精密电容测微仪温漂补偿之传感器安装夹具的制作方法

1.本实用新型属于测量技术领域，具体涉及一种精密电容测微仪温漂补偿之传感器安装夹具。


背景技术：

2.精密电容测微仪是一种精密测量仪器。它可以应用于物体的微小位移、变形量、磨损量、薄膜油膜气膜和胶带涂层厚度等精密测量，也可以对机械或物体的微小振动进行精密测量(动态频响2.7khz)，它还可应用于弹簧高度自动分选、压电陶瓷电致伸缩变形特性和陀螺马达刚度等测试。我公司研发生产的jwzc-i型精密电容测微仪采用运算式测量原理和驱动电缆技术，是一种非接触式测量仪器，仪器测量精度、分辨率与测量位移或厚度大小(量程)有关。在小量程范围内，分辨率可高达纳米级。当测量最佳初始间距增大至3mm时，传感器敏感有效直径为φ18(装夹外径φ30)，仪器表头显示分辨到0.1μm，仪器本身直流输出电压分辨率为0.05μm/mv，测量范围可达
±
500μm，最佳线性范围
±
50μm。该电容传感测试仪器系统已在科研院所和高校的科学实验研究、机械加工制造与过程控制、航空航天的精密测试等诸多方面进行了成功应用，其测量精度和实用性均较好。
3.jwzc-i型精密电容测微仪所用电容传感器原理就是通常所熟悉的平行板电容传感器，电容传感器的电容值计算公式：
[0004][0005]
上式中k为真空中介电常数；ε为介质相对介电常数；s为极板有效面积；h为极板间距。ε、s、h只要保持两个不变，只改变其中任意一个参数就可使电容值c改变，因而可制作成变面积s型、变介质介电常数ε型和改变极板间距h三大类型电容式传感器。jwzc-i型精密电容测微传感器是公司设计加工制作的变极距型精密电容传感器。
[0006]
jwzc-i型精密电容测微仪用传感器在消除杂散电容和抗干扰技术方面采用了运算式测量电路、等位环和双屏蔽驱动电缆技术，有效地解决了此类问题，使得在位移、膜厚或涂层厚度测量时，输出电压与之具有较好的线性和重复性测量精度。
[0007][0008]
其中：cs为标准电容，c
t
为传感器电容，vo为输出电压，vs为激励信号电压。若此电容传感器是变间距的平行板电容传感器，则将c
t
＝k
·
ε
·
s/h代入可得：
[0009][0010]
因此输出电压与传感器两极板间距h成正比关系。
[0011]
若两极板间距保持不变，之间的介电常数发生变化，这样可实现薄膜厚度测量。例如锂电池用隔膜厚度的精密在线检测。
[0012]
对于锂电池隔膜厚度的在线检测来说，为了避免速度为70～100m/min(1.2～
1.6m/s)的膜接触传感器探头断面而导致损伤，它要求电容传感器探头和极板之间的测量间隙达到3mm以上，同时还需保证传感器和仪器具有足够的灵敏度来实现几微米膜厚的精测，所以就不得不加大传感器尺寸。众所周知，金属材料一般都有热胀冷缩现象，尺寸越大，由温度而引起的电容传感器敏感几何尺寸也就是电容量大小的变化越明显，从而所产生的仪器温度漂移问题也就越显著。
[0013]
对于锂电池隔膜厚度在线检测用电容传感器(3mm间距)，其探头的有效敏感直径为18mm，安装外径为30mm，长度为50mm，传感器材料为304不锈钢。通过下表可以查得304不锈钢材料的热胀系数为16.5
×
10-6
/℃(20～100℃)，那么传感器在轴向和径向由温度升高/降低1℃所产生的热线性膨胀量可计算得到：
[0014]
轴向变化量：δl＝α
·
l0·
δt＝16.5
×
10-6
/℃
×
50mm
×
1℃＝0.825um；
[0015]
径向变化量：δd＝α
·
d0·
δt＝16.5
×
10-6
/℃
×
18mm
×
1℃＝0.297um；
[0016]
敏感面积变化量：δs＝π
×
[(d0+δd)2/4-d
02
/4]＝0.0084mm2。
