一种能够有效降低阿贝误差的游标卡尺及测量方法
阅读说明：本技术 一种能够有效降低阿贝误差的游标卡尺及测量方法 (Vernier caliper capable of effectively reducing Abbe error and measuring method ) 是由 闫勇刚 吴正兴 马学思 邓小玲 绳飘 于 2021-01-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种能够有效降低阿贝误差的游标卡尺及测量方法,包括主尺和游标尺,游标尺的前侧面上下两端均通过设置凸缘形成主尺容置槽,主尺设置在主尺容置槽内且游标尺与主尺滑动连接,上下两端的主尺容置槽内沿前后方向均对称设置有压力传感器,压力传感装置用于采集主尺对游标尺产生的压力信号,压力传感装置的信号输出端连接处理模块的信号输入端,处理模块的信号输出端连接有显示装置；处理模块用于接收压力传感装置输入的压力信号,并对压力信号进行信号处理后计算得出用于表示游标尺主线与主尺主线的平行度的差动压力信号值。本发明能够解决现有游标卡尺使用过程中阿贝误差大,测量精度低的问题。(The invention discloses a vernier caliper capable of effectively reducing Abbe errors and a measuring method, the vernier caliper comprises a main scale and a vernier scale, the upper end and the lower end of the front side surface of the vernier scale form a main scale accommodating groove through arranging flanges, the main scale is arranged in the main scale accommodating groove, the vernier scale is in sliding connection with the main scale, pressure sensors are symmetrically arranged in the main scale accommodating grooves at the upper end and the lower end along the front-back direction, the pressure sensors are used for collecting pressure signals generated by the main scale on the vernier scale, the signal output ends of the pressure sensors are connected with the signal input end of a processing module, and the signal output end of the processing module is connected with a display device; the processing module is used for receiving the pressure signal input by the pressure sensing device, processing the pressure signal and calculating to obtain a differential pressure signal value for representing the parallelism of the vernier main line and the main scale main line. The invention can solve the problems of large Abbe error and low measurement precision of the existing vernier caliper in the use process.)
技术领域
本发明涉及一种测量工具，尤其涉及一种能够有效降低阿贝误差的游标卡尺。
背景技术
在常规测量工具行业中，普通的游标卡尺分为机械式游标卡尺、带表式游标卡尺和数显式游标卡尺三种类型。机械式游标卡尺由主尺、游标尺、尺身、量爪等组成，因使用方便、测量稳定性好，在机械制造领域应用广泛。带表式游标卡尺是在机械式游标卡尺基础上，利用齿条传动齿轮带动指针显示数值，主尺上有大概的刻度，结合指示表读数，比机械式游标卡尺读数更为快捷准确。数显式游标卡尺是在带表式游标卡尺基础上，利用齿条带动圆形栅格片转动，用光电脉冲计数原理，将卡尺量爪的线位移转变为脉冲信号，从而将数据显示，因为读数直观清晰、使用方便、数据存储和分析方便以及测量效率高等优点，现在也广泛应用于各个行业。
