基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器.pdf

基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器属于精密仪器与测量技术领域，其测头由球形测端、测杆、信号导线、等位驱动管、绝缘部件、测杆装卡机构和测头主体构成，信号导线、等位驱动管和测杆同轴装配，三者通过绝缘部件相互绝缘定位，在绝缘部件端部安装球形测端，球形测端的外表面设有球形电容极板，并通过信号导线输出传感信号；传感器采用电容信号转换与处理电路，并采用等位驱动与屏蔽消除寄生电容和空间电磁干扰的影响；本发明最大可测深径比可达到100∶1以上，分辨力可达纳米量级，且在空间三维任意方向都具有一致的传感特性，为具有大深径比与深宽比的深孔、狭槽及内腔体零件的高精度测量提供了一种有效的传感器。

1.  一种基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器，包括测头(12)与信号转换与处理电路(13)，其特征在于：测头(12)由球形测端(5)、测杆(6)、信号导线(7)、等位驱动管(8)、绝缘部件(9)、测杆装卡机构(10)和测头主体(11)装配构成，其中，信号导线(7)装配在等位驱动管(8)内，等位驱动管(8)装配在测杆(6)内，信号导线(7)与等位驱动管(8)、等位驱动管(8)与测杆(6)之间通过绝缘部件(9)相互绝缘定位，测杆(6)装卡在测杆装卡机构(10)上，测杆装卡机构(10)安装在测头主体(11)上；在绝缘部件(9)端部连接安装球形测端(5)，球形测端(5)的外表面设有球形电容极板，测杆(6)、等位驱动管(8)与球形电容极板相互绝缘，信号导线(7)与球形电容极板电气连接；信号转换与处理电路(13)采用电容信号转换与处理电路，等位驱动管(8)通过电容信号转换与处理电路(13)中的等位驱动电路实现与信号导线(7)等电位，测杆(6)在电气上接大地(15)。

2.  根据权利要求1所述的基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器，其特征在于所述测杆装卡机构(10)由锁紧螺钉(18)、压垫(17)和锥形锁紧套(16)构成，锥形锁紧套(16)的内圆柱面与测杆(6)间隙配合，外锥面与测头主体(11)的内锥面配合；锥形锁紧套(16)一侧设有开口(19)，且在与开口(19)等间隔位置处设有减压槽(20)，锁紧螺钉(18)的外螺纹与测头主体(11)上的内螺纹装配配合，在锥形锁紧套(16)与锁紧螺钉(18)之间安装由弹性材料制作的压垫(17)。

3.  根据权利要求1所述的基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器，其特征在于所述球形测端(5)由导电金属、导电合金或在绝缘材料上镀导电薄膜构成。

4.  根据权利要求1所述的基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器，其特征在于所述等位驱动管(8)靠近球形测端(5)的位置成喇叭口结构。

5.  根据权利要求1所述的基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器，其特征在于所述信号导线(7)可以直接装配在测杆(6)内，二者之间通过绝缘部件(9)相互绝缘定位。

6.  根据权利要求1所述的基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器，其特征在于所述信号导线(7)与球形测端(5)的连接方式为焊接或机械连接。

7.  根据权利要求1所述的基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器，其特征在于所述电容信号转换与处理电路(13)与测头(12)通过三同轴电缆(14)相连，三同轴电缆(14)的外屏蔽层(26)、内屏蔽层(24)、芯线(22)分别与测杆(6)、等位驱动管(8)、信号导线(7)连接。

8.  根据权利要求1所述的基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器，其特征在于可以将所述的电容信号转换与处理电路(13)整体或电容信号转换与处理电路(13)的前端信号转换与处理部分直接装配在测头主体(11)内部。

9.  根据权利要求1所述的基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器，其特征在于所述电容信号转换与处理电路(13)为运算放大式电路或交流电桥式电路。

