深孔内径测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开的深孔内径测量系统，包括沿深孔轴向移动的测量主体及与测量主体相连的测控装置；测量主体包括：腔体；均布于腔体外的至少三排支撑滚轮，支撑滚轮中的一个是带有驱动的驱动轮；均布于腔体外的至少两个止停球；设在腔体一端的旋转测量盘，旋转测量盘径向设有多个用于测量深孔内径的电涡流位移传感器，电涡流位移传感器设计为基于简单的串联谐振原理，实现1mm测量范围内20mv/μm的高灵敏度；止停球、驱动轮、旋转测量盘分别由相应的驱动装置驱动；测控装置包括第一控制模块，第二控制模块，第三控制模块和处理多个电涡流位移传感器输出的电压信号及计算深孔内径的测量计算模块。上述系统能够实现深孔内径的测量和提高深孔内径测量精度。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及孔内径测量【技术领域】，更为具体地说，涉及一种深孔内径测量系统。 深孔内径测量系统
【背景技术】
[0002] 国防军事、工业生产及科研等领域对孔内径，特别是深孔（深度超过3m)内径的测 量有着广泛的需求，例如火炮管道内径测量、工程机械中液压动力系统的深孔内径测量、石 油钻探管道内径测量、用于流体研究的长管道的内径测量等。随着科技的进步，对于深孔内 径的测量要求越来越高，如需要高于10 μ m/50mm的精度，且在加工现场测量。
[0003] 目前，通常采用非接触测量的方式对深孔内径实施测量，以避免对深孔内壁的划 伤。较为成熟的非接触测量装置有气动测量装置。一种传统的深孔内径气动测量系统包括 内径气测头、测量无线发射装置、气电滑环、处理及显示装置。上述深孔内径气动测量系统 将内径气测头输出的位移量信号转换为气压信号，然后再转换为电压信号，最后通过电压 信号计算测量结果，即深孔内径值。这种方式中信号的传递环节较多，导致测量的误差较 大，设备结构复杂。另外采用气动测量需要气源和气体管道导致整个系统的结构较为复杂， 而且由于气压受气源压力不稳的影响较大，导致测量结果非线性严重，导致测量精度较低。 上述气动测量系统中通常采用一个气源多个气动测头的方式，但是多个气动测头之间的气 路因为相互连通而无法实现独立的测量，且旋转供气结构的气压稳定性较低，使得深孔内 径的测量精度较低。另外气动测头通过连接杆与深孔之外的气源相连，深孔的长度受连接 杆长度的限制会导致其测量范围较小，而且连接杆过长所导致挠性大会影响深孔内径的测 量精度。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种深孔内径测量系统，以解决目前无法较好实现较长深孔内径的测 量和深孔内径测量精度低的问题。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
[0006] 深孔内径测量系统，包括能够位于深孔内，且沿所述深孔轴线方向移动的测量主 体及位于所述深孔外，且与所述测量主体相连的测控装置；所述测量主体包括：
[0007] 腔体，为圆筒状；
[0008] 均匀布置在所述腔体外的至少三排支撑滚轮，三排所述支撑滚轮用于与所述深孔 的内壁多点贴合以支撑所述测量主体，所述支撑滚轮中的一个为驱动轮以驱动所述测量主 体沿深孔轴向移动；
[0009] 均匀分布在所述腔体外的至少三个止停球；
[0010] 设置在所述腔体一端的旋转测量盘，所述旋转测量盘的转动平面与所述深孔的轴 线垂直，所述旋转测量盘径向安装有多个电涡流位移传感器，所述电涡流位移传感器用于 检测其距所述深孔内壁距离的电压信号；
[0011] 用于驱动所述止停球与所述深孔内壁贴紧摩擦，用于止停或分离的止停球驱动装 置；
[0012] 用于驱动所述驱动轮使得测量主体沿所述深孔轴向移动的驱动轮驱动装置；
[0013] 用于驱动所述旋转测量盘转动的测量盘驱动装置；所述测控装置包括用于控制止 停球驱动装置启闭的第一控制模块，用于控制所述驱动轮驱动装置启闭的第二控制模块， 用于控制所述测量盘驱动装置启闭的第三控制模块和用于对所述电涡流位移传感器输出 的电压信号处理，以计算所述深孔内径的测量计算模块。
[0014] 优选的，上述深孔内径测量系统中，所述驱动轮驱动装置包括：
[0015] 轴向移动驱动电机；
[0016] 动力输入轴与所述轴向移动驱动电机的动力输出轴传动相连的第一传动机构，所 述第一传动机构的动力输出轴与所述驱动轮的驱动转轴相连。
