第７期刘力双，吕乃光等：一种非接触高精度平面高度差检测方法１６４５
板面积Ｓ和介电常数ｅ成正比．当电容传感器的极板间距、面积或介质发生变化时，电容也会发生变化．近年来随着电子技术的发展，电容传感器产品不断在科研、生产中得到应用［１书］，传感器的精度和稳定性也在不断提高［７。
９］．电容传感器具有结构简单、分辨率高和可实现非接触式测量等优点．电容传感器本身也有其明显的缺点，量程小、被测物必须为导体，测量容易受外界环境干扰，随着温度、湿度等外界环境的变化传感器的输出会有一定的漂移．
２平面高度差测量原理
２．１基本原理
两个平面之间距离的非接触测量，如果采用光学方法，必须进行多点测量，测量过程复杂且对被测平面的光学特性要求严格．由于电容传感器的测量本身具有面平均效应，所以使用电容传感器测量平面位置比较合适．平面高度差测量仪器采用了五个电容传感器进行组合测量，测头结构如图２所示，将５套电容传感器安装在同一平面上，五个电容传感器首先调整在同一平面上，如图２所示，四个传感器围绕中心传感器作等距分布．用中心电容传感器Ｃ５对工件中心距离进行测量，其它电容传感器对工件外围表面进行测量，测量原理如图３所示．
图２电容传感器分布图
图３平面高度差测量原理
由于工件的中心部分为光学镜面不导电，而电容传感器要求被测面为导体，所以在光学镜面上放置一精密加工且厚度经过精密检定的金属标准块作为电容的电极；由于电容测微仪的量程有限，且具有一定的非线性，所以标准块的厚度选择与被测高度差Ｄ相近．由于五个电容传感器处于相同的测量环境中，对环境的敏感是同向的，即环境温度、湿度等的变化引起传感器数据一起变大或变小．这样利用多传感器组合测量，由于测量结果是中心传感器数据与四周传感器数据平均值的差值，从而抵消了单一传感器数据的漂移，提高了测量的稳定性．理想情况下，当调整仪器测头所在平面与金属上表面（基准面）平行时，传感器分别测得距离为ｄ·～ｄｓ，则此时平面高度差：
Ｄ：识一鱼ｊ』生丰旦世＋ｄ（２）
４
２．２传感器共面性调整
上述测量方法中，五个电容传感器调节至同一平面是实现测量的关键．调整时不能采用接触式调整法，即将五个传感器平面同时搁置在平板上调整共面．实际调整过程中接触式调整会有较大的接触力，调整过程时，根本无法掌握测头与测量面的接触情况，而且容易发生倾斜，即使五个传感器同时接触上仍然无法保证传感器在同一平面上，因而接触式调整方法不可取．
本文利用电容传感器非接触测量的特性设计了共面调整方法，调整示意图如图４所示．制作一块专用标准平板，经过计量院检定，平面度１肚ｍ．因为电容传感器的测量是利用极板间的整体有效面积，是一种平均效应测量法，因而该平板可视为绝对平板，即高度差为零．利用三个等厚块规，厚度约４ｍｍ，垫在乎板与测头之间，这样使得单个传感器有效面所在平面就都与标准平面平行，此时只需调节安装传感器的调节螺钉，调节传感器的上下位置，调节过程中计算机采集传感器的输出数据，通过标定好的系数换算出传感器与标准面之间的距离，当五个传感器距离相等时（实际调节过程中根据传感器的测量范围该距离选取为１．４ｍｍ），便说明五个电容传感器测头处于同一平面上．
图４传感器共面性调整示意图
２．３测量时测头与基准面平行的调整
根据测量原理，除了传感器本身要安装在同一平面上，测量时还必须使得传感器测头所在平面与被测
基准面（本工件为金属上表面）保持平行，并且两平面
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刘力双（１９８１一），男，黑龙江省青冈县人，
博士，北京机械工业学院电子信息工程
系讲师，研究方向为视觉检测及精密测
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一种非接触高精度平面高度差检测方法
作者：刘力双， 吕乃光， 孙双花， 王宝光， LIU Li-shuang， LV Nai-guang， SUN Shuang-hua， WANG Bao-guang
作者单位：刘力双,吕乃光,LIU Li-shuang,LV Nai-guang(北京机械工业学院电子信息工程系,北京,100085)， 孙双花,王宝光,SUN Shuang-hua,WANG Bao-guang(天津大学精密测试技术与仪
器国家重点实验室,天津,300072)
刊名：
传感技术学报
英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS
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本文链接：/Periodical_cgjsxb200707043.aspx。