CN102192702A

CN102192702A - 一种数显高度测量仪的操作方法

Info

Publication number: CN102192702A
Application number: CN2010101392454A
Authority: CN
Inventors: 吴金贤; 郭勇; 华强; 黄海东
Original assignee: HANGZHOU MEASURING TOOLS CO Ltd
Current assignee: HANGZHOU MEASURING TOOLS CO Ltd
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2011-09-21

Abstract

本发明公开了一种数显高度测量仪的操作方法，尤其涉及所述温度补偿型数字显示高度测定设备，其包含主机(101)和显示器(102)，所述显示器(102)固定在所述主机(101)上，所述显示器(102)与所述主机(101)之间有电连接。本发明开发了一种快捷、精密、智能化操作。尤其可进行温度补偿，化减测量误差的高级容栅式数显高度测量仪，从而满足工程技术领域的高端应用需求。

Description

一种数显高度测量仪的操作方法

技术领域

本发明属于数控量具的测量部件核心技术领域，尤其涉及一种温度补偿型的容栅式数字显示高度测定设备。

背景技术

容栅传感器可实现直线位移和角位移的测量，可分为三类：直线容栅传感器(长容栅)，其整个传感器由两组条状电极群相对放置组成，一组为动栅，另一组为定栅，动栅和定栅通过静电耦合来实现其位移的测量；圆形容栅传感器(片状圆容栅)，它在圆盘形绝缘材料基底上镀了多个辐射状电极群，两同轴圆盘上的电极群相对应，电容耦合情况反映了两圆盘相对旋转的角度；筒形容栅传感器(柱状圆容栅)，它有两个套在一起的同轴圆筒组成，电极镀在圆筒上，可实现长度的测量。

现有技术已经公开长容栅的技术原理：靠电容量随位移差动变化来进行位置测量。现有技术中，长容栅式数显高度仪普遍采用电容传感器，由定栅和动栅两个基本测量元件构成。

现有技术公开了定栅的设计：在长320mm、宽50mm的长条形金属表面上，沿测量方向用光刻方法制成等间隔并相互绝缘的长方形电极，这些电极与周围绝缘。定栅上的这些电极叫转换电极。

现有技术还公开了相邻电极中心距离为4mm的动栅，其由50mmX40mm的双面敷铜板制成，一面是电极，另一面是印刷电路的连线。在动栅上与定栅转换电极平行，依次排布宽度为0.5mm并且相互绝缘的64个长条形电极。

每相隔7个连结一起成为同组电极，共8组，把依次相邻的8个供给电极简称为8个供给电极。在64个供给电极下面与其垂直的条形电极叫接收电极。8个供给电极为一个供电周期，分别供给相位差为45、90、135、180、225、275、315、360的参考电压，使相邻两个供给电极上的供给电压相位差为45。

定栅和动栅之间的耦合关系是动栅上的8个供给电极覆盖定栅上转换电极的一个节距，定橱上转换电极设计得较长，在覆盖动栅上的供给电极的同时也覆盖接收电极.工作时供给电极由电子电路供电，通过电容静电耦合，在定栅上的转换电极上诱发出电荷.转换电极再通过一次电容耦合，把感生的电荷转移到接收电极，信号经放大后供给电子电路。取出供给信号的一个周期，将前4个供给电极导片合并为一个极板，后4个供给电极导片合并为另一极板，定栅上的一个转换电极导片为第三极板，把它等同为接收电极。

如何在现有容栅数显高度仪基础上，开发应用新的动栅和定栅涉及、传感器、单片机，这使现有技术需要开发出一种数显高度仪的机械结构，并引入大屏幕数显组件或者快捷测量模式启动组件。

最近，国外出现了能够进行平面、平行面和圆柱面几何体内尺寸、外尺寸、高度、深度或距离尺寸测量的新型高度测量仪器，其可以进行一维或二维测量，能自动搜索孔或轴的顶点，在动态探测中记录最大、最小值以及最大最小值之间的差值计算，还可以测量垂直度、直线度、平行度等偏差和跳动误差，并以ISO1101标准输出数据。但是，和已有产品相同，这类新产品也没有数码显示屏，没有快捷测量启动组件，更没有设置位置检测编码器、自编程控制组件等，都无法实现高精度快速测量，无法对测量数据进行图形化批量处理。