[0017] 优选的，上述深孔内径测量系统中，所述深孔内径测量系统还包括设置在所述支 撑滚轮的转轴和所述腔体之间的压缩支撑弹簧，所述压缩支撑弹簧用于通过自身弹力使所 述支撑滚轮弹性贴附于所述深孔的内壁。
[0018] 优选的，上述深孔内径测量系统中，所述测量盘驱动装置包括：
[0019] 旋转驱动电机；
[0020] 动力输入轴与所述旋转驱动电机的动力输出轴传动相连的第二传动机构；
[0021] 与所述第二传动机构的动力输出轴相连，且外伸于所述腔体端面的旋转轴，所述 旋转测量盘固定在所述旋转轴的端部。
[0022] 优选的，上述深孔内径测量系统中，所述旋转测量盘直接由印刷电路板PCB制成， 多个所述电涡流位移传感器径向均布在所述旋转测量盘的同一圆周上，且所述旋转测量盘 设有为所述电涡流位移传感器供电的电池。
[0023] 优选的，上述深孔内径测量系统中，
[0024] 所述旋转测量盘设置有电光转换发射器，所述电光转换发射器与所述电涡流位移 传感器的数字信号输出电路相连，用于将所述电涡流位移传感器输出的电压信号转换为光 信号，并发射输出；
[0025] 所述腔体内设置有光电转换接收器、信号预处理模块，所述腔体设置有光传输通 道，所述光电转换接收器和电光转换发射器位于所述光传输通道的两端，所述光电转换接 收器用于接收所述光信号并转换为电压信号；所述信号预处理模块与所述测量计算模块相 连，用于对所述电压信号实施预处理。
[0026] 优选的，上述深孔内径测量系统中，多个所述电涡流位移传感器共用一个CPLD可 编程数字信号发生器，每个所述电涡流位移传感器包括依次串联的信号放大及谐波化电 路、LC串联谐振电路和用于将谐振信号转换为位移电压信号的转换电路，所述转换电路包 括依次串联的整形检波电路、滤波电路和模拟数字变化电路，所述信号放大及谐波化电路 与所述CPLD可编程数字信号发生器连接，每个所述电涡流位移传感器的模拟数字变化电 路均通过数据同步锁存器与所述电光转换发射器相连。
[0027] 优选的，上述深孔内径测量系统中，所述止停球驱动装置包括：
[0028] 通过连接杆与所述止停球一一对应相连的空心钢球；
[0029] 设置在所述腔体内的弹性支撑条，所述弹性支撑条一一对应地连接于所述连接件 上，用于使所述止停球处于与所述深孔内壁贴紧止停的状态；
[0030] 设置在所述腔体上，且在通电状态下通过吸附所述空心钢球而使得所述止停球与 所述深孔的内壁分离的电磁铁；和
[0031] 用于控制所述电磁铁通断电状态切换的电磁铁控制器。
[0032] 优选的，上述深孔内径测量系统中，所述止停球为橡胶摩擦球，成对布置在所述腔 体外壁上，每一对所包含的两个止停球对称分布在所述腔体相对部位上。
[0033] 优选的，上述深孔内径测量系统中：
[0034] 多个电涡流位移传感器成对分布在所述旋转测量盘的圆周上，每一对所包含的两 个电涡流位移传感器分布在所述旋转测量盘的同一直径上；
[0035] 所述测量计算模块包括处理模块，所述处理模块包括：
[0036] 归一化处理模块，用于对每一对所述电涡流位移传感器获取的电压信号进行归一 化处理，归一化后各路信号幅度都为单位幅度IV ;
[0037] 与所述归一化处理模块相连的第一均值模块，所述第一均值模块用于对经过归一 化处理的每一对所述电涡流位移传感器输出的电压信号取均值，得到一级电压均值信号；
[0038] 第二均值模块，用于对每一对所述电涡流位移传感器获取的一级电压均值信号取 均值，得到二级电压均值信号；
[0039] 积分处理模块，用于对所述二级电压均值信号进行积分处理以获得同被测直径相 对应的电压值。
[0040] 相比于【背景技术】而言，本发明实施例提供的深孔内径测量系统的测量主体可以沿 着深孔的轴线移动，不会受连接杆长度的限制，进而会拓宽系统的适用范围，同时由于没有 过长的连接杆存在，更不会因连接杆长度过长带来的较大挠性形变而影响测量精度。
[0041] 同时，测量主体通过电涡流传感器来测量深孔的内径，电涡流传感器将其探头与 深孔内壁之间的距离直接转换成为电信号，相比于【背景技术】中所述的气动测量装置而言， 减少了将距离转换为气压变化信号这一中间环节，进而能够减少这一环节所带来的误差， 从而能够提高测量精度。而且，相比于旋转供气的复杂的气路结构，本发明提供的深孔内径 测量系统的结构更加简单，稳定性更好。
[0042] 本实施例中，电涡流位移传感器为非接触式测量，能够避免接触测量对深孔内壁 的损伤。电涡流位移传感器基于简单的LC串联谐振原理，电路结构形式简单，便于组成多 个电涡流位移传感器阵列形式。