各种游标卡尺的基本测量原理都是相同的，均为“错位放大法”。但是，游标卡尺因设计时被测量轴线与主尺轴线不一致，即不符合“阿贝原则”，且由于游标卡尺中游标尺与尺身装配时存在间隙，测量人员用力大小不同，会造成游标尺量爪发生微小倾斜，如图1所示，其阿贝误差为ΔL＝Stgφ≈Sφ，该值一般较小，而测量人员难以察觉，造成测量数据精度较低等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够有效降低阿贝误差的游标卡尺，能够解决现有游标卡尺使用过程中阿贝误差大，测量精度低的问题。
本发明采用下述技术方案：
一种能够有效降低阿贝误差的游标卡尺，包括主尺和游标尺，游标尺的前侧面上下两端均通过设置凸缘形成主尺容置槽，主尺设置在主尺容置槽内且游标尺与主尺滑动连接，上下两端的主尺容置槽内沿前后方向均对称设置有压力传感装置，压力传感装置用于采集主尺对游标尺产生的压力信号，压力传感装置的信号输出端连接处理模块的信号输入端，处理模块的信号输出端连接有显示装置；处理模块用于接收压力传感装置输入的压力信号，并对压力信号进行信号处理后计算得出用于表示游标尺主线与主尺主线的平行度的差动压力信号值。
所述的上下两端的主尺容置槽的槽底沿前后方向均对称设置有两个压力传感器安装槽，每个压力传感器安装槽内均设置有一个压力传感器，差动压力信号值Δp的计算公式为：
其中，上端的主尺容置槽内沿前后方向设置的第一压力传感器和第二压力传感器在t时刻输出的压力信号分别为p1t和p2t，下端的主尺容置槽内沿前后方向设置的第三压力传感器和第四压力传感器在t时刻输出的压力信号分别为p3t和p4t，wi表示第i个压力传感器输出的压力信号的权重值，pit表示第i个压力传感器在t时刻输出的压力信号，i＝1,2,3,4。
所述的压力传感器安装槽内均设置有预紧弹簧，预紧弹簧的上下两端分别与对应的压力传感器安装槽和压力传感器连接，预紧弹簧在自然状态下，压力传感器的受力检测面均突出主尺容置槽的槽底。
所述的游标尺上还设置有锁紧装置。
所述的锁紧装置采用电控锁紧装置，电控锁紧装置的信号输入端连接处理模块的信号输出端。
所述的游标尺上还设置有用于调整压力传感器输出的压力信号的权重值的调整按钮，调整按钮的信号输出端连接处理模块的信号输入端。
所述的游标尺上还设置有推把。
使用权利要求1所述的能够有效降低阿贝误差的游标卡尺的测量方法，包括以下步骤：
A：对锁紧装置进行解锁，解除游标尺与主尺的锁紧状态，压力传感器采集主尺对游标尺产生的压力信号；
B：测量人员推动游标尺，利用游标尺和主尺对被测物体进行测量；
C：处理模块接收压力传感装置实时输入的压力信号，并对压力信号进行信号处理后计算得出用于表示游标尺主线与主尺主线的平行度的差动压力信号值Δp，差动压力信号值Δp的计算公式为：
其中，上端的主尺容置槽内沿前后方向设置的第一压力传感器和第二压力传感器在t时刻输出的压力信号分别为p1t和p2t，下端的主尺容置槽内沿前后方向设置的第三压力传感器和第四压力传感器在t时刻输出的压力信号分别为p3t和p4t，wi表示第i个压力传感器输出的压力信号的权重值，pit表示第i个压力传感器在t时刻输出的压力信号，i＝1,2,3,4；
D：测量人员通过显示装置读取处理模块计算出的差动压力信号值Δp，若差动压力信号值Δp为负值或正值时，则测量人员则逐步减小对游标尺的推力或拉力，直至差动压力信号值Δp为零或接近于零；
E：当差动压力信号值Δp为零或接近于零时，启动锁紧装置，锁定游标卡尺进行读数；
F：当读数完毕后，测量人员将游标卡尺与被测物体分离，重新锁定锁紧装置。
测量人员通过调整按钮调整压力传感器输出的压力信号的权重值。
所述的步骤A中，测量人员通过按键控制电控锁紧装置解锁，步骤F中，由测量人员通过按键或者由处理模块自动控制电控锁紧装置重新锁定，电控锁紧装置重新锁定后，控制器控制压力传感器自动关闭。
本发明通过在主尺容置槽内对称设置四个压力传感器，采集主尺对游标尺产生的压力信号，并通过压力信号计算得出用于表示游标尺主线与主尺主线的平行度的差动压力信号值，使得测量人员能够根据差动压力信号值调整推力大小，减小或消除游标尺量爪的倾斜，保证游标尺测量线与主尺刻度线平行，从而减小阿贝误差，提高工件的测量精度。
附图说明
图1为传统游标尺测量示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为压力传感器安装槽的安装位置示意图；
图4为图3的A-A剖面示意图；