基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器
技术领域
本发明属于精密仪器与测量技术领域，特别是一种基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器。
背景技术
20世纪50年代末三坐标测量机出现以后，以三坐标测量机为代表的坐标测量设备迅速成为航空航天、汽车工业、精密制造等领域中各种复杂零件检测的工业标准。由精密测头和信号转换与处理电路组成的瞄准与测量传感器是坐标测量设备的技术核心，尤其精度1μm以上的计量型坐标测量机，大多采用复杂的具有亚微米精度的三维瞄准与测量传感器，其技术含量甚至超过测量机本身。近年来，具有大深径比与深宽比的深孔、狭槽及内腔体零件的广泛应用，对瞄准与测量传感器的可测深度和测量精度提出了新的挑战。
非接触式瞄准与测量传感器尤其是基于各种原理的光学传感器是近年来精密量仪厂家的研究重点，但光学式测头一般均存在难以深入内腔体测量的显著缺陷；同时无论是传统的“电眼”，还是最新研制出的各种光学传感器，受原理和技术限制，容易受被测工件材料特性和表面光洁度影响，其测头结构复杂，测量精度较低。目前非接触式瞄准与测量技术的主要发展方向是光学式二维测头，主要用于曲率不大、精度要求不高的外部轮廓与形状测量。
接触式瞄准与测量传感器的测头配合长测杆及延长杆，具有可深入深孔、狭槽及内腔体测量的技术优势，其技术相对成熟，应用非常广泛。接触式瞄准与测量传感器的测头一般由测端、测杆、敏感单元、测杆装卡机构、测头主体等部分组成，根据敏感单元的工作方式可分为触发式与扫描式两大类。
触发式测头(1.瑞士特莎有限公司，“触发探针及用于装配触发探针的方法”，中国专利申请号：02154364.X；2.成都司塔瑞测控工程有限公司，“新型三维电子触发测头”，中国专利申请号：03233026.X)的原理是当测端和被测工件接触时发出触发信号，通过测量机建立的坐标系确定接触点的坐标，根据敏感单元的原理又分为电接触式和固态传感式两大类。电接触式测头是在测头主体内部同一水平面内以120°均布3个定位柱，每个定位柱与其下面的2个支承球构成1对触点副，3对触点副在电气上串联构成闭合回路，当测端受测量力作用而使任意一个触点副断开，测头就发出触发信号。固态传感式测头是以应变片或压电传感器代替电接触式测头中的机械触点副，其触发更为灵敏，且大大减小了测头的各向异性和预行程变化，在测量力、重复性等指标上都较电接触式测头有了较大提高。
触发式测头结构简单，不需要复杂的信号转换与处理电路，成本较低，在三维测头中应用最为广泛，但其存在几个明显缺点：1)测量力引起的测杆弯曲严重影响测量精度，固态传感式测头更为灵敏，但其测量力一般很难低于0.01N量级，且易受干扰产生误触发；2)测头从接触工件到发出触发信号存在一定的预行程；3)测头不同方向的触测力与预行程存在差异，即存在各向异性，是重复性误差的最大来源。由于上述原因，触发式测头的精度很难突破微米量级的瓶颈。
扫描式测头(1.Renishaw plc，“Probe for High Speed Scanning”，国际专利申请号：PCT/GB2003/005317；2.Renishaw plc，“Capacitive Displacement Sensor”，国际专利申请号：PCT/GB02/00413)是接触式瞄准与测量传感器测头的另一个重要分支，与触发式测头不同的是其测端与被测件接触后，在发出瞄准信号的同时还要给出测端的微位移，即兼具瞄准和测微两种功能。三维扫描式测头的技术关键在于提供一种灵敏度高、直线度好的三维微导轨结构，根据敏感单元的原理主要有光电灵敏杠杆式、电感传感器式等种类。光电灵敏杠杆式测头是将传统光电灵敏杠杆的机械和光电转换部分集成到测头主体内部，如Renishaw SP80型测头采用三对平行片簧构成三维微导轨，将测杆和一立方反射镜刚性连接，立方反射镜的三个正交面上带有刻度，三个相应的读数头安装在测头主体侧壁上，实现测端位移的转换与输出。电感式三维测头是目前三维测头中精度最高的一种，它也是基于三维微导轨结构，但它三维上的微位移是用精密电感传感器测得，可达到纳米级分辨力与亚微米级精度，高精度电感式三维瞄准与测量传感器是目前计量型坐标测量机的技术核心。