在公开发表的文献中，国内发明人曾公开一种新型测高器，适合在林业上测量树木高度。其基本原理是按任意相似三角型的原理设计而成。其特征是不需测量水平距，且不受地形条件的限制。它的测高精度在±3％之内，测高效率是勃鲁莱测高器的2.5倍。使用的时候，只需在被测树木的树干设一个2米的标高，在离树木水平距10～40米范围内的任一测点，由仪器瞄准标高，树基或树顶时摆针的停留位置，移动活动标尺，即可从固定刻度盘上确定出树木的高度。这个技术不适合应用于工程技术领域的测高，测量精度太低，应用领域太过狭窄，本发明的绝大部分组件都没有在该树木测高仪上应用。

韩国发明人曾发表一种物体高度测量设备，它有两个声光模块，以取决于调频的预定折射率折射从光发射器发射出来的光，从而使光沿物体的X轴和Y轴被投射；该技术还包含分别与前面两个声光模块的信号同步的另外两个声光模块，使从物体反射的光聚焦在光接收装置上。物体高度的改变就依据聚焦在光接收装置上的光点的位置与光接收装置的中心之间的距离变化而被测量出来。该技术的测高原理与组件设计，和本发明完全不同。

日本发明人发表了一种能在确认测头与被测定物的位置关系的同时，以轻松姿势移动的高度测量机。它的发明点是：在与具有支柱的测头的面相对并邻接的侧面且在底座附近，设有手柄，在该手柄上设有对向空气上浮装置的空气供给、遮断进行控制的空气上浮控制开关、重复开关、取消开关等。本发明的发明点与该现有技术完全不同，而且，本发明公开的发明点没有被该现有技术以及其他文献发表。

总之，本发明的特点在于克服现有技术的不足，开发一种快捷、精密、智能化操作。尤其可进行温度补偿，化减测量误差的高级容栅式数显高度测量仪，从而满足工程技术领域的高端应用需求。

发明内容

本发明安装了附图3所示的由热敏电阻传感器构成的T-F转换电路。本发明还采用附图4所示的由热敏电阻传感器构成的补偿电路。此外，本发明使用AT89C52单片机作为连接容栅测量设备的关键电子部件，把供给电极和接收电极都在动栅上。将栅条由沿单X轴方向排列，改变为在水平X、垂直Y双轴方向作交替排列，使相邻栅条沿X轴方向间距为零，同侧栅条间距增加，并将栅条制作在无机陶瓷材料上。

本发明的容栅测量***是一种无差调节闭环控制***，基本测量部分是差动电容器，它利用电容的电荷耦合方式将机械位移量转变成为电信号的相应变化量，将该电信号送入电子电路后，经变换和运算显示出机械位移量数值。本发明的传感器采用等节距栅型结构。

本发明的高度仪底座选用钢化陶瓷材料。

气垫：它利用小型气源将压缩空气送入导轨内腔。空气再由导轨表面上的小孔中喷出，在导轨表面与滑行器内表面之间形成很薄的气垫层。滑行器浮在气垫层上，与轨面脱离接触，能在轨面上做近似无阻力的直线运动，减小由于摩擦力引起的误差。本发明的气垫主要包含节流孔、气室，使高度仪能平稳移动；本发明的气源为内藏式气泵，其发动机通过两根三角带驱动气泵曲轴，从而驱动活塞进行打气，打出的气体通过管线导入储气筒；储气筒通过气管线将储气筒内的气体导入固定在气泵上的调压阀内，控制储气筒气压。