[0043] 本发明实施例提供的优选方案中，多个电润流位移传感器成对分布，每一对分布 在旋转测量盘同一圆周的直径两端，便于后续多信号的归一化处理、平均处理，以消除旋绝 大部分测量系统误差而提高测量精度。同时本系统的电涡流传感器能够实现在1_测量范 围内20mv/ μ m的较高灵敏度。
[0044] 本发明实施例提供的优选方案中，旋转测量盘转动，电涡流位移传感器在转动过 程中输出的电压信号具有周期特性，将多头信号进行同步采样，归一化处理、平均处理等处 理措施后可以实现测量系统误差的分离从而能够提高测量精度，这些处理方法能够降低测 量系统对机械精度的要求。
[0045] 本发明实施例提供的优选方案中，电涡流位移传感器输出的电压信号通过无线和 有线相结合的方式从测量主体传输至深孔外的测控装置，保证了信号传输的稳定可靠。
[0046] 本发明实施例提供的优选方案中，旋转测量盘直接由印刷电路板PCB制成，电涡 流位移传感器、电光转换发射器等都设置在PCB上，因而整个旋转测量盘质量较轻，结构简 单，这能够避免采用质量较大的金属旋转测量盘带来的质量大、电路板安装等问题。另外， 旋转测量盘上的电涡流电路供电为电池供电电源，能够避免现场电磁干扰和市电作为电源 存在的电磁干扰问题以及若采用市电供电需要供电滑环等使得电路系统结构复杂的问题。
[0047] 为了实现对深孔的测量，测量主体需要沿着深孔的轴心线移动，而如果旋转测量 盘的旋转中心线与深孔的轴心线不平行，则会使得被测量的截面不是深孔内径的法向截 面。本发明实施例优选的方案中，采用三排橡胶滚轮来支撑，而且每个支撑滚轮均配有压缩 支撑弹簧，多个位置实现支撑具有平均效应，而且各个支撑位置具有弹性使得多点支撑不 会导致过定位，因而可以减小内孔壁的形状误差及测量主体安装不足所带来的影响，使得 旋转测量盘的中心线与深孔的轴心线尽量平行，减少其对测量结果的影响，进而可以提高 测量精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0048] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动 的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0049] 图1是本发明实施例提供的深孔内径测量系统的结构示意图；
[0050] 图2是本发明实施例提供的图1内止停球驱动装置的电磁止停结构示意图；
[0051] 图3是本发明实施例提供的深孔内径测量系统旋转测量盘上各个器件布置的结 构示意图；
[0052] 图4是本发明实施例提供的深孔内径测量系统的旋转测量盘及其回转驱动装置、 测量数据光电无线传输部分的结构示意图；
[0053] 图5是本发明实施例提供的多个电涡流位移传感器的电路原理图；
[0054] 图6是本发明实施例提供的深孔内径测量系统的测量主体位于深孔内的一种状 态不意图；
[0055] 图7是本发明实施例提供的处理模块处理电压信号的前后变化示意图。
【具体实施方式】
[0056] 本发明实施例提供了一种深孔内径测量系统，以解决目前无法较好实现较长深孔 内径的测量和深孔内径测量精度低的问题。
[0057] 为了使本【技术领域】的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实 施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中的技术 方案作进一步详细的说明。
[0058] 请参考附图1，图1示出了本发明实施例提供的深孔内径测量系统的结构示意图。 图1所示的结构包括测量主体和测控装置1。
[0059] 测量主体是整个深孔内径测量系统中实现测量运动以及测量信号获取、传输、预 处理功能的部分。测量主体位于深孔21中，能够沿着深孔21的轴线方向移动，进而改变其 在深孔21中的位置。测量主体包括腔体3、至少三排支撑滚轮6、至少三个止停球、旋转测 量盘4、旋转测量盘4上同一圆周的径向方向可以均布有多个电涡流位移传感器5、止停球 驱动装置、驱动轮驱动装置和测量盘驱动装置。
[0060] 腔体3是整个测量主体部件安装的结构基础。腔体3通常为圆筒状，只要是能够 保证腔体3能够在深孔21中移动，且不影响整个深孔内径测量系统的其它部件正常工作的 形状均可作为腔体3的形状，例如方筒形状，本实施例不限制腔体3的形状。
