CN103486956B - 一种实现高精度测量竖直移动方向的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现高精度测量竖直移动方向的装置及方法，属于测量领域。本发明装置包括电容传感器和精密变压器电桥；所述电容传感器的高电位电极和指零电极分别与所述精密变压器电桥连接；所述指零电极与竖直移动装置固定连接；所述指零电极与高电位电极之间电容量的变化能够指示出竖直移动装置的移动方向是否为铅垂方向。利用本发明测量移动方向与铅垂方向偏离的精度可达高达0.1μm。比起光学方法来，装置简单，操作方便。

Description

一种实现高精度测量竖直移动方向的装置及方法

技术领域

本发明属于测量领域，具体涉及一种实现高精度测量竖直移动方向的装置及方法。

背景技术

在精密实验中常常需要把某种装置严格按竖直方向(铅垂线方向)移动。但是，实际上的移动路径与铅垂线方向总会有一定的偏差，从而带来一定的实验误差。要估计出这样的误差，需要一种能测量实际移动路线方向与铅垂线偏差的仪器。

传统的测量垂直方向的方法是测量光线在水平面上的反射角度。需要用一套较为复杂的光学系统，装置的安装及操作都不太容易。同时，水平面一般用液体形成，液体面的波动会影响测量准确性。本发明中提出的新方法不仅装置和操作简便，而且准确度高，能满足大部分实际需要。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种实现高精度测量竖直移动方向的装置及方法，用较简单的装置高精度测量被测物竖直移动的路径是否为铅垂线，不仅装置和操作简便，而且准确度高，能满足大部分实际需要。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种实现高精度测量竖直移动方向的装置，包括电容传感器和精密变压器电桥；

所述电容传感器的高电位电极和指零电极分别与所述精密变压器电桥连接；

所述指零电极与竖直移动装置固定连接；

所述指零电极与高电位电极之间电容量的变化能够指示出竖直移动装置的移动方向是否为铅垂方向。

所述高电位电极采用铅垂的漆包线，所述漆包线的上端固定，下端通过带屏蔽的测量线与所述精密变压器电桥连接，在所述漆包线的下端悬挂有重锤。

所述带屏蔽的测量线与漆包线下端的连接位置低于指零电极的下边缘。

所述装置进一步包括容器，在所述容器内装满阻尼液，所述重锤完全浸没在所述阻尼液内。

所述指零电极采用球面电极，所述球面电极的球面端靠近所述漆包线的中部，所述球面电极的球面端与漆包线之间的距离在0.5mm～1mm之间；所述球面电极的另一端与垂直移动装置固定连接，并通过带屏蔽的测量线与所述精密变压器电桥连接。

所述球面电极的球面端的形状为球面的一部分，其曲率半径与该球面到移动装置中心的距离之间的差值小于等于1毫米。

所述球面电极外面包裹有静电屏蔽壳，所述静电屏蔽将球面电极的后面和侧面均包裹住，只露出球面电极前端的球面端；

所述静电屏蔽壳与球面电极之间设有绝缘层，球面电极、绝缘层和静电屏蔽壳通过螺丝固定安装在一起。

一种实现高精度测量竖直移动方向的方法，包括：

(1)将待测的竖直移动装置与球面电极的一端固定连接；

(2)将铅垂的漆包线下端连接的重锤完全浸没到阻尼液中；

(3)将球面电极的球面端与漆包线的距离设置在0.5mm～1mm之间；

(4)将连接在漆包线下端和球面电极上的带屏蔽的测量线分别接入精密变压器电桥的BNC信号输入端口；

(5)开启精密变压器电桥，开始测量，指零电极随着竖直移动装置上下移动时，精密变压器电桥上的读数为指零电极与铅垂的漆包线之间电容量的变化，而该电容量的变化反映了指零电极与漆包线之间水平方向距离的变化，也就是移动路线与铅垂线之间水平距离的变化，进而判断出竖直移动装置的移动方向是否为铅垂方向。