立柱：导轨固定在立柱前面，配重块在其里面移动。本发明的立柱用4块钢板焊接而成，立柱与底座的连接通过立座实现。立座后面藏有变压器、气泵和线路板等。

导轨：其正面和侧面的平面性要求是：0.003mm/950mm、0.005mm/950mm，表面粗糙度要求小于0.1μm，导轨的厚度小于3.5mm。

滑架：其作用是安装容栅动栅，容栅动栅与定栅之间有一个0.2mm±0.05mm的间隙，动栅要相对定栅运动，为了保证运动精度，滑架与导轨之间使用4组轴承。

轴承组件：它是滑架和导轨的连接部件，有4组，每组有3个轴承，分别为正面、背面和侧面轴承，其中正面轴承为定位轴承，采用2C级轴承，装配时要保证4个轴承与导轨的接触点共面性在0.002mm以内，背面4个轴承为辅助轴承，采用C级轴承，通过杠杆机构以一定的力量压在导轨上。侧面4个轴承中，有两个是定位轴承，两个是辅助轴承。

配重块：由铅块做成.作用是平衡运动部件的重量。它通过钢带绕过上下两个鼓轮与滑架相连。配重块沿导柱上下运动.在运输过程中，用螺栓将配重块与上盖板固定，使用时将固定螺栓松开。

测头：每台高度仪配备4个硬测头，1个是钢测头.3个是红宝石测头.钢测头为直径8mm的CrWMn球测头，红宝石测头的球径分别为8、4、2毫米。

校准器：它由定位块和定位板组成，两件用螺钉固定，形成上基准面和下基准面。校准器用于校准测头常数，测头常数包括测头尺寸和由于施加测量力引起的弹性变形。更换新的测头后，其测头常数须重新测定和存储。

本发明的高度测量仪还包含主机(101)和显示器(102)，所述显示器(102)固定在所述主机(101)上，所述显示器(102)与所述主机(101)之间有电连接。所述显示器(102)为大面板设计，不但可显示测量结果，而且可以显示一组检测参数指示图标，从工程应用需求看，该类图标的数量超过10个，优选超过20个。

所述主机(101)还包含一检测位置的编码器，所述编码器与所述主机(101)有电连接，所述编码器有一个覆盖保护层。本发明的编码器如果被灰尘覆盖或有划痕，那么机器将不能正常操作。另则，如果灰尘或油污染滑轨的轴承导引表面，测量精度会下降。因此，本发明应该在无尘环境中使用，在编码器上设置防尘防划的覆盖层，

所述的编码器优选为绝对原点型线性编码器。

所述主机(101)的操作键包含至少一个快捷测量模式启动键，所述快捷测量模式启动键位于所述显示器(102)的下方。

所述主机(101)还包括滑动杆(105)、滑轮钮(106)，所述滑动杆(105)、滑轮钮(106)位于所述主机(101)的同一侧。

所述主机(101)还包括一个基座(108)，一个滑轨(109)，所述基座(108)位于所述主机(101)的下方，所述滑轨(109)安置在所述基座(108)上，所述滑轨(109)的轴承导引表面涂敷有防尘、放油渍纳米材料。

所述主机(101)还包括一个测头(111)，所述测头(111)位于所述主机(101)上，并且位于与所述滑轮钮(106)相对的一侧。

所述主机(101)还包括DC插孔(113)、SPC输出连接器(114)、RS-232C连接器(115)，并且所述DC插孔(113)、SPC输出连接器(114)、RS-232C连接器(115)位于所述基座(108)上。

具体而言，所述高度测量仪主要包含如下组件：主机(101)、显示器(102)、主机盖(103)、紧固螺钉(104)、滑动杆(105)、滑轮钮(106)、夹紧螺旋(107)、基座(108)、滑轨(109)、测头支架(110)、测头(111)、测头紧固螺钉(112)、 DC插孔(113)、SPC输出连接器(114)、RS-232C连接器(115)。

