CN104051203B - 一种bn离子门及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种BN离子门及其制作方法，该方法包括：S1、提供绝缘基板和金属丝；S2、提供逐渐变小的预紧力作用于金属丝以使金属丝绕制到绝缘基板上，以在绝缘基板的同一面形成相互平行且等间距排列的多根金属丝段，并且多根金属丝段形成交替排列且相互绝缘的第一金属丝组和第二金属丝组，且各金属丝段具有相同的内部张紧力；其中，提供渐变预紧力使得欲绕制的第i根金属丝段受其对应的预紧力而伸长后的长度等于绝缘基板受已绕制的i-1根金属丝段压迫后的长度，且已绕制的金属丝段受张紧力而伸长后的长度等于绝缘基板受已绕制的金属丝段压迫后的长度，其中i为正整数。本发明的方法制作的BN离子门径向电场均匀、稳定。

Description

一种BN离子门及其制作方法

技术领域

本发明涉及分析仪器领域，尤其涉及一种BN离子门及其制作方法。

背景技术

离子门是一种可用于离子迁移谱，飞行时间质谱和电子显微镜等分析仪器中的一种控制离子运动的装置。通过在两组交替平行排列的金属丝间施加电位差，从而形成垂直于离子原始运动方向的偏转电场或阻断电场，可以偏转离子运动轨迹或阻断离子的运动。

现有技术中有多种控制离子运动的离子门类型，其中应用最广泛的是Bradbury-Nielsen(BN)离子门。BN离子门由位于同一平面或者平行平面的两组相互绝缘等间距交替排列的平行金属丝组成。两组金属丝带有相同电势时，垂直穿过的离子可以不受影响的通过，即离子门开门状态；当两组金属丝之间存在电位差时，垂直穿过的离子受到径向电场的作用，运动轨迹发生偏转，如果偏转角度一定大时，离子将无法到达仪器后端的接收检测器，即离子门关门状态。

目前已知，BN离子门可以通过绕制等手段制作，但这些方法制作出的BN离子门存在径向电场不均匀、不稳定的问题，严重影响BN离子门的性能。

发明内容

一般情况下，BN离子门所采用的绝缘基板的杨氏模量远小于金属丝的杨氏模量，根据杨氏模量E的计算公式E＝(F/S)/(△L/L)，其中F/S为线应力，△L/L为线应变，在同样的受力情况(即同样的线应力)下，形变量与杨氏模量成反比，绝缘基板与金属丝的形变量不一致。在传统的绕制方法制作BN离子门的方法中，由于每次施加同样的预紧力去将金属丝绕制到绝缘基板上，又因每绕制完成一根金属丝段时绝缘基板受该根金属丝段压缩产生的形变量大于该金属丝段因内部张紧力而产生的形变量，随着绕制过程中绝缘基板逐渐被压缩，各金属丝段内部的张紧力出现不一致、不均匀，先绕制好的金属丝段内部张紧力逐渐减小甚至消失而松弛，导致相邻两金属丝段的间距不一致，造成离子门径向电场不均匀、不稳定，最终影响仪器的性能。

本发明的主要目的在于提供一种BN离子门及其制作方法，以解决上述BN离子门径向电场不均匀和不稳定的技术问题。

本发明提供以下技术方案：

一种BN离子门的制作方法，包括以下步骤：

S1、提供绝缘基板和金属丝；

S2、提供渐变预紧力作用于所述金属丝，以使所述金属丝绕制在所述绝缘基板上，以在所述绝缘基板的同一面形成相互平行且等间距排列的多根金属丝段，并且多根所述金属丝段形成交替排列且相互绝缘的第一金属丝组和第二金属丝组，且各所述金属丝段具有相同的内部张紧力；

其中，各所述金属丝段需要不同的所述预紧力，所述预紧力由第一根金属丝段至最后一根金属丝段逐渐变小，使得第i根金属丝段受其对应的预紧力而伸长后的长度等于所述绝缘基板受已完成绕制的i-1根金属丝段压迫后的长度，且已完成绕制的金属丝段受所述张紧力而伸长后的长度等于所述绝缘基板受所述已完成绕制的金属丝段压迫后的长度，其中i为正整数。