扫描式测头能实现较低的测量力和较高的测量精度，尤其电感式三维测头能达到亚微米级精度。但扫描式测头用于大深径、深宽比内尺寸零件测量时存在下列问题：1)测量力很难低于0.01N量级，在对具有大深径比与深宽比的深孔、狭槽及内腔体零件进行测量时，测量力引起的测杆弯曲仍然是影响测量精度与可测深度最主要的因素，根据附图1所示仿真结果，测杆弯曲引入最大允许误差为50nm、材料弹性模量为200Gpa时，测杆长径比最大不能超过10∶1；2)一维测头较容易实现，且能达到较高的分辨力和精度，而三维测头结构十分复杂，且精度远远达不到一维测头的水平。目前，长径比大于6、测量不确定度优于0.1μm、扫描速度为(0.5～80)mm/s的“理想测头”仍然是国内外研究机构努力的目标。
现有的接触式测头由测端对工件进行触测，但敏感单元却布置在测头主体内部而远离触测点，从结构上看很不合理。为解决测量力引起测杆弯曲及测头高速运动时运动惯性对测量精度产生影响的问题，英国Renishaw公司于2007年提出了一种名为“测端敏感”的测头技术(Renishaw plc，“Surface Sensing Device with Optical Sensor”，国际专利申请号：PCT/GB2006/001534)，其原理如图2所示，测端上装有微小反射镜，测头主体内装有激光光源与位置传感器PSD，测杆中空，激光入射到测端的微小反射镜上再反射回PSD上，当测杆因测量力或运动惯性发生弯曲时，准确的测端位置可被PSD感知。“测端敏感”技术在原理上是精密测头的一次革命性进展，但现有“测端敏感”技术尚存在下列不足：1)PSD对测杆变形只在二维内敏感，而无法实现三维敏感；2)在对测杆变形进行补偿时，测杆变形只能视为线性弯曲，存在原理近似；3)测杆越长，补偿效果越差。其测量力与运动惯性引起的测杆变形仍然是影响测量精度与可测深径比最主要的因素。
发明内容
本发明的目的是针对航空航天、汽车工业、精密制造等领域中具有大深径比与深宽比的深孔、狭槽及内腔体零件精密测量的需求，提供一种基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器，以解决现有接触式瞄准与测量传感器存在各向异性、测量力引起的测杆变形严重影响测量精度，非接触式瞄准与测量传感器难以深入内腔体、测量精度较低等问题，从根本上解决现有技术中测量精度与可测深度的矛盾，为具有大深径比与深宽比的深孔、狭槽及内腔体零件的高精度测量提供了一种有效的三维超精密传感器。
本发明的技术解决方案是：
一种基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器，包括测头与信号转换与处理电路，测头由球形测端、测杆、信号导线、等位驱动管、绝缘部件、测杆装卡机构和测头主体装配构成，其中，信号导线装配在等位驱动管内，等位驱动管装配在测杆内，信号导线与等位驱动管、等位驱动管与测杆之间通过绝缘部件相互绝缘定位，测杆装卡在测杆装卡机构上，测杆装卡机构安装在测头主体上；在绝缘部件端部连接安装球形测端，球形测端的外表面设有球形电容极板，测杆、等位驱动管与球形电容极板相互绝缘，信号导线与球形电容极板电气连接；信号转换与处理电路采用电容信号转换与处理电路，等位驱动管通过电容信号转换与处理电路中的等位驱动电路实现与信号导线等电位，测杆在电气上接大地。
