CN103644835A

CN103644835A - 一种电涡流位移传感器温度漂移系数的测量装置

Info

Publication number: CN103644835A
Application number: CN201310740208.2A
Authority: CN
Inventors: 冯志华; 王洪波; 刘永斌; 李伟; 张连生
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2013-12-29
Filing date: 2013-12-29
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2033-12-29
Also published as: CN103644835B

Abstract

本发明公开了一种电涡流位移传感器温度漂移系数的测量装置，该装置利用超低热膨胀系数的垫片，和普通材料制造的探头固定结构、弹性体，以及目标导体片、支架、底座构成一个非常精确稳定的位移固定系统。不同于以往的测量装置全部采用低温漂的因瓦（Invar）合金等材料制造的温度漂移测量装置，本装置的主体可以是廉价而易于加工制造的常用材料，确定位移的垫片采用低热膨胀系数的材料制造。本发明装置可以用来精确测量高分辨率电涡流位移传感器的温度漂移，还可以安装精密位移制动器来校准灵敏度和线性度等。基于本发明的涡流传感器温度系数测量装置，结构简单，成本低，而且其所固定的位移温漂系数可以低至1nm/℃以下。

Description

一种电涡流位移传感器温度漂移系数的测量装置

技术领域

本发明涉及位移传感器的温度漂移系数测量，尤其涉及一种电涡流位移传感器的温度漂移系数的测量装置。

背景技术

电涡流传感器由于能工作在各种恶劣的环境下，在各种工业应用和科学研究中得到了广泛的应用。相对于电容式位移传感器和光学位移传感器对各种环境参数的高敏感性，电涡流传感器可以工作在很多极端的环境下，比如高温，低温，或者受污染环境，甚至在一些液体环境里。然而，在一些高精度的位移测量中，电涡流位移传感器相对较大的温度漂移系数限制了其应用。为了给出电涡流传感器的温度漂移系数指标，或者为了校正其温度漂移，需要精确测量其温度漂移系数。目前已有的电涡流位移传感器温度系数测量装置都昂贵而复杂。并且已有的温度系数测量装置没有考虑支架本身的热膨胀系数，因此系统本身有一个温度系数，造成测量的温度系数并不准确；或者直接采用因瓦合金等低热膨胀系数的材料制造探头和目标固定系统，价格昂贵。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种电涡流位移传感器温度漂移系数的测量装置，其为简单、低价、有效的测量装置，实现了非常高稳定性的位移固定精度，可以精确标定电涡流位移传感器的温度系数。

本发明采用的技术方案为：一种电涡流位移传感器温度漂移系数的测量装置，该装置包括：底座、螺旋测微头、锁紧螺钉、弹性体、标准垫片、压紧机构、同轴电缆、电涡流位移传感器探头、目标导体片以及带V型槽和圆柱孔的支架；支架固定在底座上，电涡流位移传感器探头由压紧机构固定在支架的V型槽中，目标导体片和电涡流位移传感器探头之间的距离由标准垫片确定，轴线与电涡流位移传感器探头平行的螺旋测微头通过弹性体将目标导体片压紧到标准垫片上，螺旋测微头安装到支架的圆柱孔中，并通过锁紧螺钉固定，电涡流位移传感器探头的探测信号通过同轴电缆输出。

进一步的，电涡流位移传感器探头放入支架的V型槽中，弹簧柱塞通过支架侧板的圆柱孔固定在支架上，弹簧柱塞的前端压到压块上，压块的圆弧面与传感器探头的圆柱面接触，调节压紧机构的旋钮螺帽，能够改变施加在探头上的力，压力应该适中，能保证很好的固定传感器探头，同时又不能损坏传感器的外壳，组装位移固定部分时，首先选取需要的固定厚度的超低热膨胀系数的标准垫片贴到传感器探头的前端面上，然后把目标导体片贴到标准垫片上，再加弹性体压到目标导体片上，再缓慢调节螺旋测微头，使测杆往探头方向移动，逐渐压紧弹性体，直到弹性体产生一个明显变形为止，弹性体的压力也应该适中。