所述显示器(201)的大屏幕显示面板可包含如下显示区：指示向下导向测头开始接触区(201)、指示球型测头补正区(202)、指示ABS(绝对)测量模式区(203)、指示INC(相对)测量模式区(204)、指示公差判定结果区(205)、指示预设值或正在设置预设值区(206)、指示液晶显示背景光有效区(207)、指示储存器中的测量值被调用区(208)、指示英制/公制***区(209)、指示处于扫描测量中，最大值和最小值正在被搜寻区(210)、指示向上导向测头开始接触区(211)、指示正在保持测量值区(212)、指示计数方向是负的区(213)、指示SHIFT键已被按下区(214)、指示处于划线模式区(215)、最大值指示测量模式区(216)、最小值指示测量模式区(217)、位移指示测量模式区(218)、内直径指示测量模式区(219)、外直径指示测量模式区(220)、指示测量结果的确认模式区(221)、指示电源电压的下降状况区(222)、测量结果显示区(223)；优选所述指示向下导向测头开始接触区(201)、指示球型测头补正区(202)、指示ABS(绝对)测量模式区(203)、指示INC(相对)测量模式区(204)、指示公差判定结果区(205)、指示预设值或正在设置预设值区(206)、指示液晶显示背景光有效区(207)、指示储存器中的测量值被调用区(208)位于所述测量结果显示区(223)上方；优选所述最大值和最小值正在被搜寻区(210)、指示向上导向测头开始接触区(211)、指示正在保持测量值区(212)、指示计数方向是负的区(213)、指示SHIFT键已被按下区(214)位于所述测量结果显示区(223)左方；优选所述指示处于划线模式区(215)、最大值指示测量模式区(216)、最小值指示测量模式区(217)、位移指示测量模式区(218)、内直径指示测量模式区(219)、外直径指示测量模式区(220)、指示测量结果的确认模式区(221)、指示电源电压的下降状况区(222)位于所述测量结果显示区(223)下方。

所述主机(101)还包含测量程序数据库和测量程序生成模块，所述数据库包含多个内置测量程序，所述测量程序生成模块可调用所述内置测量程序，快速生成用户所需的个性化测量程序。

为操作方便，在显示器(102)下方设置如下必备按键：必备按键A：用于打开或关闭电源；必备按键B：用于进入内直径测量；必备按键C：用于保持某个测量值或输出值；必备按键D：用于进入最大高度测量；必备按键E：用于进入外径测量；必备按键F：用于调出一个测量结果；必备按键G：用于在INC相对原点测量模式和ABS绝对原点测量模式之间切换。

本发明的高度测量仪优选采用超大屏幕的液晶、LED或者OLED显示面板；优选新型、高精度、高分辩率绝对原点型线性性编码器进行位置检测；其快捷图标键可通过特有的处理方式，例如跟踪测量检测圆的顶点进行内径/外径测量，通过设置上、下限公差，进行GO/±NG判断，判断结果超出公差范围时，显示器背光从绿色变为红色，公差判断一目了然。

本发明内置的数据处理模块可对批量数据进行精确评估并生成柱状图、控制图，拥有至少40个测量程序，用简单方便的“自设”程序设置功能可快速生成用户所需的个性化测量程序，以简化并缩短检测时间。本发明还可包含具有统计功能的评估***，实现用户数据扩展分析需求。

本发明对测量数据有自动记忆、存储、比较、分析、图形化统计报告等功能，还可进行自动校平，可对测量数据进行智能化扩展分析，有背景光指示功能，可对外径，内径，圆弧，高度进行精确测量。总之，本发明采用全球首创的快捷测量模式，能够实现高精度、快速测量，并集各种测量项目、功能于一体；仪器操作简单，但是功能非常强大。

附图说明

图1是本发明产品构造图。

图2是显示器面板指示图标分区布局区。

图3是设备组件关系图。

具体实施方式

本发明的技术内容可以通过如下具体实施方式予以实现：

选用AT89C52单片机作为连接容栅测量设备的电子部件，把供给电极和接收电极都在动栅上。将栅条在水平X、垂直Y双轴方向作交替排列，使相邻栅条沿X轴方向间距为零，同侧栅条间距增加，并将栅条制作在无机陶瓷材料上。

本发明的高度仪底座选用钢化陶瓷材料。

本发明的气垫利用小型气源将压缩空气送入导轨内腔。空气再由导轨表面上的小孔中喷出，在导轨表面与滑行器内表面之间形成很薄的气垫层。滑行器浮在气垫层上，与轨面脱离接触，能在轨面上做近似无阻力的直线运动，减小由于摩擦力引起的误差。本发明的气垫主要包含节流孔、气室，使高度仪能平稳移动；本发明的气源为内藏式气泵，其发动机通过两根三角带驱动气泵曲轴，从而驱动活塞进行打气，打出的气体通过管线导入储气筒；储气筒通过气管线将储气筒内的气体导入固定在气泵上的调压阀内，控制储气筒气压。