所述测杆装卡机构由锁紧螺钉、压垫和锥形锁紧套构成，锥形锁紧套的内圆柱面与测杆间隙配合，外锥面与测头主体的内锥面配合；锥形锁紧套一侧设有开口，且在与开口等间隔位置处设有减压槽，锁紧螺钉的外螺纹与测头主体上的内螺纹装配配合，在锥形锁紧套与锁紧螺钉之间安装由弹性材料制作的压垫。
所述球形测端由导电金属、导电合金或在绝缘材料上镀导电薄膜构成。
所述等位驱动管靠近球形测端的位置成喇叭口结构。
所述信号导线可以直接装配在测杆内，二者之间通过绝缘部件相互绝缘定位。
所述信号导线与球形测端的连接方式为焊接或机械连接。
所述电容信号转换与处理电路与测头通过三同轴电缆相连，三同轴电缆的外屏蔽层、内屏蔽层、芯线分别与测杆、等位驱动管、信号导线连接。
可以将所述的电容信号转换与处理电路整体或电容信号转换与处理电路的前端信号转换与处理部分直接装配在测头主体内部。
所述电容信号转换与处理电路为运算放大式电路或交流电桥式电路。
本发明的技术创新性及产生的积极效果在于：
(1)本发明提出了一种超精密非接触式三维传感方法。以球形电容极板作为敏感单元，以三同轴结构实现电容信号传输中的等位驱动与屏蔽，以电容信号转换与处理电路进行传感信号的高精度转换与处理，对被测件的位移、尺寸形状、位置或三维坐标等参数进行非接触式高分辨力瞄准与测量，彻底消除了接触式测量中触测力引起的测杆变形，其测端无摩擦、无磨损，最大可测深径比可达到100∶1以上，从根本上解决了现有技术中测量精度与可测深度的矛盾。这是本发明区别于现有技术的创新点之一。
(2)本发明提供了一种具有任意方向瞄准触发与测微功能的高精度三维测头。球形电容极板在空间三维任意方向都具有一致的传感特性，消除了现有瞄准测头存在各向异性、传感特性对测杆姿态敏感等问题，大大提高了测头重复装调后的测量重复性；本发明无需复杂的三维微导轨结构，测头中不存在运动副，结构简单可靠，易于集成，不存在机械惯性引起的动态误差和迟滞误差，其分辨力可达到纳米量级。这是本发明区别于现有技术的创新点之二。
(3)本发明中球形电容极板作为瞄准与测量传感器的敏感单元，与球形测端合二为一，避免了现有接触式瞄准与测量传感器由测端对工件进行触测、敏感单元却位于测头主体内而远离测量点的缺陷。这是本发明区别于现有技术的创新点之三。
附图说明
图1为接触式测头中测杆最大长径比的仿真结果；
图2为英国Renishaw公司“测端敏感”技术的原理示意图；
图3为本发明基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器结构示意图；
图4为本发明中测杆装卡机构的结构示意图；
图5为本发明测杆装卡机构中锥形锁紧套的结构示意图；
图6为本发明测头结构中等位驱动管喇叭口结构示意图；
图7为本发明测头结构中信号导线直接装配在测杆内结构示意图；
图8为本发明中球形测端的两种结构示意图；
图9为本发明中信号导线与球形测端两种连接方式结构示意图；
图10为三同轴电缆的结构示意图；
图11为本发明中电容信号转换与处理电路的一个实施例；
图12为本发明中电容信号转换与处理电路的另一个实施例；
图13为本发明实施例的电容-瞄准间隙、分辨力-瞄准间隙特性的仿真结果。
图中，1测端、2微小反射镜、3入射光与返回光、4激光光源与PSD、5球形测端、6测杆、7信号导线、8等位驱动管、9绝缘部件、10测杆装卡机构、11测头主体、12测头、13电容信号转换与处理电路、14三同轴电缆、15大地、16锥形锁紧套、17压垫、18锁紧螺钉、19开口、20减压槽、21导电薄膜、22芯线、23绝缘层、24内屏蔽层、25内护套、26外屏蔽层、27外护套、28正弦信号源、29基准电容、30被测电容、31绝对值电路、32低通滤波器、33A/D转换器、34微处理器、35显示单元、36传感器地、37主放大器、38计算机接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明，并给出实施例。