[0017]
表1-几种常用金属材料热胀系数表
[0018]
材料名称线膨胀系数α(
×
10-6
/℃)[20～100℃]铬(cr)6.21cr13不锈钢9.2铬钼钢(cr5mo～cr9mo)10.5铸铁、一般铸铁(fe)10.5304不锈钢(1cr18ni9)16.5黄铜(cu)18.5铝(al)23.6
[0019]
从理论计算结果看，对于3mm测量间距的大尺寸电容传感器用于超薄的几微米膜厚测量时，由于金属材料的热胀冷缩效应而引起传感器敏感尺寸和敏感面积的变化较明显，从而产生精密电容测微仪温度漂移亦较显著，所以必须进行修正补偿，才能得到准确测量结果。
[0020]
传感器安装夹具一般也都采用金属材料如：铸铁、不锈钢、硬铝等加工制造而成，所以它同样具有热胀冷缩现象，在竖直方向上尺寸的变化同样会对仪器的温度漂移产生非常重要的影响。表2所示为不同金属材料在温度变化1℃情况下传感器夹具在垂直方向的热胀量。
[0021]
表2-几种常用金属材料在温度变化1℃时的热胀增量(μm)
[0022]
材料名称线膨胀系数α垂直方向增量计算l＝50mm时增量(μm)铸铁、一般铸铁(fe)10.510.5
×
l
×1×
10-6
0.525304不锈钢(1cr18ni9)16.516.5
×
l
×1×
10-6
0.825铬钼钢(cr5mo～cr9mo)10.510.5
×
l
×1×
10-6
0.525铝(al)23.623.6
×
l
×1×
10-6
1.180
[0023]
所有电子电路都离不开电阻、电容、电感、导线、二极管和三极管等元器件。对于金属导线来说，温度越高，电阻越大，温度越低，电阻越小。碳膜电阻和绝缘体电阻随温度升高，阻值减小。半导体电阻值与温度关系较大，温度稍有增加，电阻值减小就很大。
[0024]
电容对温度比较敏感，不论是环境温度过高还是过低，都会导致容量的下降，甚至
损坏。
[0025]
对半导体二极管和晶体三极管来说，由于半导体材料的热敏特性，所以温度对二极管的伏安特性和三极管的输入输出特性参数都有影响。
[0026]
对由运放和阻容元件构成的振荡电路，由于电阻、电容值会随温度变化而变化，故其振荡频率也会随温度变化。
[0027]
总之，精密电容测微仪检测电路毫无疑问会存在温度和零点漂移，也必须加以足够重视。


技术实现要素：

[0028]
针对上述技术问题，本实用新型提供一种精密电容测微仪温漂补偿之传感器安装夹具。
[0029]
具体的技术方案为：
[0030]
精密电容测微仪温漂补偿之传感器安装夹具，包括上夹板、夹具底座；所述的上夹板、夹具底座上下平行设置，并且上夹板、夹具底座一端之间设有垂直的立柱，立柱上下端分别与上夹板、夹具底座固定连接；所述的上夹板另一端设有安装通孔，传感器垂直的安装在所述的安装通孔内，并通过顶丝固定；
[0031]
夹具底座的上平面和传感器的下端面均为敏感工作面(电容传感器两极板)，敏感工作面要求平整光滑，并且所述两敏感工作面之间为被测隔膜放置位置；
[0032]
上夹板、夹具底座、立柱所用金属材料与传感器均相同。
[0033]
所述的立柱、所述的传感器外径相同且在竖直方向是互相平行的；立柱、上夹板、夹具底座通过螺杆和螺母紧固连接成一个刚性整体。
[0034]
该精密电容测微仪温漂补偿之传感器安装夹具和传感器一同安装在锂电池隔膜(超薄
─
几微米)生产线的检测设备基座上。通过该夹具和传感器的匹配设计与加工制造，以此实现夹具和传感器在竖直方向形成的热胀冷缩增量的互相抵消，从而来抑止精密电容测微仪器输出的温度漂移，最终达到客观真实测量隔膜厚度的功能。
附图说明
[0035]
图1是本实用新型结构示意图；
[0036]
图2是本实用新型的电容传感器的安装示意图。
