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CN109405733B - 快速高精度平面平行度测量装置 - Google Patents

快速高精度平面平行度测量装置 Download PDF

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CN109405733B CN201811531167.5A CN201811531167A CN109405733B CN 109405733 B CN109405733 B CN 109405733B CN 201811531167 A CN201811531167 A CN 201811531167A CN 109405733 B CN109405733 B CN 109405733B
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王鸣山
张贾强
徐鑫
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Cnnc Xinke Tianjin Precision Machinery Manufacturing Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种快速高精度平面平行度测量装置，测量装置包括测量机构、电荷放大差分自调整增益采样电路和采样控制及主处理器。本发明提供了一种快速高精度平行度测量装置，通过中心电极和被测靶标之间的位置关系，能实现平行度的快速极高精度测定，适用于任何平面，无论平面材料，甚至玻璃板透明片面，有较广泛的应用，使用性较强；金属板平面可直接测量，非金属板可通过被测靶标即可，非接触式测量，避免了表面的划伤，能实现平行度的快速，极高精度测量测定。

Description

快速高精度平面平行度测量装置
技术领域
本发明涉及一种平面平行度测量装置，具体涉及一种快速高精度平面平行度测量装置。
背景技术
在光学加工和机械加工领域，常常需要加工平板玻璃如光窗、滤光片、平面反射镜等元件，机械加工上也会加工一类高精度结构件，对零件各面之间的平行度有严格要求，如光窗直接影响传感器光轴平行性，需要精确测量两个使用面之间的平行性。
类似的专利如，CN 107677219 A 一种平面平行度测量装置及测量方法，CN207570467 U 一种气浮式平行度测量装置，CN 207317714 U 一种平行度测量装置。上述专利均存在缺点，其一是测量的范围有要求，过大、过小的平面尺寸或平面间距，不能实施测量；其二，采用了接触式的测量方法，测针将划过测量表面，加大了对待测平面的划伤的可能；其三，采用了光学的干涉测量方法，但测量的结果通过人工读数，并作出判定，增加了人因的主观因素。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在的运用接触测量和非接触测量方法测量平面平行度时测量范围小，对待测平面的材料、透明、磁性等有要求、测量线性度不好、不能精确测出微小阶跃变化的缺点而提出的，其目的是提供一种快速高精度平面平行度测量装置。
本发明的技术方案是：
一种快速高精度平面平行度测量装置，包括测量机构、电荷放大差分自调整增益采样电路和采样控制及主处理器；
所述测量机构包括设置于平台上的测量基座和高压直流电源，高压直流电源的负极与测量基座的接线柱通过导线连接；所述测量基座上设置有电极伸缩装置，中心电极与电极伸缩装置驱动轴连接，基准平面和待测平面放置于测量基座上，且置于中心电极下方；
所述电荷放大差分自调整增益采样电路包括电流电压转换模块，差分采样电路和增益阻抗自动调整电路，增益阻抗自动调整电路由串联连接的采样门限控制电路和多阻抗选择电路组成；
弱电流输入至电流电压转换模块完成转化，经差分采样电路完成差分采样，差分采样第一通路输入至二级放大器，放大后电流经采样门限控制电路进行电压等级判断，连通对应电压等级通路，并输入至多阻抗选择电路激活相应的阻抗选择，连接对应阻抗通路，再输出至二级放大器放大后输出，放大后的二级输出且通过AD转换器与采样控制及主处理器连接；差分采样第二通路通过反馈电流，消除误差。
所述中心电极轴线与测量基座顶面平行。
所述中心电极与测量基座顶面之间的距离大于基准平面和待测平面的高度。
所述电流电压转换模块为反馈电流放大型测量电路；采用输入偏置较低的运算放大器。
所述高压直流电源的正极悬空。
所述电流电压转换模块为OPA128、THS4061或ADA4530中的任意一种。
所述采样门限控制电路由多个不同电压等级通路并联组成，每个通路上设置单独开关；所述多阻抗选择电路由多个不同阻抗和多通道多路复合器串联组成。
所述采样控制及主处理器为FPGA芯片。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种快速高精度平面平行度测量装置，通过中心电极和被测靶标之间的位置关系，能实现平行度的快速极高精度测定，适用于任何平面，无论平面材料，甚至玻璃板透明片面。有较广泛的应用，使用性较强；金属板平面可直接测量，非金属板可通过被测靶标即可，非接触式测量，避免了表面的划伤，能实现平行度的快速，极高精度测量测定。