一种基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器，包括测头12与信号转换与处理电路13，测头12由球形测端5、测杆6、信号导线7、等位驱动管8、绝缘部件9、测杆装卡机构10和测头主体11装配构成，其中，信号导线7装配在等位驱动管8内，等位驱动管8装配在测杆6内，信号导线7与等位驱动管8、等位驱动管8与测杆6之间通过绝缘部件9相互绝缘定位，测杆6装卡在测杆装卡机构10上，测杆装卡机构10安装在测头主体11上；在绝缘部件9端部连接安装球形测端5，球形测端5的外表面设有球形电容极板，测杆6、等位驱动管8与球形电容极板相互绝缘，信号导线7与球形电容极板电气连接；信号转换与处理电路13采用电容信号转换与处理电路，等位驱动管8通过电容信号转换与处理电路13中的等位驱动电路实现与信号导线7等电位，测杆6在电气上接大地15。本发明中，球形电容极板作为敏感单元，通过工作电场将球形测端与被测件间的微小瞄准间隙转换为电容信号，对被测件的位移、尺寸形状、位置或三维坐标等参数进行非接触式高分辨力瞄准与测量，测杆、等位驱动管与信号导线构成三同轴结构，实现电容信号传输中的等位驱动与屏蔽，消除了寄生电容与空间电磁干扰对传感器信号的影响。
所述测杆装卡机构10由锁紧螺钉18、压垫17和锥形锁紧套16构成，锥形锁紧套16的内圆柱面与测杆6间隙配合，外锥面与测头主体11的内锥面配合；锥形锁紧套16一侧设有开口19，且在与开口19等间隔位置处设有减压槽20，锁紧螺钉18的外螺纹与测头主体11上的内螺纹装配配合，在锥形锁紧套16与锁紧螺钉18之间安装由弹性材料制作的压垫17。减压槽的作用是通过去除材料减小锁紧压力，锁紧螺钉通过压垫对锥形锁紧套施加压力，使锥形锁紧套的开口收缩而锁紧测杆。
所述球形测端5由导电金属、导电合金或在绝缘材料上镀导电薄膜构成。
所述等位驱动管8靠近球形测端5的位置成喇叭口结构。目的是隔离测杆6与球形测端5，进一步减小球形电容极板的对地寄生电容。
所述信号导线7可以直接装配在测杆6内，二者之间通过绝缘部件9相互绝缘定位。
所述信号导线7与球形测端5的连接方式为焊接或机械连接。
所述电容信号转换与处理电路13与测头12通过三同轴电缆14相连，三同轴电缆14的外屏蔽层26、内屏蔽层24、芯线22分别与测杆6、等位驱动管8、信号导线7连接。
可以将所述的电容信号转换与处理电路13整体或电容信号转换与处理电路13的前端信号转换与处理部分直接装配在测头主体11内部。
所述电容信号转换与处理电路13为运算放大式电路或交流电桥式电路。
附图3为本发明基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器结构示意图，下面结合附图3给出本发明的一个实施例。本发明在应用时，被测件在电气上接大地，球形测端5的外表面设有球形电容极板，球形电容极板与被测件不接触，二者之间有一微小瞄准间隙，瞄准电容量C与该瞄准间隙g的关系就是该传感器的传感特性。该传感特性与被测件的表面形状与曲率有关，此处仅对球形电容极板瞄准无限大接地导体平面的情况进行推导。球形电容极板与无限大接地导体平面之间形成的是一个空间三维非均匀电场，直接求解电磁场方程比较复杂，而采用电象法则较容易求解。设R₀为球形电容极板的半径，g为瞄准间隙，D为球心与导体平面的距离，有D＝R₀+g。设在球形电容极板的球心放置电量为+q₁的电荷，依次产生的各个镜像电荷的电量为q₂、q₃、q₄、……，各镜像电荷距离球心的距离依次为l₁、l₂、l₃、l₄、……，根据推导结果有：
l₁＝0(1)
ln=R022D-ln-1---(2)]]>
qn=R02D-ln-1qn-1---(3)]]>
设球形电容极板的电势为则该电势只取决于+q₁：