进一步的，目标导体片和电涡流位移传感器探头之间的距离由标准垫片确定。

进一步的，标准垫片采用超低热膨胀系数的材料制造，能够采用石英玻璃。

进一步的，弹性体的刚度K₁远远小于标准垫片的刚度K₂：K₁<<K₂。

进一步的，V型槽两侧关于垂直面对称，V型槽的中线和螺旋测微探头的轴线平行。

进一步的，螺旋测微探头采用公法螺旋测微仪探头，其测杆在移动的时候不转动，因此系统热胀冷缩时，测头不会对弹性体产生扭转力。

本发明的原理在于：

本发明的核心思想是：电涡流传感器探头放在V型槽中，通过压紧机构施加向下的压紧力固定在V型槽中，保证了安装之后的涡流传感器的轴线和螺旋测微仪的测头轴线平行，不存在俯仰或者左右偏斜角度。同时电涡流传感器的前后位置并没有固定，在热胀冷缩中可以自由变形，保证了电涡流传感器测量过程中不产生热变形。标准垫片采用超低热膨胀系数的材料制作，其厚度的温度稳定性非常高。通过刚度很低的弹性体提供一个合适的预压力，但弹性体受到热应力时，会首先产生变形，补偿了其它部件的热变形，使得目标导体片和标准垫片以及电涡流探头始终保持接触。这样，电涡流传感器探头和目标导体片之间的距离由标准垫片的厚度确定，因此本发明装置所确定的电涡流传感器探头和目标导体距离的温度稳定性非常高。本发明装置具有低成本，结构简单，易于调节使用等优点，在电涡流传感器温度系数的精密测量中具有重要应用价值。

本发明所述的一种电涡流位移传感器温度漂移系数的测量装置，主要由带V型槽和圆柱孔的支架、螺旋测微头、电涡流位移传感器探头、压紧机构、弹性体、目标导体片和标准垫片组成。其中电涡流位移传感器探头通过压紧机构固定在支架的V型槽中；螺旋测微头通过锁紧螺钉固定在支架上的圆孔中。工作时，将螺旋测微头向探头方向移动，通过弹性体，压紧目标导体片，使目标导体片和探头都与标准垫片在一定压力下保持接触。当螺旋测微头向探头方向移动，施加一定的预紧力在弹性体上时弹性体受压缩产生了一定的变形。由于厚度方向的刚度K＝EA/L，弹性体的杨氏模量远小于标准垫片的杨氏模量E₁<<E₂，再者弹性体的长度（厚度）要比标准垫片的厚度大很多倍，L₁＞L₂，而且A₁＜A₂，因此K₁<<K₂。在系统热胀冷缩的过程中，由于支架和测微杆长度会发生变化，造成弹性体上的压力的改变，长度也发生改变，从而保持目标导体片和探头始终与标准垫片在一定压力下接触。由于弹性体的刚度很低，因此热胀冷缩变形引起的内应力很小，由热应力引起的标准垫片厚度的改变完全可以忽略不计。标准垫片采用石英玻璃等超低热膨胀系数的材料制造，假设所用石英玻璃片的厚度为1mm，热膨胀系数为0.5ppm/℃，则其厚度变化的温度系数为0.5nm/℃。高分辨率的电涡流传感器的探测距离通常都在1mm以下，因此标准垫片的厚度随温度的变化可以忽略不计。螺旋测微头可以直接采用标准的25mm、15mm或者其它的测微头，调节和安装都很方便。支架可以采用铝或者钢等材料制造，成本低廉，容易加工，保证测微头的安装孔和探头安装的V型面的加工的形位公差，即可保证整个系统工作良好。支架可以直接安装在隔振平台上，也可以安装在设计好的任何底座上。支架可以设计成卧式的，也可以设计成立式的。电涡流位移传感器探头直径可以在一定范围里面变化，在必要的时候，还可以通过改变V型槽的尺寸，来适应相应的探头直径。整个位移固定机构在探头轴线以外的方向都是自由的，可以自由变形，不会因为热变形，产生热应力。因此，即使存一些细微的加工或者安装误差，系统热胀冷缩时仍然可以保证目标和探头的距离保持稳定。

本发明与现有技术相比的优点为：

（1）、不同于以往的测量装置全部采用低温漂的因瓦合金等材料制造的温度漂移测量装置，本装置的主体可以是廉价而易于加工制造的常用材料，确定位移的垫片采用低热膨胀系数的材料制造即可。

（2）、本发明装置中的传感器探头采用V型槽、带圆弧面的压块和弹簧柱塞构成的压紧机构来固定。传感器探头固定可靠，定位精度高。探头通过压块的圆弧面均匀受力，不会造成变形。通过弹簧柱塞施加到压紧滑块上一个适当的压力，结构简单，压力可以通过安装在弹簧柱塞上的旋钮螺帽进行手动调节。此外V型槽和圆弧压块固定探头，可以适用于一个很大范围尺寸的探头。小直径和大直径的探头，都可以很好实现良好、精确的固定。

（3）、位移固定机构采用简单的螺旋测微头和弹性体压紧，通过低热膨胀系数的标准垫片确定位移。结构简单、可靠，位移稳定性高，拆卸、安装都很方便，不需要任何工具。本发明装置所固定的位移的热膨胀系数低于1nm/℃，可以用来精确测量高分辨率电涡流位移传感器的温度漂移系数，同时还可以用来校准灵敏度和线性度等。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图（卧式）；