[0061] 至少三排支撑滚轮6布置在腔体3的外侧且与深孔21的内壁紧密接触以支撑测 量主体。多个支撑滚轮6中的一个作为驱动轮带动测量主体沿深孔轴线方向移动。通常， 支撑滚轮6为三排，均匀分布在腔体3外侧，如图1所示。为了实现对测量主体更加均匀稳 定地支撑，支撑滚轮6优选为多排。更为优选的，腔体3为圆筒状，多排支撑滚轮6均匀分 布在腔体3的外侧。为了降低支撑滚轮6滚动过程中对深孔21内壁的损伤，支撑滚轮6优 选采用非硬质材料滚轮，例如弹性滚轮，具体的，弹性滚轮可以为橡胶滚轮。
[0062] 驱动轮驱动装置用于驱动驱动轮转动，使得测量主体沿着深孔21的轴线方向移 动。驱动轮驱动装置有多种，请参考附图1，本发明实施提供了一种驱动轮驱动装置。所提 供的驱动轮驱动装置包括轴向移动驱动电机8和第一传动机构，第一传动机构的动力输入 轴与轴向移动驱动电机8的动力输出轴传动相连，第一传动机构的动力输出轴与驱动轮的 的转轴相连，以驱动转轴带动驱动轮转动而使得测量主体轴向移动。本实施例中，第一传动 机构可以为链传动机构、带传动机构或齿轮传动机构。为了与后文中的齿轮传动机构区分， 此处的齿轮传动机构为第一齿轮传动机构9 (如图1所不）。本实施例不限制第一传动机构 的具体种类。
[0063] 由于安装误差及深孔形状误差的存在，若不采用弹性支撑的直接支撑形式会导致 所有支撑滚轮6很难都与深孔21的内壁实现紧密接触，这一方面会导致对测量主体的支撑 不稳定，另一方面会导致测量主体轴线与深孔轴线不平行而引起测量系统误差无法通过多 头平均的方法加以滤除。为了解决此问题，本发明实施例提供的内径测量系统还包括压缩 支撑弹簧10。压缩支撑弹簧10连接支撑滚轮的转轴和腔体3之间，其通过自身弹力使支撑 滚轮6与深孔21的内壁之间实现紧密接触。
[0064] 止停球通过弹性支撑条连接于腔体3的基体上，用于与深孔21的内壁贴紧止停或 分离，从而实现对测量主体的止停。优选的，止停球至少为三个，以提高止停平稳性。为了减 轻摩擦制动对深孔21内壁的磨损，止停球优选为弹性件，例如橡胶摩擦球7 (如图1所示）。 [0065] 止停球驱动装置用于驱动止停球与深孔21内壁贴紧止停或分离。请参考附图2， 本发明实施例提供了一种具体结构的止停球驱动装置。所提供的止停球驱动装置包括连接 杆20、钢球、弹性支撑条19、电磁铁18和电磁铁控制器。其中，钢球通过连接杆20与止停球 相连，弹性支撑条19设置在腔体3内，弹性支撑条19 一一对应地连接在连接杆20上，用于 使得止停球处于与深孔21的内壁贴紧止停的状态。电磁铁18设置在腔体3上，且在通电状 态下通过吸附钢球而使得止停球与深孔21的内壁分离。电磁铁控制器与电磁铁18相连， 用于通过控制电流通断来实现电磁铁18通断电状态的切换。本实施例中所有的弹性支撑 条19总体形状呈伞形骨架结构，伞形骨架结构使得止停球轴向刚度较高而径向刚度较低， 其双向刚度加大差别有利于可靠地实施止停和关闭止停的动作，当伞形骨架处于自由状态 时，止停球与深孔21的内壁处于贴紧止停的状态。
[0066] 上述止停球驱动装置控制如下：电磁铁控制器控制电磁铁18通电，电磁铁18通电 后对钢球起到吸附作用，由于钢球通过连接杆20与止停球相连，所以钢球的运动势必带着 止停球向着靠近电磁铁18的方向移动，进而使得止停球与深孔21的内壁分离，达到解除止 停的目的。当需要对测量主体止停时，电磁铁控制器控制电磁铁18断电，进而使得电磁铁 18对钢球的吸力消除，止停球在弹性支撑条19的弹性回复力的作用下重新回弹，进而使得 止停球处于与深孔21内壁贴紧止停的状态。
[0067] 通常，一个止停球对应一个止停球驱动装置，本实施例优选的方案中，电磁铁18 设置在腔体3的中轴线上，且为环状结构，进而使得多个止停球驱动装置能够共用一个电 磁铁18,最终能够避免各个电磁铁18通电不同步导致对各个止停球驱动不同步带来的制 动稳定性问题。为了减轻整个测量主体的质量，上述钢球优选采用空心钢球17(如图2所 示）。
[0068] 旋转测量盘4设置在腔体3的一端，其转动平面与深孔21的轴线垂直。旋转测量 盘4的盘缘上设置有多个用于测量深孔21内径的电涡流位移传感器5。电涡流位移传感 器5能静态和动态地以非接触方式测量被测体距探头表面的距离，其工作原理及测量距离 前需要进行传感器的标定过程为公知技术。电涡流位移传感器具有高线性度、高分辨力的 特点。本实施例中，电涡流位移传感器5的探头距旋转测量盘4中心的距离，也就是测头所 能测量的最小内孔的半径（后文简称侧头半径R)是通过测量已知标准孔内径事先标定的 方法获得，即图7中的侧头半径R与其所对应输出的初始电压信号间的对应关系需事先确 定。因为这样，间隙h(即深孔21的内壁距离电涡流位移传感器5的探头之间的间隙）与 探头输出的相对起始电压信号的变动之间的关系是线性对应关系，通过检测测头相对起始 电压信号的变动量就能够能够得到被测间隙h，起始电压加上相对起始电压的变动量与测 头半径加上与被测孔之间的间隙h即被测孔半径之间的关系也是线性对应关系，所以通过 检测测头输出的电压信号的变动就可以得出被测孔的内径。