其中，ε为空气的介电常数。球形电容极板与无限大接地导体平面间的瞄准电容量C为：

本实施例中，球形测端5的直径为3mm，瞄准间隙g为10nm～200nm，对其电容-瞄准间隙、电容分辨力-瞄准间隙特性进行仿真，仿真结果分别如图13(a)、(b)所示。球形测端5采用2级不锈钢球，钢球的外表面构成球形电容极板，根据钢球精度等级国家标准，2级钢球的直径变动量与球形误差不超过0.05μm，表面粗糙度不超过5nm。测杆6与等位驱动管8采用薄壁不锈钢管构成，测杆6的外径为2.5mm，壁厚为0.2mm，等位驱动管8的外径为1.5mm，壁厚为20μm，二者的直线度精度要求优于20μm/100mm。信号导线7采用直径为0.2mm的镍丝，并采用电阻焊工艺焊接在球形测端5的外表面，使信号导线7与球形电容极板在电气上连接。测杆6、等位驱动管8与信号导线7同轴装配，构成三同轴结构。绝缘部件9采用聚四氟乙烯材料，其与信号导线7、等位驱动管8、测杆6之间采用环氧树脂胶结，实现各部件之间的可靠绝缘与机械定位，也可以采用向测杆6及等电位驱动管8中灌注环氧树脂并使之凝固的方法形成绝缘部件9。测杆6装卡在测杆装卡机构10上，而测杆装卡机构10则通过螺钉固定等方式装配在测头主体11上。
本发明中，测杆6在电气上接大地而对空间电磁场干扰进行屏蔽，当人员及周围物体靠近测头12时，不会引起测头对地电容的变化，从而实现对外界干扰的有效屏蔽。等位驱动管8通过电容信号转换与处理电路13中的等位驱动电路实现与信号导线7等电位，从而消除了等位驱动管8与信号导线7之间的寄生电容，而等位驱动管8与测杆6间的寄生电容不影响电路的灵敏度与分辨力。本实施例中等位驱动电路采用一个高精度的1∶1放大器电路实现，等位驱动管8与测杆6间的寄生电容做了1∶1放大器电路的负载，放大器采用的是高精度运算放大器OP177A。
本实施例中电容信号转换与处理电路13与测头12采用分体设计，二者之间通过三同轴电缆14连接。三同轴电缆的结构示意图如附图10所示，由外护套27、外屏蔽层26、内护套25、内屏蔽层24、绝缘层23、芯线22构成。三同轴电缆的外屏蔽层26、内屏蔽层24、芯线22分别与测杆6、等位驱动管8、信号导线7连接，在电容信号转换与处理电路13中的等位驱动电路作用下，可以基本消除内屏蔽层24与芯线22之间的电缆电容对电路的影响。为进一步提高精度、消除干扰，也可以在测头主体11上加工出金属屏蔽盒结构，将电容信号转换与处理电路13或前端信号处理部分直接装配在测头主体11的内部，这样可以进一步减少寄生电容与电缆电容对电路的影响，提高电路的灵敏度与分辨力等性能指标。
附图4为本发明中测杆装卡机构的结构示意图。测杆6一般采用薄壁金属管，装卡不当会引起测杆的变形，本发明中测杆装卡机构10由锁紧螺钉18、压垫17和锥形锁紧套16构成，锥形锁紧套16上一侧设有开口19，其内圆柱面和测杆6间隙配合，外锥面和测头主体11上加工出的内锥面配合，压垫17采用尼龙、聚四氟乙烯等弹性材料制成，锁紧螺钉18上的外螺纹与测头主体11上加工出的内螺纹配合，通过压垫17对锥形锁紧套16施加压力，使锥形锁紧套16的开口收缩而锁紧测杆6。
附图5为本发明测杆装卡机构中锥形锁紧套的结构示意图，锥形锁紧套16的内表面为圆柱形，外表面为圆锥形，一侧设有开口19，在与开口19等间隔的位置上设有减压槽20，目的是通过去除材料减小锥形锁紧套的壁厚，从而减小锁紧压力。如果是两个减压槽则与开口成120°等间隔均布，如果是三个减压槽则与开口成90°等间隔均布，依次类推。
附图6为本发明测头结构中等位驱动管喇叭口结构示意图，等位驱动管8底部靠近球形测端5的位置成喇叭口结构，以隔离测杆6与球形测端5，进一步减少球形电容极板的对地寄生电容。
附图7为本发明测头结构中信号导线直接装配在测杆内结构示意图，图中信号导线7直接装配在测杆6内，二者之间通过绝缘部件9相互绝缘定位。此时信号导线7和测杆6之间形成一定的寄生电容，该寄生电容会影响传感器的灵敏度与分辨力等性能指标，为减小该寄生电容及其变化，根据圆柱形电容器的电容量规律，应尽量增大测杆6的内径与信号导线7的外径的比值，并采用温度系数小的材料如殷钢等制作测杆6与信号导线7。
