一种非接触式弹簧长度测量仪的设计

可杰，张袁娟

（1.郑州宇通客车股份有限公司，河南 郑州 450016；2. 河南工程学院安全工程学院，河南 郑州 451191）



一种非接触式弹簧长度测量仪的设计

可杰1，张袁娟2

（1.郑州宇通客车股份有限公司，河南 郑州 450016；2. 河南工程学院安全工程学院，河南 郑州 451191）

文章利用变间隙电容原理设计了一种非接触式弹簧长度测量系统，并对系统的基本工作原理、结构和电路设计原理进行了阐述，实践证明，该产品精度高，价格低廉，且具有一定的开发价值。

电容；变间隙电容；非接触式测量；位移测量

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.046

CLC NO.: U468.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-134-02

引言

近年来随着汽车工业、国家制造业的快速发展，弹簧作为基础零部件之一，需要一个超前的发展期才能适应整个国家工业的快速发发展。然而，目前我国弹簧行业在整个制造业中属于小行业，基本以中小企业为主，甚至很多是手工作坊式或者是由手工作坊发展而来，生产设备和检测设备比较落后，所生产的弹簧应用在低端产品中可以满足精度要求，但是对于仪用或高端产品，装配弹簧需要成对匹配安装时要求弹簧精度较高，不能满足精度要求[1]。虽然国外有精密的弹簧检测设备，但价格昂贵，对大多数中小企业来说，一种快速测量又价格便宜的弹簧测量设备是提高其产品市场竞争力的保证。基于此本文介绍了一种非接触式在线测量弹簧长度的测量系统。

1、测量系统的基本原理

图1　变间隙电容工作原理图

相关文献表明，一些厂家要求测量的弹簧是弹簧丝为直径Φ0.1mm-Φ1.1mm，弹簧直径为Φ5mm-Φ10mm的细小弹簧，长度相对误差要求在+0.2以内。只要测量值在合理误差范围内，即为合格产品。因为在此测量过程中，所需要测量的是一个相对量，不是绝对测量。同时因为测量的对象为细小弹簧，弹簧的的虎克系数比较小，接触式测量极易使所测量的弹簧在外力的作用下发生变形，影响测量精度，由此只能采用非接触式方法进行测量。测量对象特殊性，决定了可采用以微小电容的原理测量在线弹簧长度，在测量过程中，生产过程中的弹簧断面与测量仪的断平面形成一个一个可变参量的电容器，其基本原理可以用图1所示：

平板电容器来说明。

当忽略边缘效应时，其电容量C为：

式中： S——极板间相对覆盖面积

d——极板间距离

εr——相对介电常数

ε0——真空介电常数

ε——电容极板间介质的介电常数

当被测参数式中的d、S和εr中的后两个参数不变，电容上下两电容极板之间间隙的变化引起电容的变化，电容的变化进而转化为电压的变化，以变化的电压值进行标定，实现对弹簧长度的实时在线测量[2-4]。

在实际生产应用中，当被测量弹簧端面与测量仪传感器探头端面之间的距离减小，电容逐渐增大，其电压极性由正到负，逐渐减小。当机头停止挤压并准备切断弹簧时，此时测量多组电容数值，经过死区理论处理，其大小不变，则该电容值通过测量仪的测定标定结果计算出弹簧的相对长度。检测电路给出信号，提示弹簧相对长度误差是否在±0.2以内，同时也实现了相对位移的测量。

2、测量仪的结构设计

变间隙式电容传感器是测量仪的核心检测部件，怎样实现将弹簧长度变化转为电容变化是其测量仪能否实现测量目的的关键。在测量过程中，以测量仪的传感器端面作为电容式传感器的一极板，即电容传感器的固定极板，所测量的弹簧端面作为变间隙式电容传感器的另一电容极板，即电容传感器的可动极板。两者成为该测量仪检测系统的核心部件——变间隙式微小电容传感器[5]。

图2　弹簧测量仪结构设计原理

测量仪的结构设计有紧固装置，将其固定在弹簧缠绕机的机头前端，在测量弹簧长度之前先进行数值标定，当弹簧机挤出弹簧时，其端面与测量的传感器探头端面形成电容，当弹簧挤出到测定长度时，停止机器，测量此时电容值并记录数值，然后调节测量仪探头端面与所测弹簧的距离变化为正负最大偏差时，记录此时的测量数值。通过测量仪的调理电路把对电容变化的测量转化为电压的测量，由数据采集系统的数值标定实现电压值与弹簧长度变化的对应转化。

3、测量仪的软件设计

本测控系统中电容传感器的作用就是将测量的非电物理量转化为电信号，经过后续调理电路对信号进行放大、滤波、A/D转化部分后，传输到信号控制终端并通过液晶显示器动态显示测量结果，实时监测其与标准长度的比较结果并传输到执行部分，以达到在线动态测量的结果。电路流程如图 3所示：

图3　采集卡实现流程

4、结束语

与传统手工接触式测量弹簧长度相比，本文设计出的非接触式弹簧测量系统有效的提高了生产效率和产品精度，并且可以规避弹簧加工时对弹簧丝用油进行润滑污染镜头，造成测量误差大，甚至无法测量的情况。同时该测量仪价格低廉，造作方便，对工作环境要求不高，有很大的推广使用价值。

[1] 赫风祥.国外先进工业国家弹簧测试仪器发展情况[J].试验技术与试验机.1992,04;25-29.

[2] 王化祥,张淑英.传感器原理及应用[M].天津:天津大学出版社.2004.4-9.45-66.

[3] 余瑞芬.传感器原理[M].北京:航空工业出版社,1995.

[4] 强锡富.传感器[M].北京:机械工业出版社,2004.

[5] 可杰.基于微小电容的弹簧检长仪的设计[D].试验技术与试验机.2009.

Design of a non contact type spring length measuring instrument

Ke Jie1, Zhang Yuanjuan2
（1. Zheng Zhou Yutong Bus Co.Ltd., Henan Zhengzhou 450016; 2. Department of Safety Engineering, Henan Institute of Engineering, Henan Zhengzhou 451191）

The variable gap capacitive principle to design a non-contact spring length measurement system, and the basic working principle, circuit structure and design principle are described. It is proved that the products of high precision, low price, and has certain value.

capacitance; Variable gap capacitance; Non contact measurement; Displacement measurement

河南工程学院博士基金（D2013022）；河南省教育厅科学技术研究重点项目（14B440005）；国家自然科学基金（51104111）；郑州市科技攻关项目（141PPTGG375）。

U468.4

A

1671-7988 （2016）06-134-02

可杰，男，河南省安阳市人，工学硕士，工程师，就职于郑州宇通客车股份有限公司，从事汽车产品设计工作。