在上述技术方案中，提供逐渐变小的预紧力作用于金属丝以进行绕制，并且第i根金属丝段受其对应的预紧力而伸长后的长度等于所述绝缘基板受前面已完成绕制的i-1根金属丝段压迫后的长度，因此，虽每绕制完成一根金属丝段，绝缘基板的长度会有所减小，但却能够保证每根即将绕制上去的金属丝段受其对应的预紧力拉长后的长度刚好够绕制在所述绝缘基板上，而绕制上去后(即完成绕制)的每根金属丝段受其内部张紧力伸长后的长度等于绝缘基板受该些已完成绕制的金属丝段压迫后的长度，即已完成绕制的各金属丝段具有相同的张紧力和形变量，由于各金属丝段的原始长度都相等，因此，每根已绕制上去的金属丝段具有相同的内部张紧力，能够保证各金属丝段始终等间距排列。

优选地，所述步骤S2中，绕制第i根所述金属丝段时所需的所述预紧力Fi由下式得出：

$L_0(1-\frac{(i-1){F_T}^{(i-1)}}{E_2{A}_2})=H_0(1+\frac{F^i}{E_1{A}_1}),$ i＝1,2,3,…,2N-1或i＝1,2,3,…,N

其中，N为所述BN离子门所需的金属丝段数目，2N-1为需绕制的金属丝段总数，当i＝1,2,3,…,2N-1时所述金属丝通过双面绕制法绕制到所述绝缘基板上，当i＝1,2,3,…,N时所述金属丝通过单面绕制法绕制到所述绝缘基板上，L₀为所述绝缘基板平行于所述金属丝段方向的长度，H₀为所述金属丝段的原始长度，F_T ^(i-1)为第i根金属丝段前面的已完成绕制的i-1根金属丝段具有的相等的张紧力，E₂和A₂分别为所述绝缘基板的弹性模量和垂直于金属丝段方向的横截面积，E₁和A₁分别为所述金属丝的弹性模量和横截面积，其中L₀、E₂、A₂、E₁和A₁均为已知，而H₀可以通过下式得出：

$L_0(1-\frac{{\mathrm{NF}}_T}{E_2{A}_2})=H_0(1+\frac{F_T}{E_1{A}_1})$

其中F_T为制作完成后BN离子门的金属丝段的最终张紧力，为预先设定的；

F_T ^(i-1)可以通过下式得出，设n＝i-1：

$L_0(1-\frac{{{\mathrm{nF}}_T}^n}{E_2{A}_2})=H_0(1+\frac{{F_T}^n}{E_1{A}_1}),$ n＝1,2,3,…,2N-1或n＝1,2,3,…,N。

优选地，所述绝缘基板两侧设有相互绝缘的第一覆铜区和第二覆铜区，所述绝缘基板两侧边缘具有多对定位槽分设于所述第一覆铜区和所述第二覆铜区；

当所述金属丝通过双面绕制法绕制到所述绝缘基板上时，所述步骤S2包括：

S21、将所述金属丝的端头固定于第一对所述定位槽中的其中一个处；

S22、翻转所述绝缘基板，以牵引所述金属丝绕制至第一对所述定位槽中的另一个处，完成第一根所述金属丝段的绕制，使得第一根金属丝段的两端分别位于第一对所述定位槽处；继续同方向翻转所述绝缘基板，以牵引所述金属丝由绝缘基板背面绕制至第二对所述定位槽的其中一个处，完成第二根所述金属丝段的绕制，重复动作直至完成第2N-1根金属丝段的绕制，使所述绝缘基板正面具有N根所述金属丝段，背面具有N-1根所述金属丝段，且正面的N根金属丝段中，第奇数根为所述第一金属丝组，第偶数根为所述第二金属丝组；

S23、将绕制完成的各所述金属丝段与所述绝缘基板固定后，去除各所述金属丝段的多余部分，使所述第一金属丝组一端位于所述第二覆铜区，另一端位于所述绝缘基板上靠近所述第一覆铜区的位置，同时使所述第二金属丝组一端位于所述第一覆铜区，另一端位于所述绝缘基板上靠近所述第二覆铜区的位置；

当所述金属丝通过单面绕制法绕制于所述绝缘基板上时，所述步骤S2包括：

将所述金属丝的端头固定于第一对所述定位槽中的其中一个处，翻转所述绝缘基板，以牵引所述金属丝绕制至第一对所述定位槽中的另一个处，完成第一根所述金属丝段的绕制；再将所述金属丝定位至第二对所述定位槽中的其中一个处，翻转所述绝缘基板，以牵引所述金属丝绕制至第二对所述定位槽中的另一个处，完成第二根所述金属丝段的绕制；重复动作直至完成第N根金属丝段的绕制，从而在所述绝缘基板的正面形成N根金属丝段，且第奇数根为所述第一金属丝组，第偶数根为所述第二金属丝组。