所述铅垂的漆包线是这样实现的：

选出一段直径均匀性优于0.1μm的漆包线；

在该漆包线的下端挂上重锤；

在漆包线的两端通入电流，然后逐步调大电流，当漆包线发热达到热屈服极限时，漆包线自行伸长；

逐步减小电流，直到电流为零。

所述重锤的重量为该漆包线所能承受极限重量的80％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用本发明测量移动方向与铅垂方向偏离的精度可达高达0.1μm。比起光学方法来，装置简单，操作方便。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是用于建立质量量子标准的“能量天平”装置。

图3是求出天平“特定位置”的实验曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本装置包括漆包线1，球面电极2、重锤3、容器4、带屏蔽的测量线5、静电屏蔽壳6、垂直移动装置7和精密变压器电桥8；在所述容器4内装满阻尼液；漆包线1的下端与重锤3的上端固定连接，重锤3整体浸没在所述容器4内的阻尼液内；所述球面电极2外面包裹有静电屏蔽壳6，所述静电屏蔽壳6与球面电极之间设有绝缘层，三者通过螺丝固定安装在一起。所述球面电极2的球面段靠近所述漆包线，另一端与垂直移动装置7固定连接；所述精密变压器电桥8通过一根带屏蔽的测量线5与球面电极2连接，通过另一根带屏蔽的测量线5与漆包线1的下端连接。

本装置的特点如下：

1，用电容传感器测量移动路线与铅垂线的偏离，装置简单，操作方便，分辨率可高达0.1μm：

众所周知，电容传感器在测量微小位移时有很高的灵敏度。实验说明此法的分辨率可高达0.1μm。比起光学方法来，装置简单，操作方便。但在使用时要对电屏蔽进行较仔细的考虑，以避免外界干扰的影响。

2，用加热拉伸法制作高精度的铅垂导线，成为电容传感器的高电位电极，作为铅垂方向的标准：

要测量某一可移动装置的实际移动路径是否为铅垂方向，首先应具备一个作为铅垂方向的标准，即应该有一个处于铅垂方向的电极作为移动路径的标准。当用电容传感器进行测定时，一般用一个平面电极，使平面电极平行于铅垂方向。但这样的电极制作起来和调整都很困难。首先要把平面电极的平面性做到很高(例如优于0.1μm)就很困难。同时要把制作好的平面电极竖直放置，使平面与铅垂方向严格平行也不容易。本发明中本发明中用了更容易实现的方法得到了铅垂方向的标准。具体做法是用一根均匀细导线，下面挂一个重锤，这根细导线就成了铅垂线，并直接作为电容传感器的高电位电极，可用来判断另一个电极，即指零电极在移动时的移动路径是否为铅垂方向，也就是说这根细导线就成了铅垂方向的标准。

此电极就作为判断移动路径是否为铅垂方向的标准。但是细导线要做到完全笔直是不容易的。

本发明用下面简单易行的方法做到了这一点。用一根直径0.3mm，1m长(也可根据实际需要选取其它长度)的优质漆包线。实测数据说明此漆包线在所需长度内的直径均匀性优于0.1μm。如果漆包线的直径均匀性达不到优于0.1μm的指标，可以进行挑选，选出一段长度满足需求而直径均匀性优于0.1μm的优质导线。实际操作说明这一点不难做到。实测数据说明此漆包线悬挂1.8kg重物时会被拉断。操作时挂上重量为80％的重锤，约1.5kg。再在漆包线的两端通入电流。逐步调大电流，达到12A时，漆包线发热达到热屈服极限，会自行伸长。此时再逐步减小电流，直到电流为零。此时漆包线的残余应力和残余变形就被很好地消除了。实测数据说明此时漆包线的直径不均匀性仍小于0.1μm，但变得更加笔直。经过这样的处理后漆包线应避免在后续操作中再产生新的变形。实际使用时，可以将漆包线的上端稳定固定在一个小型龙门架上。