[0069] 测量盘驱动装置用于驱动旋转测量盘4转动。测量盘驱动装置的种类有很多种， 本实施例提供了一种具体的测量盘驱动装置。请参考附图1，所提供的测量盘驱动装置包 括旋转驱动电机11、第二传动机构和旋转轴13。其中，第二传动机构的动力输入轴与旋转 驱动电机11的动力输出轴相连，旋转轴13与第二传动机构的动力输出轴相连，且外伸于腔 体3端面，旋转测量盘4固定在旋转轴13的端部。旋转驱动电机11通过第二传动机构带 动旋转轴13转动，进而带动旋转测量盘4转动。本实施例中，第二传动机构可以为链传动 机构、带传动机构或齿轮传动机构（即第二齿轮传动机构12,如图1所示）。本实施例不限 制第二传动机构的具体种类。
[0070] 优选的，旋转测量盘4为印刷电路板PCB，具体可以为圆形PCB。PCB质量较轻，能 够方便被驱动旋转。更为优选的方式为：多个电涡流位移传感器5按径向均布在旋转测量 盘4的圆周上。另一种更为优选的方式为：多个电涡流位移传感器5成对分布在旋转测量 盘4的圆周上，每一对所包含的两个电涡流位移传感器5分布在旋转测量盘4的直径线两 端。请参考附图3, 一种具体的方式为，电涡流位移传感器5的数量为8个，以45°的角度 间隔均匀分布在旋转测量盘4上。请再次参考附图3,本实施例提供的旋转测量盘4可以由 市电供电，为了避免由于市电供电导致的电路噪声以及接线后旋转测量盘4旋转导致的线 路干扰，旋转测量盘4设有为电涡流传感器供电的电池41。
[0071] 测控装置是整个深孔内径测量系统的信号处理主体部件，通常位于深孔21之外。 测控装置通常以计算机为主体实现。测控装置包括第一控制模块、第二控制模块、第三控制 模块和测量计算模块。第一控制模块用于控制止停球驱动装置启闭。第二控制模块用于驱 动驱动轮驱动装置启闭，第三控制模块用于控制测量盘驱动装置启闭，测量计算模块用于 接收并处理电涡流位移传感器5输出的电压信号和计算得出深孔21内径，即深孔的直径， 深孔的直径=(侧头半径R+间隙h)*2,当然，间隙h与探头输出的电压信号之间的换算关 系已知，由测量计算模块完成。
[0072] 本发明中，深孔21指的是孔深超过3米的金属材料构成的深孔，对于长度不超过 3米，测量主体能够进入测量的金属材料构成的深孔，本发明也适用。但对于金属材料构成 的深孔21来说，一方面由于空间长而窄使得直接采用无线电传输信号方式变得不可行，另 一方面因测量需要转动使得直接采用有线传输信号的方式需安装导电滑环导致信号传输 中引入干扰。为了解决此问题，本发明实施例中，整个系统的信号传输方式为无线、有线相 结合的传输方式，测量主体内为光学无线传输，信号传输的基本过程为电信号变为光信号 发射，然后光信号无线传输，最后光接收转换为电信号。测量主体与测控装置1之间的有线 传输则以电缆有线的方式传输。测量主体的旋转测量盘4的测量电路功率消耗低，为了减 小电源引入的测量误差，且因为旋转测量盘4需要旋转运动，所以用电池为其供电。测量中 各个运动实现的驱动装置及部件因为需要消耗相对较大的功率，则由测控装置1通过电缆 提供的电源为测量主体的各个驱动装置供电。为了使供电电缆和通信电缆不影响测量主体 的移动，测控装置1与测量主体之间通过柔性的电信号复合缆相连。需要说明的是，此处的 电信号复合缆指的是集电缆和信号线于一体的复合型线缆，保证有线传输信号的同时，还 能够实现输电。
[0073] 本发明实施例提供的内径测量系统的工作过程为：测控装置1中的第一控制模块 发出控制信号使得止停球驱动装置驱动止停球与深孔21的内壁分离，进而使得整个测量 主体可以轴向移动，第二控制模块发出控制信号控制驱动轮驱动装置驱动驱动轮转动，进 而带动测量主体沿着深孔21的轴线方向移动以达到指定的测量位置。然后，第二控制模块 继续发出控制信号控制驱动轮驱动装置停止驱动驱动轮，第一控制模块发出控制信号使得 止停球驱动装置驱动止停球向上弹出使得止停球处于与深孔21的内壁贴紧而处于止停的 状态。第三控制模块控制测量盘驱动装置开启以驱动旋转测量盘4转动。分布在旋转测量 盘4上的电涡流位移传感器5随旋转测量盘4转动，多个电涡流位移传感器5转动一周进 行测量，然后各个电涡流位移传感器5的电路分别输出各个电涡流位移传感器得到的同被 测直径相关的电压信号，测控装置1的测量计算模块对接收各个电涡流位移传感器5输出 的电压信号，用于计算深孔21的内径。