图5为图3的B-B剖面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作以详细的描述：
如图2至图5所示，本发明所述的能够有效降低阿贝误差的游标卡尺，包括主尺1和游标尺2，游标尺2的前侧面上下两端均通过设置凸缘形成主尺容置槽3，主尺1设置在主尺容置槽3内且游标尺2与主尺1滑动连接，上述结构为现有游标卡尺的常规结构，在此不再赘述。
本发明中，上下两端的主尺容置槽3内沿前后方向均对称设置有压力传感装置，压力传感装置用于采集主尺1对游标尺2产生的压力信号，压力传感装置的信号输出端连接处理模块4的信号输入端，处理模块4的信号输出端连接有显示装置5；处理模块4用于接收压力传感装置输入的压力信号，并对压力信号进行信号处理后计算得出用于表示游标尺2主线与主尺1主线的平行度的差动压力信号值。信号处理包括信号的放大、滤波及模拟/数字转换。
本实施例中，上下两端的主尺容置槽3的槽底沿前后方向均对称设置有两个压力传感器安装槽6，每个压力传感器安装槽6内均设置有一个压力传感器，压力传感器的信号线可通过压力传感器安装槽6连接处理模块4。差动压力信号值Δp的计算公式为：
其中，上端的主尺容置槽3内沿前后方向设置的第一压力传感器7和第二压力传感器8在t时刻输出的压力信号分别为p1t和p2t，下端的主尺容置槽3内沿前后方向设置的第三压力传感器9和第四压力传感器10在t时刻输出的压力信号分别为p3t和p4t，wi表示第i个压力传感器输出的压力信号的权重值，pit表示第i个压力传感器在t时刻输出的压力信号，i＝1,2,3,4。
为了保证测量精度，压力传感器安装槽6内均设置有预紧弹簧，预紧弹簧的上下两端分别与对应的压力传感器安装槽6和压力传感器连接，预紧弹簧在自然状态下，能够驱动压力传感器的受力检测面突出主尺容置槽3的槽底，既能够对主尺1产生一定的预紧力，又不影响游标尺2在主尺1上的顺利滑动。
为保证读数时游标尺2与主尺1不发生相对运动以确保测量精度，本发明中，游标尺2上还设置有锁紧装置11。锁紧装置11可采用锁紧螺钉，也可采用电控锁紧装置，电控锁紧装置的信号输入端连接处理模块4的信号输出端。
考虑到不同应用场合下，对于测量精度要求的不同。本发明中，游标尺2上还设置有调整按钮12，调整按钮12的信号输出端连接处理模块4的信号输入端，测量人员能够通过调整按钮12调整压力传感器输出的压力信号的权重值，从而达到调整差动压力信号值的作用。当对测量精度要求较高时，测量人员可通过调整按钮12对压力传感器输出的压力信号的权重值进行调整，以提高差动压力信号值Δp的计算精度。
各个压力传感器输出的压力信号的权重值，其初始值均设定为0.25；在经过标准校正后，可通过迭代算法可实时更新为新的权重值，以提高检测精度。
为了便于测量人员推动或拉动游标尺2使其在主尺1上进行滑动，本实施例中，游标尺2上还设置有推把13，用于推拉游标尺2。
在使用本发明所述的能够有效降低阿贝误差的游标卡尺进行测量时，按照以下步骤进行：
A：测量人员对锁紧装置11进行解锁，解除游标尺2与主尺1的锁紧状态，此时压力传感器开始采集主尺1对游标尺2产生的压力信号；
B：测量人员推动游标尺2，利用游标尺2和主尺1对被测物体进行测量；
C：处理模块4接收压力传感装置实时输入的压力信号，并对压力信号进行信号处理后计算得出用于表示游标尺2主线与主尺1主线的平行度的差动压力信号值Δp，差动压力信号值Δp的计算公式为：
其中，上端的主尺容置槽3内沿前后方向设置的第一压力传感器7和第二压力传感器8在t时刻输出的压力信号分别为p1t和p2t，下端的主尺容置槽3内沿前后方向设置的第三压力传感器9和第四压力传感器10在t时刻输出的压力信号分别为p3t和p4t，wi表示第i个压力传感器输出的压力信号的权重值，pit表示第i个压力传感器在t时刻输出的压力信号，i＝1,2,3,4；
D：测量人员通过显示装置5读取处理模块4计算出的差动压力信号值Δp，若差动压力信号值Δp为负值或正值时，则测量人员则逐步减小对游标尺2的推力或拉力，直至差动压力信号值Δp为零或接近于零；
E：当差动压力信号值Δp为零或接近于零时，启动锁紧装置11，锁定游标卡尺进行读数；
F：当读数完毕后，测量人员将游标卡尺与被测物体分离，重新锁定锁紧装置11。
测量过程中，测量人员可通过对测量精度的要求，通过调整按钮12调整压力传感器输出的压力信号的权重值。
本发明的步骤A中，测量人员通过按键控制电控锁紧装置11解锁，步骤F中，测量人员通过按键控制电控锁紧装置11重新锁定，电控锁紧装置11重新锁定后，控制器控制压力传感器自动关闭。也可通过程序设定，当差动压力信号值Δp为零或达到设置的阈值时，由处理模块4控制电控锁紧装置11自动锁紧。
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