模拟电路做相应调整，使得在高频振荡下，数据依然保持原来的精度指标，最终使采集频率达到每秒100次。

3.4 增加自提起机构

传感器在某些自动使用测量场景中，需要测杆自动上下移动去接触工件，实现测量。这样，我们在传感器主体上，利用已有的导向系统，巧妙设计了一个气动活塞机构，测量杆在活塞机构内移动，当外部增加气压，测杆就被顶出，减小气压，则测杆缩回。这样，传感器固定不动，也能实现自动接触测量工件，测毕自动脱离，实现批量检测目的。这一气缸装置申请了国家实用新型专利，专利号：ZL2016203862315。

4 容栅位移传感器的技术指标

2018年10月，该项产品通过了桂林市科技局组织的成果鉴定，各项技术指标均达到设计要求。

容栅位移传感器，品名称为测微计，其技术指标如下：

（1）千分测微计的分辨率0.5 μm，测量精度3 μm。

（2）数据读取速度＞100 次/秒。

（3）带气缸自动伸缩机构。

（4）通信协议为MODBUS，且可记录最大值和最小值。

5 应用场景介绍

5.1 千分测微计适用精密加工时的零件测量

千分测微计适用于精密加工时测量的零件直径、台阶和曲面，如图3所示。

图3 实际应用介绍

5.2 百分测微计适合产品形状测量

百分测微计适合测量产品形状，例如在汽车玻璃、板金等自动、半自动检具上使用，如图4所示。

图4 百分测微计适合测量产品形状

汽车玻璃、板金等部件，形状复杂，检测点往往非常多，由于测微计具有高性价比，并且具有多达64个测微计组合的优点，所以非常适合使用。

挡风玻璃检具，红色箭头处安装了测微计。

5.3 应用特点

（1）快速组成多测微计测量系统。提供多种类型集线器，可以把多个测微计组合成测量系统，数据进电脑和PLC处理，最多64个。图5所示为32个测微计组合的示意图。

（2）提供显示盒组成廉价自动测试系统。测微计配套数据显示控制盒，可以显示当前测微计的数据，可设置上下公差，具有超差报警，以及公差比较结果输出，驱动外部设备等功能。用户检测点少，建议采用这种廉价方案组成自动化检测系统。

（3）标准协议。测微计系统通信模式是标准MODBUS协议，与现有的可编程控制器（PLC）通信非常方便。

图532 个测微计组合示意图

6 结语

桂林市晶准测控技术有限公司研发的容栅位移传感器（测微计），集检测、数据存储、传输为一体，具有高精度、网络化并兼具高性价比，是国内首创和领先，填补了国内容栅测量技术在高精度、智能化应用领域的空白。与国际一流同类产品相比，主要技术指标基本持平，但价格只是国外一流产品的三分之一到五分之一。与其它光栅、电感技术产品相比，具有价格显著低（是国内产品的二分之一，进口产品的三分之一）、功耗低等优势。现已经应用于轴承自动检测、汽车行业机械加工零件、汽车玻璃、板金件的在线及自动、半自动检测等。进一步研发方向是增加绝对值测量和无线传输功能，随着技术的突破，将会极大地扩展容栅测量技术的应用场景。