[0074] 电涡流位移传感器5输出的电压信号需要传输给测控装置1以进行处理。我们知 道，旋转测量盘4工作时需要旋转，若将电涡流位移传感器5通过有线的方式实现信号的外 传，那么各个电涡流位移传感器5与测控装置连接的线缆在旋转测量盘4旋转的状态下会 造成缠绕，使得测量无法进行，而如果采用导电滑环的方式传输电信号，则信号会受滑环的 影响而受干扰较大。但是，普通的无线信号传输方式（例如电磁波无线传输方式）的信号 传输则会受深孔21长而窄且是金属材料的限制而无法传输。为了解决此问题，本发明实施 例提供的内径测量系统中，旋转测量盘设置有电光转换发射器14,电光转换发射器与电涡 流位移传感器5相连，用于将各个电润流位移传感器5输出的电压信号转换为光信号并将 光信号发出。腔体3内设置有光电转换接收器15,腔体3内设置有光传输通道301，光电转 换接收器15和电光转换发射器14位于光传输通道的两端，光电转换接收器15接收电光转 换发射器14发出的光信号并将光信号转换为电信号。
[0075] 更为优选的，深孔内径测量系统还可以包括信号预处理模块16,信号预处理模块 16设置在光电转换器和测量计算模块之间，用于对光电转换器转换得到的电信号实施预处 理。所述预处理可以为滤波、去噪等处理。基于此，止停球驱动装置、驱动轮驱动装置、测量 盘驱动装置和信号预处理模块16通过一体式柔性电信号复合缆2与测控装置1中的各个 相对应的模块相连。
[0076] 通常，电光转换发射器14用于将电涡流位移传感器5输出的电压信号转换为激光 信号或红外光信号，相对应的，电光转换发射器14为激光发射器或红外光发射器，光电转 换接收器15为激光接收器或红外光接收器。
[0077] 电涡流位移传感器5是实现深孔21内径测量的最为核心和关键的部件，高灵敏度 和线性好是获取高精度测量结果的必要性指标。请参考附图5,图5示出了本发明实施例 多个电涡流位移传感器的电路结构图。本发明实施例提供的深孔内径测量系统中，多个电 涡流位移传感器5共用一个CPLD可编程数字信号发生器51，每个所述电涡流位移传感器5 包括依次串联的信号放大及谐波化电路52、LC串联谐振电路53和用于将谐振信号转换为 位移电压信号的转换电路54,转换电路包括依次串联的整形检波电路541、滤波电路542和 模拟数字变化电路543,所述信号放大及谐波化电路52与CPLD可编程数字信号发生器51 连接，每个所述电涡流位移传感器5的模拟数字变化电路543均通过数据同步锁存器55与 所述电光转换发射器22相连。
[0078] 图5所示电路的基本原理是：CPLD可编程数字信号发生器51产生与LC串联谐 振电路53谐振信号周期一致的方波信号，方波的基波频率为LC串联谐振的实际测试值一 致。为了消除多余的谐波成份，方波信号经过信号放大及谐波化电路52后滤除高频谐波成 份变为以基频为主的谐波信号进入LC串联谐振电路53，LC串联谐振电路53的电涡流线圈 531直接作为位移测量头（即电涡流位移传感器5的探头）使用。当位移（即探头与深孔 21的内壁之间的距离）发生变化时，电涡流线圈531的电感值会发生变化，从而使得LC串 联谐振电路53的谐振频率发生变化。由于激励频率不变，则L或C上的谐振电压值将会改 变，测量L和C的谐振信号的有效值，将位移信号转变为电压信号。具体的转换过程中，由 转换电路54实现，即依次对通过整形检波电路541、滤波电路542和模拟数字变化电路543 处理后得到数字电压信号，然后通过与电光转换发射器22连接的数据同步锁存器55依次 锁存。电光转换发射器22对数据同步锁存器55中的电压值依次实施电光转换，转换为光 信号后通过电光转换发射器14按照光学方式无线发射。
[0079] 本发明实施例中，电涡流位移传感器5的电路采用简单的LC串联谐振原理，LC串 联谐振电路53具有较高的灵敏度，LC串联谐振电路53的外部激励源为CPLD可编程数字 信号发生器51，可编程电路特性使得调整CPLD输出信号的频率与LC谐振电路的谐振频率 为一致变得容易。另外，LC串联谐振电路53的激励振荡源为CPLD可编程数字信号发生器 51，其是外部是激励振荡源，可以克服自激励电路工作现场容易失振导致无法工作的缺点。
[0080] 多个电涡流位移传感器5共用一个CPLD可编程数字信号发生器51，也可以各自单 设一个对应的CPLD可编程数字信号发生器51。本实施例中多个电涡流位移传感器由于谐 振的频率不一致，但是差异不大，所以CPLD可编程数字信号发生器51的信号发生机制为基 本频率加调整频率的方式，因调整频率数值小可以节约CPLD可编程数字信号发生器51的 资源而能够实现较多路的信号输出。