本发明装置通过一根跨越待测平面的中心电极，测量的基座通过一定电压的直流电压，使得待测平面形成匀强电场，中心电极通过电荷放大器与电流测量装置相连，通过电流的变化，反馈平面的平行度，最终达到非接触的快速测量目的。
附图说明
图1是本发明快速高精度平面平行度测量装置中测量机构的结构示意图；
图2是本发明快速高精度平面平行度测量装置中电荷放大差分自调整增益采样电路的电路图；
图3是本发明快速高精度平面平行度测量装置中高压直流电源和中心电极之间等效电路的示意图。
其中：
1 平台 2 测量基座
3 电极伸缩装置 4 中心电极
5 高压直流电源 6 接线柱
7 负极 8 基准平面
9 待测平面 10 导线
11 电压转换模块 12 采样门限控制电路
13 多阻抗选择电路 14 二级放大器
15 AD转换器 16 采样控制及主处理器。
具体实施方式
下面结合说明书附图及实施例对本发明快速高精度平面平行度测量装置进行详细说明：
如图1所示，一种快速高精度平面平行度测量装置，包括测量机构、电荷放大差分自调整增益采样电路和采样控制及主处理器16；
所述测量机构包括设置于平台1上的测量基座2和高压直流电源5，高压直流电源5的负极7与测量基座2的接线柱6通过导线10连接；所述测量基座2上设置有电极伸缩装置3，中心电极4与电极伸缩装置3驱动轴连接，基准平面8和待测平面9放置于测量基座2上，且置于中心电极4下方；
如图2所示，所述电荷放大差分自调整增益采样电路包括电流电压转换模块11，差分采样电路和增益阻抗自动调整电路，增益阻抗自动调整电路由串联连接的采样门限控制电路12和多阻抗选择电路13组成；
弱电流输入至电流电压转换模块11完成转化，经差分采样电路完成差分采样，差分采样第一通路输入至二级放大器14，放大后电流经采样门限控制电路12进行电压等级判断，连通对应电压等级通路，并输入至多阻抗选择电路13激活相应的阻抗选择，连接对应阻抗通路，再输出至二级放大器14放大后输出，放大后的二级输出且通过AD转换器15与采样控制及主处理器16连接；差分采样第二通路通过反馈电流，消除误差。
所述中心电极4轴线与测量基座2顶面平行。
所述中心电极4与测量基座2顶面之间的距离大于基准平面8和待测平面9的高度。
所述电流电压转换模块11为反馈电流放大型测量电路；采用输入偏置较低的运算放大器。
所述高压直流电源5的正极悬空。
所述电流电压转换模块11为OPA128、THS4061或ADA4530中的任意一种。
所述采样门限控制电路12由多个不同电压等级通路并联组成，每个通路上设置单独开关；所述多阻抗选择电路13由多个不同阻抗和多通道多路复合器串联组成。
所述采样控制及主处理器16为FPGA芯片。
所述电流电压转换模块11是一种常用的弱电流监测方法，本专利利用的反馈电流放大型测量电路，其特点是，结构简单，线性度好，电路的频率响应特性较好。电流电压转换模块应选用输入偏置较低的运算放大器来完成。例如，市售的IC：OPA128，THS4061，ADA4530等。
所述差分采样电路用于将电流信号产生的将漏电荷转换为电压，线性输出时相减。
所述增益阻抗自动调整电路是一个根据差分采样电路输出值经过门限控制电路的门限条件自动调整增益过程电路。
采样控制及主处理器16为市售的FPGA芯片，放大后的二级输出通过AD转换器与FPGA连接。FPGA对结果进行处理，输出测量结果。
采用本发明装置进行快速高精度平面平行度的测量方法，包括以下步骤：
（ⅰ）装置的设置
高压直流电源5接通800V DC，将负极7接入测量基座2的接线柱6，保持正极悬空；将基准平面8和待测平面9放置在中心电极4的下方；
（ⅱ）等效电路的形成
高压直流电源5和中心电极4之间在均匀强大的电场下，形成等效于平行板电容器的电路，如图3所示；
（ⅲ）测量
电荷放大差分自调整增益采样电路采集电场强度变化，并传递至采样控制及主处理器16，采样控制及主处理器16处理后显示结果读数。
还包括步骤（ⅳ）标定，具体标定步骤为：
取10mm，15mm标准量块，放置于测量基座2上，放置中心电极4，加高压；通过二级放大器14的二级放大后，利用采样控制及主处理器16将结果显示；重复过程，记录两个量块的读数，建立一维回归方程；获得y=c+kx的系数关系，完成标定。
测量原理公式解释：
高压直流电源5提供给测量基座2的接线柱6的电压为衡定的常量，因此通过电场强度的变化可以表征平行板电容器等效距离引起的；
利用平行板电容器的原理，极板间的总电荷量，可由距离、介电常数和面积表示。那利用采样控制及主处理器16（FPGA）对电流进行连续监测，可求的总电荷电量。
根据已知的电压和标定过的系数等常数即可计算得到被测平板的距离变化量，进而可获得平面度指标。
中心电极和被测靶标之间的位置关系，能实现平行度的快速极高精度测定，适用于任何平面，无论平面材料，甚至玻璃板透明片面。有较广泛的应用，使用性较强；金属板平面可直接测量，非金属板可通过被测靶标即可，非接触式测量，避免了表面的划伤，能实现平行度的快速，极高精度测量测定。
本发明装置通过一根跨越待测平面的中心电极，测量的基座通过一定电压的直流电压，使得待测平面形成匀强电场，中心电极通过电荷放大器与电流测量装置相连，通过电流的变化，反馈平面的平行度，最终达到非接触的快速测量目的。本发明测量方法属于非接触的测量方法。