本发明的滑架：其作用是安装容栅动栅，容栅动栅与定栅之间有一个0.2mm ±0.05mm的间隙，动栅要相对定栅运动，为了保证运动精度，滑架与导轨之间使用4组轴承。本发明的导轨：其正面和侧面的平面性要求是：0.003mm/950mm、0.005mm/950mm，表面粗糙度要求小于0.1μm，导轨的厚度小于3.5mm。本发明的立柱：导轨固定在立柱前面，配重块在其里面移动。本发明的立柱用4块钢板焊接而成，立柱与底座的连接通过立座实现。立座后面藏有变压器、气泵和线路板等。

本发明的轴承组件是滑架和导轨的连接部件，有4组，每组有3个轴承，分别为正面、背面和侧面轴承，其中正面轴承为定位轴承，采用2C级轴承，装配时要保证4个轴承与导轨的接触点共面性在0.002mm以内，背面4个轴承为辅助轴承，采用C级轴承，通过杠杆机构以一定的力量压在导轨上。侧面4个轴承中，有两个是定位轴承，两个是辅助轴承。

本发明的测头：每台高度仪配备4个硬测头，1个是钢测头.3个是红宝石测头.钢测头为直径8mm的CrWMn球测头，红宝石测头的球径分别为8、4、2毫米。本发明的配重块：由铅块做成.作用是平衡运动部件的重量。它通过钢带绕过上下两个鼓轮与滑架相连。配重块沿导柱上下运动.在运输过程中，用螺栓将配重块与上盖板固定，使用时将固定螺栓松开。

本发明的校准器由定位块和定位板组成，两件用螺钉固定，形成上基准面和下基准面。校准器用于校准测头常数，测头常数包括测头尺寸和由于施加测量力引起的弹性变形。更换新的测头后，其测头常数须重新测定和存储。

按照附图1的结构，选配并组装如下构件：实施测量的主机(101)、显示测量值与各种相关信息的显示器(102)、防护性主机盖(103)、将测砧紧固在滑轨上的紧固螺钉(104)、上下移动滑块的滑动杆(105)、通过旋转转轮使滑块上下移动(按下并转动按钮可以微调)的滑轮钮(106)、夹紧滑块的夹紧螺旋(107)、用于移动主机的基座(108)、支撑显示器和测头的滑轨(109)、将测头***测头夹钳可夹紧测头的测头支架(110)、φ5曲柄测头(适用于特定用途可选配多种标准测头)(111)、夹紧测头的测头紧固螺钉(112)、DC插孔(113)、输出数码数据的SPC输出连接器(114)、用于连接个人电脑的RS-232C连接器(115)。当然，本实施例不局限于AC适配器，也可选用内部电池组。本实施例还可针对不同测试需求，选定不同测砧直径补正块规。

按照附图2的设计，在显示器(201)的大屏幕显示面板设置如下显示区：指示向下导向测头开始接触区(201)、指示球型测头补正区(202)、指示ABS(绝对)测量模式区(203)、指示INC(相对)测量模式区(204)、指示公差判定结果区(205)、指示预设值或正在设置预设值区(206)、指示液晶显示背景光有效区(207)、指示储存器中的测量值被调用区(208)、指示英制/公制***区(209)、指示处于扫描测量中，最大值和最小值正在被搜寻区(210)、指示向上导向测头开始接触区(211)、指示正在保持测量值区(212)、指示计数方向是负的区(213)、指示SHIFT键已被按下区(214)、指示处于划线模式区(215)、最大值指示测量模式区(216)、最小值指示测量模式区(217)、位移指示测量模式区(218)、内直径指示测量模式区(219)、外直径指示测量模式区(220)、指示测量结果的确认模式区(221)、指示电源电压的下降状况区(222)、测量结果显示区(223)；

把指示向下导向测头开始接触区(201)、指示球型测头补正区(202)、指示ABS(绝对)测量模式区(203)、指示INC(相对)测量模式区(204)、指示公差判定结果区(205)、指示预设值或正在设置预设值区(206)、指示液晶显示背景光有效区(207)、指示储存器中的测量值被调用区(208)设置在测量结果显示区(223)上方；