3，把固定在铅垂导线末端的重锤浸入液体中，利用液体阻尼消除铅垂导线的晃动，大大增加了铅垂方向标准的准确性：

末端挂着重锤的铅垂导线成为一个重力摆。在外界的震动和气流的干扰下，会不停地产生微小摆动。如把此导线作为电容传感器的高电位电极，电极间的距离就会不断变动而严重影响电容量的读出精度，从而降低了测量精度。

本发明解决此问题的方法是把挂在下面的重锤浸入液体(粘滞系数较大的液体(例如0.95Pa.s～1.52Pa.s。)，例如一杯变压器油)中。由于液体阻尼的作用，摆动会很快衰减到难以察觉的程度，从而大大提高了读数精度。

4，电容传感器的另一电极-指零电极装在竖直移动装置(即被测装置)上，该电极做成球面的一部分(利用数控车床机械加工成球面)，曲率半径接近该球面到移动装置中心的距离(与该距离的关系是相等，这里用接近是指允许实际测量得到的球面到移动装置中心的距离存在微小误差，但不应大于1毫米。)，这样可以大大减小移动装置在移动时的晃动对电容量测量的影响：

电容传感器的另一电极-指零电极装在竖直移动装置上(采用固定连接方式即可，例如可以采用如下方式：电容传感器的指零电极的尾端有一根M10的螺柱，该螺柱被拧入竖直移动装置侧壁上的螺纹孔中，并用螺母固定。)，该电极随着竖直移动装置上下移动。此电极做成近似一个竖直放置的平面，而作为电容传感器高电位电极的铅垂漆包线就放在非常靠近指零电极处(0.5mm～1mm)，具体实施时，两者之间的水平距离约为0.5mm。指零电极随着移动装置上下移动时，它与电容传感器高电位电极，即铅垂漆包线之间的电容量变化就反映了两者距离的变化的距离变化，也就是移动路线与铅垂线之间距离的变化，即电容传感器的读数(即精密变压器电桥上的读数)变化就反映了移动是否为铅垂方向，如果电容量不变，则为绝对铅垂方向，电容量变化越大，说明偏离铅垂方向越大。具体使用时，可用一精密横向位移平台对本发明中的电容传感器进行标定，从而绘制出一条电容值与横向位移的关系曲线，进而得到与铅垂方向的偏移量相对应的电容值。

移动装置上下移动时难免有一些微小的晃动。如把指零电极由平面改为球面的一部分，曲率半径近似该球面到移动装置中心的距离，可以大大减小移动装置在移动时的晃动对电容量测量的影响。

电容传感器的电容量读数基本上与电极之间的距离成反比。当电极之间的距离很小时，电容量对电极间距离变化的敏感度就会非常高。但此时如果电极位置本身不太稳定时，数据的分散性也会很大。上面已说过，铅垂漆包线的末端挂了重锤，成为一个重力摆。在外界的震动和气流的干扰下，会不停产生微小摆动。但本发明中把重锤浸入液体(例如一杯变压器油)中。由于液体阻尼的作用，摆动会很快衰减到难以察觉的程度，从而大大提高了读数精度。实验说明，当移动装置不移动时，电容传感器的电容量相对稳定性优于万分之一。所以，当电容传感器电极间距离为0.5mm～1mm时，电容传感器的读数可以反映出电极间距离万分之一的变化，即优于0.1μm。在这里，油对重锤的阻尼作用起了关键作用。这是本发明的特点之一。

电容传感器的电容量约为数pF，因此电容量测量属于小电容精密测量的范围。小电容测量时易受周围环境电干扰的影响，特别是对于指零电极，一定要有完善的静电屏蔽(静电屏蔽壳是自己设计并加工的(采用的材料为铝合金；是将球面电极的后面和侧面包裹住，只露出前端球面部分作为电容传感器的探头)。该屏蔽壳与球面电极之间通过绝缘层将两者隔离，并利用螺丝将三者固定在一起)。所以从图1可以看到，球面电极，即指零电极周围布置了完善的静电屏蔽，去除周围的电干扰。该静电屏蔽还有一个重要作用，即防护了周围稍远处的导电体(如漆包线的悬挂装置及重锤等)对电极间电容的影响，使得可移动装置上下移动时电容量的变化很接近铅垂漆包线无穷长时的理想情况。