图2为本发明装置结构示意图（立式）；

图3为利用本发明装置的温度漂移系数测量系统；

图4为涡流传感器探头固定压紧机构；

图5为压块和弹簧柱塞结构；

图6为位移固定结构；

图7利用本发明测得的涡流位移传感器温度漂移。

附图标记说明：1：底座；2：螺旋测微头；3：锁紧螺钉；4：弹性体；5：标准垫片；6：压紧机构；7：同轴电缆；8：电涡流位移传感器探头；9：目标导体片；10：螺栓；11：支架；12：温度传感器（Pt100）；13：温度控制箱；14：涡流传感器信号处理电路；15：温度传感器信号处理电路；16：计算机（或DSP）；17：压块；18：弹簧柱塞；19：旋钮螺帽。

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详细说明。

参照图1，一种卧式的电涡流位移传感器的温度漂移系数的测量装置，主要由带V型槽和圆柱孔的“”形状的支架11、螺旋测微头2、电涡流位移传感器探头8、压紧机构6、弹性体、目标导体片9和标准垫片5组成。支架11为“

”形状，具有两个侧板，一个底板，两个侧板均与底板垂直，V型槽和圆柱孔分别位于“”形状的支架11的两个侧板上，其中电涡流位移传感器探头8通过压紧机构固定在支架11的V型槽中；螺旋测微头2通过锁紧螺钉3固定在支架11上的圆柱孔中。工作时，将螺旋测微头2向探头方向移动，通过弹性体4，压紧目标导体片9，使目标导体片9和探头都与标准垫片5在一定压力下保持接触。

当螺旋测微头2向探头方向移动，施加一定的预紧力在弹性体4上时，弹性体4受压缩产生了一定的变形。由于厚度方向的刚度K＝EA/L，而弹性体4的杨氏模量E₁远小于标准垫片5的杨氏模量E₂，即E₁<<E₂，再者弹性体4的厚度（长度）L₁要比标准垫片5的厚度L₂大很多倍，L₁＞L₂，而且垫片5的面积A₁比弹性体4的面积A₂要大A₁＜A₂，因此K₁<<K₂。在系统热胀冷缩的过程中，由于支架11和测微杆长度会发生变化，造成弹性体4上的压力的改变，长度也发生改变，从而保持目标导体片9和探头始终与标准垫片5在一定压力下接触。由于弹性体4的刚度很低，因此热胀冷缩变形引起的内应力很小，由热应力引起的标准垫片5厚度的改变完全可以忽略不计。

标准垫片5一般可采用石英玻璃或者微晶玻璃等低热膨胀系数、不导电的材料制造成不同标准厚度的垫片。对于绝大多数高分辨率的电涡流位移传感器，其量程大都只有几十到几百微米。以最大量程探头间距为2mm为例，微晶玻璃热膨胀系数为0.5ppm/℃，则该2mm间距的热稳定性高达1nm/℃，对于比较小的间距，这个系数更低，可以满足高分辨率、高精度的电涡流传感器的温度系数标定的要求。

螺旋测微头2可以直接采用标准的25mm、15mm或者其它的测微头，调节和安装都很方便。

支架11可以采用铝或者钢等材料制造，成本低廉，容易加工，保证测微头的安装孔和探头安装的V型面的加工的形位公差，即可保证整个系统工作良好。

支架11可以直接安装在隔振平台上，也可以安装在设计好的任何底座上。

支架11可以设计成卧式的，也可以设计成立式的。

电涡流位移传感器的探头直径可以在一定范围里面变化，在必要的时候，还可以通过改变V型槽的尺寸，来适应更大范围的探头直径。

弹性体4一般可采用弹性比较好的橡胶柱来实现，也可以采用其它弹性体来实现，变形接触面积大，受力均匀，容易获得。弹簧虽然也可以，但弹簧受力点分布很小，容易产生其它方向的内应力，有可能在系统热胀冷缩时造成被测目标或者标准垫片产生额外的变形，乃至损坏某个元件。

弹性体和标准垫片、被测目标与探头和螺旋测微头的安装关系如图6所示。

本发明装置中，探头由V型槽、压块和螺旋柱塞固定。如图4所示，安装时，先将探头放在V型槽中，然后将带圆弧面的压块放在探头上，调节旋钮，使弹簧柱塞往下移动，施加到压块上一个力，探头的位置由V型槽和压块确定，压力大小可以通过弹簧柱塞调节。