把最大值和最小值正在被搜寻区(210)、指示向上导向测头开始接触区(211)、指示正在保持测量值区(212)、指示计数方向是负的区(213)、指示SHIFT键已被按下区(214)设置在测量结果显示区(223)左方；

把指示处于划线模式区(215)、最大值指示测量模式区(216)、最小值指示测量模式区(217)、位移指示测量模式区(218)、内直径指示测量模式区(219)、外直径指示测量模式区(220)、指示测量结果的确认模式区(221)、指示电源电压的下降状况区(222)设置在测量结果显示区(223)下方。

在显示器(201)下方设置如下操作键：

按键1：用于打开或关闭电源。如果机器闲置超过3分钟，那么电源将自动关闭。按键2：用于进入高度、节距或宽度的测量。按键3：用于进入位移测量。

按键4：用于保持按下此键的同时更换另一个切换功能。

按键5：用于在inch和mm之间切换单位***，或在预设值设置时增加一个数值，或在公差设置时增加一个数值，或改变一个储存号码来确定一个测量结果。按键6：用于进入最小高度测量。按键7：用于进入内直径测量。按键8：用于保持某个测量值或输出值。按键9：用于切换计数方向或在设置预设值和公差值时移动数位。按键10：用于进入最大高度测量。按键11：用于进入外径测量。按键12：用于调出一个测量结果。按键13：用于在INC相对原点测量模式和ABS绝对原点测量模式之间切换测量模式。当测量结果已经确认时，在节距显示和相对于起点的高度之间进行切换。按键14：用于设置一个预设值。按键15：用于清除储存器中的测量数据。按键16：用于下载每个扫描测量值和各种设置。

本实施例中，INC原点和ABS原点的意思是：工件测量有一个基准。图纸中工件尺寸的描述来自于基准。因此根据基准获得的测量值作为测量结果来使用。本实施例通过设置基准作为一个原点来实施测量操作。如果原点已设，那么测量的高度变成了相对于原点的坐标值。本实施例有以下两种“原点”：“ABS原点”是一个测量机器的参照点；“INC原点”是相对于绝对原点的参照点。此外，如图4、5所示，主机(101)包含一个由热敏电阻传感器构成的补偿电路，其中，热敏电阻传感器R_T连接在晶体管的基极回路中，补偿VT1晶体管的温度特性，当温度T上升时，VT1的集电极电流I_c上升，热敏电阻R_T的电阻值下降，导致VT1基极电压U_b下降，基极电流I_b下降。所述主机(101)还包含快捷操作模式调用模块，用户从所述显示器(102)的人机界面，可调用所述快捷操作模式。

Claims

1.一种数显高度测量仪的操作方法，其特征在于，所述温度补偿型数字显示高度测定设备包含主机(101)和显示器(102)，所述显示器(102)固定在所述主机(101)上，所述显示器(102)与所述主机(101)之间有电连接，所述主机(101)包含一绝对原点型线性编码器，所述主机(101)的操作键包含至少一组便捷图标键，所述主机(101)通过跟踪测量检测圆的顶点，进行内径/外径测量，测量结果通过所述显示器(102)显示，所述主机(101)通过设置上、下限公差，进行GO/±NG判断，判断结果超出公差范围时，所述显示器(102)的背光变色显示判断结果，所述主机(101)包含对批量数据进行精确评估的模块，所述模块生成柱状图、控制图或者其他图形，通过所述显示器(102)显示处理结果，所述主机(101)包含测量程序数据库和测量程序生成模块，所述数据库包含多个内置测量程序，所述测量程序生成模块可调用所述内置测量程序，快速生成用户所需的个性化测量程序，所述主机(101)包含一个由热敏电阻传感器构成的补偿电路，其中，热敏电阻传感器R_T连接在晶体管的基极回路中，补偿VT1晶体管的温度特性，当温度T上升时，VT1的集电极电流I_c上升，热敏电阻R_T的电阻值下降，导致VT1基极电压U_b下降，基极电流I_b下降，所述主机(101)包含快捷操作模式调用模块，用户从所述显示器(102)的人机界面，可调用所述快捷操作模式。