具体实施方式
[0037]
结合附图说明本实用新型的技术方案。
[0038]
对于几个微米的“超薄”膜厚在线测量来说，它要求所设计的传感器和电路对电容值的微小变化非常敏感才能测量出来，否则就不能客观真实地反映膜厚的变化量。换句话说，当传感器探头和下面的金属极板位置调好固定后，只有保持两极板之间的距离不变，这时中间被测膜厚的变化量才是真实客观的。由于两极板和安装夹具都是金属材料，有热胀冷缩效应，温度的较小变化会引起两金属极板和安装夹具的热胀冷缩效应，从而使两极板间距也会产生增大或减小的微小变化，由于电路本身测量灵敏性的要求，自然而然就会反映和显示出来仪器的温度漂移特性。如何来解决和克服它，下面给出两个行之有效的方案。
[0039]
由于金属材料存在热胀冷缩效应，且这种温度效应是不可避免的，因此在应用中，只能设法减小和补偿修正。
[0040]
方案一：
[0041]
如图1所示，精密电容测微仪温漂补偿之传感器安装夹具，包括上夹板1、夹具底座2；所述的上夹板1、夹具底座2上下平行设置，并且上夹板1、夹具底座2一端之间设有垂直的立柱3，立柱3上下端分别与上夹板1、夹具底座2固定连接；所述的上夹板1另一端设有安装通孔，传感器4垂直的安装在所述的安装通孔内，并通过顶丝5固定；
[0042]
夹具底座2的上平面和传感器4的下端面均为敏感工作面(电容传感器两极板)，敏感工作面要求平整光滑，并且所述两敏感工作面之间为被测隔膜放置位置；
[0043]
上夹板1、夹具底座2、立柱3所用金属材料与传感器4均相同，即具有相同热胀系数，均为304不锈钢。
[0044]
所述的立柱3、所述的传感器4外径相同且在竖直方向是互相平行的；立柱3、上夹板1、夹具底座2通过螺杆和螺母紧固连接成一个刚性整体。
[0045]
由于金属材料存在热胀冷缩效应，且这种温度效应是不可避免的，因此在应用中，只能设法减小和补偿修正。该夹具和传感器4在竖直方向形成的热胀冷缩增量相互抵消，从而抑止仪器输出的温度漂移。
[0046]
由于圆形的立柱3和传感器4高度尺寸一致，且为同一种金属材料，因此在热膨胀系数和高度尺寸相同情况下，传感器4和立柱3的热胀冷缩增量变化是一样的，但其方向恰恰相反，即温度升高，立柱3向上增长，右侧传感器4向下增长，反之亦然。这样就可起到相互抵消的作用，以此来保证传感器4和底座表面2之间所形成的电容两极板间距保持不变，从而使竖直方向增量所引起的温度漂移降到最低。
[0047]
而对于传感器径向热胀冷缩增量所引起传感器有效面积的变化，从而所产生的仪器温度漂移，则需经过后续数据采集处理，长时间多次测定数据找出其规律，然后利用软件和算法进行补偿修正。
[0048]
本实用新型是反复实践、琢磨并设计加工出的一种传感器安装夹具。由于左侧圆形立柱和传感器高度尺寸一致，且为同一种金属材料，因此在热膨胀系数和高度尺寸相同情况下，传感器和安装夹具立柱的热胀冷缩增量变化是一样的，但其方向恰恰相反。那就是：温度升高，左侧立柱向上增长，右侧传感器(待安装)向下增长，反之亦然。这样就可起到相互抵消的作用，以此来保证传感器和基座表面之间所形成的电容两极板间距保持不变，从而使竖直方向增量所引起的温度漂移降到最低。
[0049]
而对于传感器径向热胀冷缩增量所引起传感器有效面积的变化，从而所产生的仪器温度漂移，则需经过后续数据采集处理，长时间多次测定数据找出其规律，然后利用软件和算法进行补偿和修正。
[0050]
方案二：
[0051]
电容传感器的安装示意图如图2所示。
[0052]
传感器信号经变换放大处理后的输出为：而c
t
＝k
·
ε
·
s/h,其中：v0为放大器输出值；cs是标称电容值，电路参数调好后可认作常数；vs是振荡器幅值，电路调好后为固定值；k为真空介电常数8.85415