[0081] 在实际的测量过程中，测量主体的轴线可能与深孔21的轴线一般平行但是不重 合，如图6所示，深孔21轴线的轴心为V，旋转测量盘4轴线的轴心为〇,两个轴心不重 合将会引起测量误差。为了解决此类安装所致的系统误差问题，本系统以多个电涡流测量 传感器均布的多侧头信号取平均的方法来减小或消除此类系统误差。本系统的多侧头取平 均方法的具体实施方案为多头，即8个电涡流位移传感器5均布的方式来说明，8个电涡流 位移传感器成对分布在旋转测量盘4的同一个圆周上，每一对所包含的两个电涡流位移传 感器5分布在旋转测量盘4某条直径的两端。8个电涡流位移传感器5形成4对电涡流位 移传感器对，即第一传感器对、第二传感器对、第三传感器对和第四传感器对。上述的多个 电涡流位移传感器5会产生多路信号，但是多侧头测量取平均的方法需要各路信号幅度相 等。目前常采用幅度稳定自动增益控制电路达到信号幅度稳定的目的，但是此种处理方式 的电路结构较为复杂，而且稳幅性能较差。
[0082] 为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种数字处理方式。具体体现在测量计 算模块构造的改变。本发明实施例提供的测量计算模块包括处理模块，处理模块用于对电 压信号实施处理。所述的处理模块包括归一化处理模块、等幅处理模块和第一均值模块。其 中，归一化处理模块，用于对每一对电润流位移传感器5输出的电压信号进行归一化处理； 信号经过归一化处理后，旋转测量盘4直径方向分布一对电涡流位移传感器5获取的两路 电压信号等幅，幅度的单位为IV，以消除电涡流传感器5的电涡流线圈531灵敏度差异及标 定等因素会引入的系统误差。第一均值模块与归一化处理模块相连，用于对经过归一化处 理的每一对所述电涡流位移传感器输出的电压信号取均值，得到一级电压均值信号。经过 第一均值模块处理后深孔21的轴心与旋转测量盘4的轴心不重合所导致的误差信号将被 较大程度地分离滤除。如图7所示，图7中，第一传感器对电压信号a和电压信号b，经过归 一化处理模块处理后，电压信号b变成电压信号c，通过第一均值模块处理后，得到电压信 号b和电压信号c的一级电压均值信号d从图中可以看出，一级电压均值信号d更接近于 理想的直流信号e，可见电压信号经过上述处理后能够较大程度地减小系统误差，从而提高 测量精度。
[0083] 本实施例提供的处理模块还可以包括第二均值模块和积分处理模块，第二均值模 块用于对每一对电涡流位移传感器5获取的一级电压均值信号取均值，得到二级电压均值 信号，第二均值模块能够进一步以最大程度地消除由其它因素所致的中高频谐波误差分 量。积分处理模块用于对二级电压均值信号进行积分处理，积分处理模块能够进一步减小 二级电压均值信号的误差分量，使得处理后的电压信号更接近理想信号。具体的积分处理 模块可以按照下面公式（1)进行。
[0084]
【权利要求】
1. 深孔内径测量系统，其特征在于，包括能够位于深孔（21)内，且沿所述深孔（21)轴 线方向移动的测量主体及位于所述深孔（21)外，且与所述测量主体相连的测控装置（1); 所述测量主体包括： 腔体（3)，为圆筒状； 均匀布置在所述腔体（3)外的至少三排支撑滚轮￠)，三排所述支撑滚轮（6)用于与所 述深孔（21)的内壁多点贴合以支撑所述测量主体，所述支撑滚轮中的一个为驱动轮以驱 动所述测量主体沿深孔轴向移动； 均匀分布在所述腔体（3)外的至少三个止停球； 设置在所述腔体（3) -端的旋转测量盘（4)，所述旋转测量盘（4)的转动平面与所述深 孔（21)的轴线垂直，所述旋转测量盘（4)径向安装有多个电涡流位移传感器（5)，所述电涡 流位移传感器（5)用于检测其距所述深孔（21)内壁距离的电压信号； 用于驱动所述止停球与所述深孔（21)内壁贴紧摩擦，用于止停或分离的止停球驱动 装置； 用于驱动所述驱动轮使得测量主体沿所述深孔（21)轴向移动的驱动轮驱动装置； 用于驱动所述旋转测量盘（4)转动的测量盘驱动装置；所述测控装置（1)包括用于 控制止停球驱动装置启闭的第一控制模块，用于控制所述驱动轮驱动装置启闭的第二控制 模块，用于控制所述测量盘驱动装置启闭的第三控制模块和用于对所述电涡流位移传感器 (5)输出的电压信号处理，以计算所述深孔（21)内径的测量计算模块。
