2 гр. 1 гр.
0,12 % 0,18 %
1 1 1 1 1
1 1 1
0
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
Г™, %
0,35
Рис. 6. Диаграммы рассеяния температурного гистерезиса чувствительности Гтч для кристаллов ИПД 5.2 с различной шириной участка мембраны под тензорезисторами:
1 группа — Ьм = 17...21 мкм; 2 группа — Ьм = 37...78 мкм
на рис. 5 с учетом влияния величины Ьм на показатель Пкч (см. рис. 2). Нелинейность выходной характеристики ИПД 5.2 заметно снижается при уменьшении с 1,6 до 0,3 мкм (см. рис. 5, кривые 1 и 3). Поэтому для тензомодулей на номинальные давления менее 10 кПа предпочтительнее использовать кристаллы ИПД 5.2 с тонким окис-ным слоем над мембраной, имеющей толщину 16—22 мкм.
Температурный гистерезис чувствительности Гтч тензопреобразователей ИПД 5.2 при воздействии пониженных температур (до —50 °С) проявляется существенно слабее для кристаллов с малой (20 мкм) шириной прямолинейных участков мембраны под тензорезисторами в сравнении с кристаллами, имеющими ширину этих участков
40...80 мкм (в среднем 0,12 и 0,18 % соответственно, рис. 6). Различие между средними значениями
Гтч статистически значимо при доверительной вероятности 0,99.
Таким образом, при замене плоской мембраны ИПД на мембрану с жестким центром большой выигрыш по нелинейности выходной характеристики сопровождается заметным снижением показателя чувствительности конструкции. При переходе к мембране с рассредоточенным жестким центром достигается значительное увеличение показателя чувствительности конструкции ИПД при одновременном улучшении нелинейности и других метрологических характеристик.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шелепин Н. А., Данилова Н. Л., Панков В. В, Суханов В. С. Преобразователи давления — микросхемы серии 1191, 1192 // Датчики и системы. — 2007. — № 1. — С. 28—33.
2. Игнатьева Е. В, Михайлов Ю. А. О показателе чувствительности конструкции кремниевых тензопреобразователей давления // Датчики и системы. — 2008. — № 10. — С. 35—38.
Елена Валерьевна Игнатьева — аспирант кафедры "Микроэлектроника" Московского института электронной техники (МИЭТ);
E-mail: elena.ignateva@gmail.com
Юрий Александрович Михайлов — канд. техн. наук, руководитель группы НПК "Технологический центр"МИЭТ;
® 8 (499) 720-85-00
Владимир Валентинович Панков — ст. научн. сотрудник НПК "Технологический центр" МИЭТ.
® 8 (499) 720-85-35 □
УДК 531.717.5
ПРЕЦИЗИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГОЛОВКИ ОТКЛОНЕНИЯ
М. А. Мелекаев
Представлена принципиально новая измерительная головка отклонения для контроля геометрических параметров сложных деталей, построенная на базе экстремальной растровой системы с применением малых упругих деформаций, аналогов которой по точности не существует.
Ключевые слова: измерительные головки отклонения, геометрические параметры, погрешность наведения, фотоэлектрические преобразователи
Современные задачи метрологии по повышению быстродействия, точности и надежности средств измерения актуальны и жизненно необходимы, особенно для линейных и угловых измерений в области высоких
технологий, где получение точности измерения с погрешностью 0,1...0,01 мкм становится уже повседневным явлением. Для контроля широкого спектра геометрических параметров сложных деталей в промышлен-
ности и измерительных лабораториях широко применяют ко-ординатно-измерительные машины и универсальные измерительные микроскопы.
Погрешность таких приборов в основном складывается из
54 _Sensors & Systems • № 6.2009
двух составляющих: погрешности наведения на измеряемую деталь и погрешности отсчета по измерительным координатам. На сегодня предлагается несколько решений задачи координатных измерений с высокой точностью, которая может достигать порядка 0,1...0,01 мкм. Погрешность же наведения на измеряемую деталь существенно отстает и становится доминирующей в искажении результатов измерений.
Для наведения на измеряемую деталь в данных приборах применяют различные варианты измерительных головок отклонения (ИГО). Условно ИГО делятся на контактные и бесконтактные. В качестве первичного преобразователя в современных контактных измерительных головках применяются индуктивные или емкостные датчики. В таблице приведены метрологические характеристики измерительных головок разных фирм-изготовителей.
Индуктивные датчики, применяемые в ИГО, обладают высокими чувствительностью, точностью и надежностью, но только при условии жесткой стабилизации напряжений и частоты всех источников питания, а также стабилизации температурных факторов, что существенно усложняет их работу. К недостаткам емкостных датчиков можно отнести малую выходную мощность, необходимость повышенной частоты питания, влияние паразитных емкостей, большое выходное сопротивление. Общие же и существенные недостатки индуктивных и емкостных преобразователей заключаются в нелинейности характеристики преобразования и отсутствии в их конструкциях меры.