×
10-12
f/m，ε是被测介质的相对介电常数(空气为
1)；s是敏感极板面积(m2)，如果温度变化引起金属材料热胀冷缩所产生的面积变化很小(可忽略不计)时，这时也可看作固定值，但事实上一般不存在这种情况；h(m)是电容传感器的两极板间距，对于在线膜厚精密测量来说，希望h也是一个固定值，但事实上它会随温度变化。由此看来，温度变化，比如升高或降低1℃，会引起s和h的变化，从而使c
t
发生改变，进而仪器输出v0发生变化，这就是仪器输出会随温度产生漂移的原因。
[0053]
根据上述分析，设法让传感器和安装夹具的热胀冷缩效应共同发生作用，比如安装夹具所用金属材料的热胀系数大于传感器所用金属材料的热胀系数，使传感器在竖直方向距离的变化增量δh与传感器由温度变化而引起的有效敏感面积变化增量δs保持相同，这样使v0保持恒定，仪器的温度漂移从而就能得到较好抑止。
[0054]
有关传感器和安装夹具采用何种热胀系数的金属材料的问题可以通过下面的计算来加以详细说明。
[0055]
已知传感器的长度l0＝50mm＝5
×
10-2
m，电容传感器敏感极板直径d0＝18mm＝1.8
×
10-2
m，传感器材料采用热膨胀系数较小的1cr13不锈钢，α0＝9.2
×
10-6
/℃(20～100℃)，极板初始间距h＝3mm＝3
×
10-3
m，安装夹具立柱l＝53mm＝5.3
×
10-2
m，设定温度增量δt为1℃，温度变化前后的电容值分别为c
t
和c
t
′
，传感器安装夹具所用金属材料的热膨胀系数αj，于是有：
[0056][0057][0058]
让c
t
＝c
t
′
，联立求解，就可得到αj，然后根据αj数值的大小，查找到合适的金属材料。
[0059]
代入上述已知数据就可得到αj＝9.721
×
10-6
/℃(20～100℃)。通过数据查表，比较接近的是马氏体不锈钢440a/b/c，其热膨胀系数为：9.58～9.97
×
10-6
/℃(20～100℃)。虽然440c硬度比440a高一些，但防锈性能440a好一些。所以综合考虑，本实用新型最终选定夹具加工用金属材料为440a，传感器加工材料用1cr13不锈钢。由于这两种金属材料的热胀系数不同，传感器和安装夹具所产生的热胀增量具有相互补偿修正作用，从而使仪器输出的温度漂移大大降低。
[0060]
另外，为了减小仪器的温度漂移，在电路设计上尽量采用仪用差动式输入输出等放大电路，这样可以抵消一部分漂移。同时，一定要筛选元器件，尽量采用高性能、温度和零点漂移小的集成电路和电阻、电容等器件。此外，就是电路在加工制作和生产过程中，一定要进行电路元器件的老化实验，使电路性能稳定可靠，电路温度漂移有规律可循。
[0061]
对于3mm测量间距的较大尺寸精密测微电容传感器来说，由于金属的热胀冷缩效应较为显著，即或温度在一个很小的范围内变动(如
±
1℃)都会引起所形成电容极板间距和面积大小有一个变化，也就是所测电容值大小的变化，经过电路变换后，它会造成仪器输出和显示值的波动，也就是温度所引起的仪器输出值的漂移(波动型温度漂移)。
[0062]
就在线检测而言，传感器安装夹具的优化设计可以有效减小传感器竖直方向因金
属热胀冷缩所产生的仪器温度漂移，而传感器径向尺寸由于热胀冷缩所产生的仪器温度漂移问题必须通过后续数据采集、数字滤波和软件的温度漂移动态补偿修正技术加以解决。必须强调的是：传感器安装夹具尺寸大小和结构形式要设计合理，所用金属材料的热胀系数应尽量与传感器所用金属材料的热胀系数相同或接近，这样才能减小仪器的温度漂移。
[0063]
当然，利用不同热胀系数金属材料加工制造的传感器和传感器安装夹具的温度增量特性的互相补偿修正效果，从而使仪器的温度漂移大大减小，也不失为一种好的方法和途径。