2. 根据权利要求1所述的深孔内径测量系统，其特征在于，所述驱动轮驱动装置包括： 轴向移动驱动电机（8); 动力输入轴与所述轴向移动驱动电机（8)的动力输出轴传动相连的第一传动机构，所 述第一传动机构的动力输出轴与所述驱动轮的驱动转轴相连。
3. 根据权利要求2所述的深孔内径测量系统，其特征在于，所述深孔内径测量系统还 包括设置在所述支撑滚轮（6)的转轴和所述腔体（3)之间的压缩支撑弹簧（10)，所述压缩 支撑弹簧（10)用于通过自身弹力使所述支撑滚轮（6)弹性贴附于所述深孔（21)的内壁。
4. 根据权利要求1所述的深孔内径测量系统，其特征在于，所述测量盘驱动装置包括： 旋转驱动电机（11); 动力输入轴与所述旋转驱动电机（11)的动力输出轴传动相连的第二传动机构； 与所述第二传动机构的动力输出轴相连，且外伸于所述腔体（3)端面的旋转轴（13)， 所述旋转测量盘（4)固定在所述旋转轴（13)的端部。
5. 根据权利要求4所述的深孔内径测量系统，其特征在于，所述旋转测量盘（4)直接由 印刷电路板PCB制成，多个所述电涡流位移传感器（5)径向均布在所述旋转测量盘（4)的 同一圆周上，且所述旋转测量盘（4)设有为所述电涡流位移传感器（5)供电的电池（41)。
6. 根据权利要求5所述的深孔内径测量系统，其特征在于： 所述旋转测量盘（4)设置有电光转换发射器（14)，所述电光转换发射器（14)与所述电 涡流位移传感器（5)的数字信号输出电路相连，用于将所述电涡流位移传感器（5)输出的 电压信号转换为光信号，并发射输出； 所述腔体（3)内设置有光电转换接收器（15)、信号预处理模块（16)，所述腔体（3)设 置有光传输通道（301)，所述光电转换接收器（15)和电光转换发射器（14)位于所述光传输 通道（301)的两端，所述光电转换接收器（15)用于接收所述光信号并转换为电压信号；所 述信号预处理模块（16)与所述测量计算模块相连，用于对所述电压信号实施预处理。
7. 根据权利要求6所述的深孔内径测量系统，其特征在于，多个所述电涡流位移传感 器（5)共用一个CPLD可编程数字信号发生器（51)，每个所述电涡流位移传感器（5)包括 依次串联的信号放大及谐波化电路（52)、LC串联谐振电路（53)和用于将谐振信号转换为 位移电压信号的转换电路（54)，所述转换电路（54)包括依次串联的整形检波电路（541)、 滤波电路（542)和模拟数字变化电路（543)，所述信号放大及谐波化电路（52)与所述CPLD 可编程数字信号发生器（51)连接，每个所述电涡流位移传感器（5)的模拟数字变化电路 (543)均通过数据同步锁存器（55)与所述电光转换发射器（22)相连。
8. 根据权利要求1所述的深孔内径测量系统，其特征在于，所述止停球驱动装置包括： 通过连接杆（20)与所述止停球--对应相连的空心钢球（17); 设置在所述腔体（3)内的弹性支撑条（19)，所述弹性支撑条（19) 一一对应地连接于所 述连接件（20)上，用于使所述止停球处于与所述深孔（21)内壁贴紧止停的状态； 设置在所述腔体（3)上，且在通电状态下通过吸附所述空心钢球（17)而使得所述止停 球与所述深孔（21)的内壁分离的电磁铁（18);和 用于控制所述电磁铁（18)通断电状态切换的电磁铁控制器。
9. 根据权利要求8所述的深孔内径测量系统，其特征在于，所述止停球为橡胶摩擦球 (7)，成对布置在所述腔体（3)外壁上，每一对所包含的两个止停球对称分布在所述腔体 (3)相对部位上。
10. 根据权利要求1所述的深孔内径测量系统，其特征在于： 多个电涡流位移传感器（5)成对分布在所述旋转测量盘（4)的圆周上，每一对所包含 的两个电涡流位移传感器（5)分布在所述旋转测量盘（4)的同一直径上； 所述测量计算模块包括处理模块，所述处理模块包括： 归一化处理模块，用于对每一对所述电涡流位移传感器获取的电压信号进行归一化处 理，归一化后各路信号幅度都为单位幅度IV ; 与所述归一化处理模块相连的第一均值模块，所述第一均值模块用于对经过归一化处 理的每一对所述电涡流位移传感器（5)输出的电压信号取均值，得到一级电压均值信号； 第二均值模块，用于对每一对所述电涡流位移传感器（5)获取的一级电压均值信号取 均值，得到二级电压均值信号； 积分处理模块，用于对所述二级电压均值信号进行积分处理以获得同被测直径相对应 的电压值。
【文档编号】G01B5/12GK104089561SQ201410369762
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】高宏堂, 叶孝佑, 王鹤岩 申请人:中国计量科学研究院