整个位移固定机构在探头轴线以外的方向都是自由的，可以自由变形，不会因为热变形，产生热应力。因此，即使存一些细微的加工或者安装误差，系统热胀冷缩时仍然可以保证目标和探头的距离保持稳定。

参照图2给出了一种立式的电涡流位移传感器温度系数标定装置，其基本结构与图1所述的装置一致，不作详细描述。

电涡流位移传感器的温度系数测定时，把支架11安装到底座1上，固定好电涡流位移传感器探头之后，选择合适的厚度的标准垫片5，然后将目标导体片9和垫片一起靠到探头前端面上，移动测微杆，通过弹性体4压紧目标和垫片。然后把整个装置放到带温度传感器的温度控制箱中，通过温度控制箱缓慢加热或者冷却整个系统，通过记录温度和传感器的输出，即可获得准确的传感器温度漂移曲线，可计算出该传感器的温度系数等指标。整个系统如图3所示。

为了验证本实验装置的效果，我们利用本发明装置对美国KAMAN公司的涡流传感器SMT9700-15N进行了温度漂移测试。实验中，标准垫片的厚度为0.25mm，其热膨胀引起的位移变化仅为0.25nm/℃左右，完全可以忽略不计。计算机记录在加热过程中，传感器输出位移和温度随着时间的变化如图7(a)所示，由此数据即可绘制出传感器位移输出与温度的关系曲线如图7(b)所示。由该图可知该传感器的温度漂移基本上是线性的，与温度变化成正比，测得的漂移系数大约为130nm/℃。可见，利用本发明装置，可以简单、精确地测量出电涡流位移传感器的温度漂移曲线。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种电涡流位移传感器温度漂移系数的测量装置，其特征在于：该装置包括：底座（1）、螺旋测微头（2）、锁紧螺钉（3）、弹性体（4）、标准垫片（5）、压紧机构（6）、同轴电缆（7）、电涡流位移传感器探头（8）、目标导体片（9）、固定螺钉（10）和带V型槽和圆柱孔的支架（11）；支架（11）固定在底座（1）上，电涡流位移传感器探头（8）由压紧机构（6）固定在支架（11）的V型槽中，目标导体片（9）和电涡流位移传感器探头（8）之间的距离由标准垫片（5）确定，轴线与电涡流位移传感器探头（8）平行的螺旋测微头（2）通过弹性体（4）将目标导体片（9）压紧到标准垫片（5）上，螺旋测微头（2）安装到支架（11）的圆柱孔中，并通过锁紧螺钉（3）固定，电涡流位移传感器探头（8）的探测信号通过同轴电缆（7）输出。

2.根据权利要求1所述的一种电涡流位移传感器温度漂移系数的测量装置，其特征在于：电涡流位移传感器探头（8）放入支架（11）的V型槽中，弹簧柱塞通过支架侧板的圆柱孔固定在支架上，弹簧柱塞的前端压到压块上，压块的圆弧面与传感器探头的圆柱面接触，调节压紧机构的旋钮螺帽，能够改变施加在探头上的力，压力应该适中，能保证很好的固定传感器探头，同时又不能损坏传感器的外壳，组装位移固定部分时，首先选取需要的固定厚度的超低热膨胀系数的标准垫片（5）贴到传感器探头的前端面上，然后把目标导体片（9）贴到标准垫片（5）上，再加弹性体压到目标导体片（9）上，再缓慢调节螺旋测微头（2），使测杆往探头方向移动，逐渐压紧弹性体，直到弹性体产生一个明显变形为止，弹性体的压力也应该适中。

3.根据权利要求1所述的一种电涡流位移传感器温度漂移系数的测量装置，其特征在于目标导体片（9）和电涡流位移传感器探头（8）之间的距离由标准垫片（5）确定。

4.根据权利要求1所述的一种电涡流位移传感器温度漂移系数的测量装置，其特征在于标准垫片（5）采用超低热膨胀系数的材料制造，能够采用石英玻璃。

5.根据权利要求1或2所述的一种电涡流位移传感器温度漂移系数的测量装置，其特征在于弹性体（4）的刚度K₁远远小于标准垫片（5）的刚度K₂：K₁<<K₂。

6.根据权利要求1或2所述的一种电涡流位移传感器温度漂移系数的测量装置，其特征在于V型槽两侧关于垂直面对称，V型槽的中线和螺旋测微探头（2）的轴线平行。

7.根据权利要求1或2所述的一种电涡流位移传感器温度漂移系数的测量装置，其特征在于螺旋测微探头（2）采用公法千分尺的螺旋测微头，其测杆在移动的时候不转动，因此系统热胀冷缩时，测头对弹性体（4）不产生扭转力。