Преимуществом бесконтактных наведений на измеряемую деталь является отсутствие трения и изнашивания в механизмах головки, а также вибраций и ударных режимов взаимодействия с деталью, характерных для контактных методов измерения,
что позволяет повысить скорость и точность работы.
В бесконтактных измерительных головках используются различные принципы измерения: акустический, оптический, электромагнитный и др. Наиболее широкое применения в промышленности нашли оптические головки отклонения. Фирма "Ферранти Метролоджи систем" разработала лазерную ИГ с диапазоном измерения ±1,5 мм и погрешностью ±1 мкм. Ориентация лазерной ИГ осуществляется с помощью управляемой поворотной головки известной фирмы "Ренишоу".
Библиографический обзор показал, что современные измерительные головки позволяют наводиться с погрешностью 0,5 мкм, что не удовлетворяет современным требованиям по точности. Значительно повысить точность измерительных устройств позволяют фотоэлектрические широкопредельные преобразователи с мелкопериодическими мерами в виде растровых и дифракционных решеток, а также интерференционных картин (полей), аналогичных комбинационным картинам растровых сопряжений.
Для повышения разрешающей способности и точности в данных системах применяют интерполятор, который использует при работе только характерные точки сигнала, соответству-
ющие экстремумам освещенности информационного поля — экстремальные интерполяторы.
Достоинством системы с экстремальным интерполятором является достижение наивысшей разрешающей способности. Такая система разработана в МГТУ им. Н. Э. Баумана [1]. Она построена по замкнутой схеме, в обратную цепь которой включены цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и интерполятор. Практика последних лет показала необходимость применения в качестве экстремального интерполятора магнитоэлектрического сканирующего компенсационного интерполятора (СКИ), разработка и исследование которого ведется на протяжении последних десятилетий на кафедре "Метрология и взаимозаменяемость" в МГТУ. Отличительной особенностью СКИ является совмещение в одном механизме трех функций: сканирования с целью автоматического наведения измерительной системы в нулевое положение; компенсации для совмещения оси сканирования с нулевым положением; интерполяции для получения цифрового отсчета в долях интервала рабочей меры, т. е. определения компенсационного смещения. Сканирование муаровых полос позволяет построить тракт на переменном токе, что практически исключает влияние неста-
Основные технические характеристики измерительных головок разных фирм-изготовителей
Параметр ВФ ЭНИМС Наименование фирм
"Кэрри" "Оптон" ДЕА
Диапазон измерения, мм ±8 ±6 ±0,2 ±10,0
Диапазон перемещения нако- ±8 ±6.5 ±3,0 ±10,0
нечника, мм
Дискретность отсчета, мкм:
в центральной зоне 0,5 0,1 0,1 1,0
в полном диапазоне 0,5 1,0 Нет 1,0
отсчета
Координатная погрешность, мкм 7,0 Нет 0,5 7,0
сведении
Датчики и Системы • № 6.2009
55
Конструкция измерительной головки на четырех пружинах (а) и на одной пружине (б):
1 — измерительный наконечник; 2 — измерительный растр; 3 — СКИ; 4 — индикаторный растр; 5 — цилиндрическая пружина
бильности светового потока и дрейфа нуля усилителя при использовании только одного фотоприемника, в результате чего не возникает погрешности из-за асимметрии характеристик пары фотоприемников.
Контур обратной связи охватывает все элементы, включая измерительное сопряжение, выполняющее функцию сравнивающего звена. В результате этого мультипликативная погрешность элементов прямой ветви схемы может быть сделана как угодно малой. Аддитивная составляющая при этом определяется погрешностью наведения на экстремум освещенности измерительного сопряжения и нестабильностью центра колебания индикаторного элемента. Эти две составляющие могут иметь величину порядка 0,001 % от периода меры [2]. Так как ЦАП по литературным источникам имеет погрешность 0,01...0,002 % [3], то этой составляющей можно пренебречь. Следовательно, погрешность измерительной системы в основном определяется погрешностью СКИ [4]. Как показали исследования, проведенные в МГТУ им. Баумана, относительная погрешность таких СКИ составляет не более 0,1 % от шага растра, что позво-
ляет уверенно разделить период меры на 1000 частей. При использовании СКИ симметричной конструкции или построенных по дифференциальной схеме относительная погрешность СКИ может составить не менее 0,01 %, что позволит получить индекс интерполяции 10 000.
Измерительная головка отклонения, построенная на базе экстремальной измерительной системы с применением симметричного обратного преобразователя, позволяет наводиться на измеряемую деталь с погрешностью 0,01 мкм при условии стабилизации внешних воздействующих факторов (температуры, вибрации, электромагнитного поля и т. д.). На данный момент рассмотрены два варианта конструкции измерительной головки: измерительный наконечник на одной цилиндрической пружине (в виде цилиндрического стержня) и на четырех цилиндрических пружинах (см. рисунок). Для того чтобы избежать внешних трений при перемещении наконечника предлагается использовать упругие деформации, которые хорошо зарекомендовали себя в оптикаторах.
Преимуществом пе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.