当指零电极随着可移动装置上下移动时难免有一些微小的晃动。如把电极由平面改做成球面的一部分，曲率半径近似该球面到移动装置中心的距离，可以大大减小移动装置在移动时的晃动对电容量测量的影响，读数分散性也随着明显减小。

适合小电容精密测量的装置是精密变压器电桥。这种电桥的测量准确度高，另一大优点是电桥的高电位测量端的输出阻抗很低，接在电容传感器的高电位电极上，可使高电位电极对于外界干扰来说，接近短路状态。因而高电位电极可以不用再装置静电屏蔽。只要把电容传感器的指零电极仔细屏蔽起来即可。因而整个装置得到了简化。图1中的装置就是按照这样的考虑设计的。本发明所用的是AH2700型精密变压器电桥，实验证明，电桥的读数很稳定，可分辨0.1μm的电极间距离的变化。当然也可以用其他型号或自制的变压器电桥。

本发明可使用于多种情况。只要能安装上述电容传感器的场合均可应用。这里举出一个较为特别的应用例，可说明本发明的应用范围很广泛。

下面通过一个实施例来说明本发明方法的技术效果：

图2为建立“量子质量标准”的研究课题中所用装置的示意图。包括左刀201，中刀202、右刀203、砝码204、可动线圈205和固定线圈206在天平右侧挂着一个可动线圈205，此线圈套在一个固定线圈206外面，如在固定线圈206和可动线圈205中分别通以电流I₁和I₂，则两个线圈之间就会产生电磁力(M为两个线圈之间的互感，z为铅垂方向的坐标)。将此力与砝码204的重力mg相平衡，就可由已建立的电学量子标准(约瑟夫森电压量子标准和量子化霍尔电阻标准)导出质量m的量子标准。这里的一个关键问题是要求出两个线圈之间的互感量对铅垂方向坐标的微商为此需把天平转动一个小角度，求出在天平不同位置下的互感量M。此时产生的一个困难问题是，天平转动时可动线圈并不严格地在铅垂方向移动。由此求出的互感量对移动坐标的微商并不严格等于对铅垂方向的微商其中包含误差。原则上，天平转动时右刀203是以中刀202为圆心的圆弧上运动的。只有在一个“特定位置”(相当于天平横梁的水平位置)，右刀203的运动轨迹正好与铅垂线相切。可动线圈的运动轨迹是与右刀轨迹相平行的，如能找到这个“特定位置”，可动线圈在此处的运动轨迹也会与铅垂线相切，相应的互感量对天平转角方向的微商也就正好等于对铅垂方向的微商了。

在实验中采用本发明的装置求出了所需的“特定位置”。图3中画出了实验曲线。图中的横坐标为天平端点的移动距离(μm)，纵坐标为电容传感器的读数(pF)。把实验数据进行拟合后用拟合曲线观察，可以清楚地看到电容值在横坐标(-500μm)处有一个最大值，表示在此处天平端点与铅垂线之间的距离为最小值。这就是所需求出的“特定位置”。如使天平在此“特定位置”处求互感的微商，由于移动轨迹与铅垂线相切，可以得到的准确数值。另一方面可以看到，这个“特定位置”与天平出厂时给出的天平横梁水平位置(横坐标等于0处)很接近，说明天平出厂时还是调整得比较好的。但天平出厂时并没有专门进行过移动轨迹是否铅垂的测量。经过用本发明中的方法测定“特定位置”后，发现与出厂结果还有一定的小偏差。使用本发明给出的方法后，可使实验准确度进一步提高。