Claims (6)

1.一种快速高精度平面平行度测量装置，其特征在于：包括测量机构、电荷放大差分自调整增益采样电路和采样控制及主处理器(16)；
所述测量机构包括设置于平台(1)上的测量基座(2)和高压直流电源(5)，高压直流电源(5)的负极(7)与测量基座(2)的接线柱(6)通过导线(10)连接，所述高压直流电源(5)的正极悬空；所述测量基座(2)上设置有电极伸缩装置(3)，中心电极(4)与电极伸缩装置(3)驱动轴连接，基准平面(8)和待测平面(9)放置于测量基座(2)上，且置于中心电极(4)下方；所述中心电极(4)轴线与测量基座(2)顶面平行；所述中心电极(4)与测量基座(2)顶面之间的距离大于基准平面(8)和待测平面(9)的高度；
所述电荷放大差分自调整增益采样电路包括电流电压转换模块(11)，差分采样电路和增益阻抗自动调整电路，增益阻抗自动调整电路由串联连接的采样门限控制电路(12)和多阻抗选择电路(13)组成，所述电流电压转换模块(11)为反馈电流放大型测量电路；
弱电流输入至电流电压转换模块(11)完成转化，经差分采样电路完成差分采样，差分采样第一通路输入至二级放大器(14)，放大后电流经采样门限控制电路(12)进行电压等级判断，连通对应电压等级通路，并输入至多阻抗选择电路(13)激活相应的阻抗选择，连接对应阻抗通路，再输出至二级放大器(14)放大后输出，放大后的二级输出且通过AD转换器(15)与采样控制及主处理器(16)连接；差分采样第二通路通过反馈电流，消除误差。
2.根据权利要求1所述的一种快速高精度平面平行度测量装置，其特征在于：所述电流电压转换模块(11)采用输入偏置较低的运算放大器。
3.根据权利要求1所述的一种快速高精度平面平行度测量装置，其特征在于：所述电流电压转换模块(11)为OPA128、THS4061或ADA4530中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种快速高精度平面平行度测量装置，其特征在于：所述采样门限控制电路(12)由多个不同电压等级通路并联组成，每个通路上设置单独开关。
5.根据权利要求1所述的一种快速高精度平面平行度测量装置，其特征在于：所述多阻抗选择电路(13)由多个不同阻抗和多通道多路复合器串联组成。
6.根据权利要求1所述的一种快速高精度平面平行度测量装置，其特征在于：所述采样控制及主处理器(16)为FPGA芯片。
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