附图8为本发明中球形测端的两种结构示意图，附图8(a)中球形测端5为导电金属或导电合金材料加工的高精度球体，其外表面构成球形电容极板，附图8(b)中球形测端5采用绝缘材料如红宝石加工成高精度球体、并在其表面镀导电金属或导电合金材料的导电薄膜21构成，导电薄膜21的外表面构成球形电容极板。
附图9为本发明中信号导线与球形测端两种连接方式结构示意图，附图9(a)中，信号导线7与球形测端5采用焊接方式连接。附图9(b)中，信号导线7与球形测端5采用机械连接，具体地是采用螺纹连接，该方式比较适用于球形测端5为高精度导电金属、导电合金球且信号导线7直径在1mm以上的情况。
附图11为本发明中电容信号转换与处理电路的一个实施例，该电容信号转换与处理电路采用的是运算放大器式电路，主要由正弦信号源28、基准电容29、主放大器37、被测电容30、绝对值电路31、低通滤波器32、A/D转换器33、微处理器34、显示单元35、计算机接口38等部分组成。正弦信号源28作用是提供一个具有高幅值、频率稳定度的正弦载波信号，本实施例中正弦信号源28采用直接数字合成方式构成，采用AD公司高性能直接数字合成芯片AD9953。基准电容29是被测电容高精度测量的参考基准，其稳定性直接决定了电容信号转换与处理电路的测量精度，采用的是具有零温度系数的高精度电容并进行温度补偿等处理，其相对容值稳定度达到1～10ppm。被测电容30就是球形电容极板与被测件形成的瞄准电容。主放大器37是一个高输入阻抗、低偏置电压与偏置电流的高精度运算放大器，采用AD公司的超小偏置电流运算放大器AD549K实现，其差模输入电阻达10¹³量级，共模输入电阻达10¹⁵量级。正弦信号源28产生的正弦载波信号经过主放大器37后，理想情况下忽略主放大器37的偏置电压与偏置电流，则其输出信号的幅值与被测电容30成反比，即载波信号的幅值受被测信号调制成为调幅信号。被测电容30一个极板是球形电容极板，另一个极板是被测工件，被测工件电气上接大地15，而电容信号转换与处理电路13的参考地是传感器地36，传感器地36与大地15在电气上隔离。本实施例中对调幅信号进行全波整流与低通滤波，将之转化为与之幅值有对应关系的直流信号，实现对调幅信号的高精度解调。全波整流是由绝对值电路31实现，低通滤波器32采用由运算放大器(OP177A)构成的8阶切比雪夫低通滤波器，截止频率为2kHz。A/D转换器33采用美国AD公司的16位A/D转换芯片AD976A，采样率为200ksps，微处理器34采用TI公司的2000系列DSP芯片TMS320LF2407A，显示单元35采用图形点阵液晶模块MS12864A，计算机接口32采用USB2.0高速数据传输模块，其主控芯片采用Cypress公司的高性能USB2.0接口芯片CY7C68013A。A/D转换器33在微处理器34的控制下，对低通滤波器32输出的直流信号进行高精度采样，并将采样结果送给微处理器34，由微处理器34进行非线性校正、数字滤波等处理后，将瞄准间隙的测量结果显示在显示单元35上，并通过计算机接口38发送给上位机。
附图12为本发明中电容信号转换与处理电路的另一个实施例，采用的也是运算放大器式电路，与附图11中实施例不同的是本实施例中正弦信号源28除产生高幅值、频率稳定度的正弦载波信号外，还产生一路与之频率相同、相位相差90°的方波信号，并送给A/D转换器33，A/D转换器33在该方波信号每个上升沿与下降沿所在的时刻，对主放大器37输出的调幅信号进行采样。由于正弦信号源28产生的正弦信号与方波信号是同步的，因此A/D转换器33采样所在的时刻对应调幅信号的波峰和波谷，从而实现了对调幅信号的同步相敏检波。采用同步相敏检波能够使电容信号转换与处理电路实现具有更高的带宽与精度。