本发明为一种实现高精度测量垂直移动方向的新方法。传统的测量垂直方向的方法是测量光线在水平面上的反射角度。需要用一套较为复杂的光学系统，装置的安装及操作都不太容易。同时，用作参考标准的水平面一般用液体形成，液体面的波动会影响测量准确性。本发明中提出用电容传感器进行测量。其要点是用加热拉伸法制作高精度的铅垂导线，成为电容传感器的高电位电极，作为铅垂方向的标准。固定在铅垂导线末端的重锤浸入液体中，利用液体阻尼消除铅垂导线的晃动，提高测量精度。电容传感器的另一电极，即指零电极装在垂直移动装置上，该电极做成球面的一部分，曲率半径接近该球面到移动装置中心的距离，这样可以大大减小移动装置在移动时的晃动对电容量测量的影响。实测数据表明测量移动方向与铅垂方向偏离的精度可达高达0.1μm。比起光学方法来，装置简单，操作方便。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (9)

1.一种实现高精度测量竖直移动方向的装置，其特征在于：所述装置包括电容传感器和精密变压器电桥；

所述电容传感器的高电位电极和指零电极分别与所述精密变压器电桥连接；

所述指零电极与竖直移动装置固定连接；

所述指零电极与高电位电极之间电容量的变化能够指示出竖直移动装置的移动方向是否为铅垂方向；

其中，所述高电位电极采用铅垂的漆包线，所述漆包线的下端通过带屏蔽的测量线与所述精密变压器电桥连接，在所述漆包线的下端悬挂有重锤。

2.根据权利要求1所述的实现高精度测量竖直移动方向的装置，其特征在于：所述带屏蔽的测量线与漆包线下端的连接位置低于指零电极的下边缘。

3.根据权利要求2所述的实现高精度测量竖直移动方向的装置，其特征在于：所述装置进一步包括容器，在所述容器内装满阻尼液，所述重锤完全浸没在所述阻尼液内。

4.根据权利要求3所述的实现高精度测量竖直移动方向的装置，其特征在于：所述指零电极采用球面电极，所述球面电极的球面端靠近所述漆包线的中部，所述球面电极的球面端与漆包线之间的距离在0.5mm～1mm之间；所述球面电极的另一端与垂直移动装置固定连接，并通过带屏蔽的测量线与所述精密变压器电桥连接。

5.根据权利要求4所述的实现高精度测量竖直移动方向的装置，其特征在于：所述球面电极的球面端的形状为球面的一部分，其曲率半径与该球面到移动装置中心的距离之间的差值小于等于1毫米。

6.根据权利要求5所述的实现高精度测量竖直移动方向的装置，其特征在于：所述球面电极外面包裹有静电屏蔽壳，所述静电屏蔽将球面电极的后面和侧面均包裹住，只露出球面电极前端的球面端；

所述静电屏蔽壳与球面电极之间设有绝缘层，球面电极、绝缘层和静电屏蔽壳通过螺丝固定安装在一起。

7.一种实现高精度测量竖直移动方向的方法，其特征在于：所述方法包括：

(1)将待测的竖直移动装置与球面电极的一端固定连接；

(2)将铅垂的漆包线下端连接的重锤完全浸没到阻尼液中；

(3)将球面电极的球面端与漆包线的距离设置在0.5mm～1mm之间；

(4)将连接在漆包线下端和球面电极上的带屏蔽的测量线分别接入精密变压器电桥的BNC信号输入端口；

(5)开启精密变压器电桥，开始测量，指零电极随着竖直移动装置上下移动时，精密变压器电桥上的读数为指零电极与铅垂的漆包线之间电容量的变化，而该电容量的变化反映了指零电极与漆包线之间距离的变化，也就是移动路线与铅垂线之间距离的变化，进而判断出竖直移动装置的移动方法是否为铅垂方向。

8.根据权利要求7所述的实现高精度测量竖直移动方向的方法，其特征在于：所述铅垂的漆包线是这样实现的：

选出一段直径均匀性优于0.1μm的漆包线；

在该漆包线的下端挂上重锤；

在漆包线的两端通入电流，然后逐步调大电流，当漆包线发热达到热屈服极限时，漆包线自行伸长；

逐步减小电流，直到电流为零。

9.根据权利要求8所述的实现高精度测量竖直移动方向的方法，其特征在于：所述重锤的重量为该漆包线所能承受极限重量的80％。