优选地，所述预紧力由一拉力转换机构提供，所述拉力转换机构包括给定质量的砝码、定滑轮、砝码拉力线和拉力转换轴，所述拉力转换轴包括圆柱体和带螺旋导槽的圆锥台，所述定滑轮支撑所述砝码拉力线，所述砝码拉力线一端悬吊所述砝码，另一端固定在所述圆锥台大头一端的第一个导槽内，所述圆柱体用于缠绕待固定至所述绝缘基板的所述金属丝；当翻转所述绝缘基板绕制所述金属丝时，所述金属丝通过所述圆柱体带动所述拉力转换轴转动，所述圆锥台的转动使得所述砝码拉力线由所述圆锥台大头一端往小头一端沿所述导槽缠绕，从而提供逐渐变小的所述预紧力；

所述圆锥台的大头端面半径为R₁、小头端面半径为R₂、高度为L、相邻两个所述导槽的间距为导程S，所述导程S设定为所述砝码拉力线直径的3～5倍；所述圆柱体的半径为r，其中R₁和r为给定值；所述砝码质量为M；

其中：

M由式F¹r＝MgR₁求出，其中F¹为绕制第一根所述金属丝段时所需的预紧力，M为所述砝码的质量，g为万有引力常数；

双面绕制时，R₂由式F^(2N-1)r＝MgR₂求出，其中F^(2N-1)为绕制最后一根所述金属丝段时所需的预紧力；

单面绕制时，R₂由式F^Nr＝MgR₂求出，其中F^N为绕制最后一根所述金属丝段时所需的预紧力；

双面绕制时，L由式 $(2N-1)L_0={\∫}_0^1\left(\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dt}}\right)}^2}\right)\mathrm{dt}$ 求出，

单面绕制时，L由式 $N{L}_0={\∫}_0^1\left(\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dt}}\right)}^2}\right)\mathrm{dt}$ 求出，

其中：

$x=(R_1-(R_1-R_2)t)\×\cos \frac{2\mathrm{tL\π}}{S};$

$y=(R_1-(R_1-R_2)t)\×\sin \frac{2\mathrm{tL\π}}{S};$

z＝Lt。

优选地，所述圆锥台的锥面与所述圆柱体的柱面之间具有凸出的圆环形隔断板。

优选地，所述预紧力由一拉力转换机构提供，所述拉力转换机构包括砝码、定滑轮、砝码拉力线和拉力转换轴，所述拉力转换轴包括第一圆柱体和第二圆柱体，所述定滑轮支撑所述砝码拉力线，所述砝码拉力线一端悬吊所述砝码，另一端固定在所述第一圆柱体上，所述第二圆柱体用于缠绕待固定至所述绝缘基板的金属丝；

在缠绕所述金属丝至所述绝缘基板的过程中，根据每根所述金属丝段所需的所述预紧力Fⁱ来更换所述砝码的质量，满足Fⁱr＝MⁱgR，从而以不断更换质量的砝码来提供渐变的所述预紧力，其中，Mⁱ为绕制第i根所述金属丝段时所需的砝码质量，g为万有引力常数，R为第一圆柱体的半径，r为所述第二圆柱体的半径，且R和r为给定值；

当翻转所述绝缘基板绕制所述金属丝时，所述金属丝通过所述第二圆柱体带动所述拉力转换轴转动，所述第一圆柱体的转动带动所述砝码拉力线，从而基于变换质量的砝码，通过所述拉力转换轴，提供渐变的所述预紧力。

优选地，所述第一圆柱体的柱面与所述第二圆柱体的柱面之间具有凸出的圆环形隔断板。

优选地，所述绝缘基板上于所述第一覆铜区和所述第二覆铜区之间为中央区，所述中央区开设孔洞，在所述中央区的孔洞两侧分别设有等间距排列的多个第一焊盘和多个第二焊盘；

所述第一焊盘位于邻近所述第一覆铜区的一侧，各所述第一焊盘的位置分别对应至奇数对的所述定位槽，所述第二焊盘位于邻近所述第二覆铜区的一侧，各所述第二焊盘分别对应至偶数对的所述定位槽；

所述步骤S23中，所述第一金属丝组一端焊接至所述第一焊盘，另一端焊接在所述第二覆铜区，所述第二金属丝组一端焊接至所述第二焊盘，另一端焊接在所述第一覆铜区；对于所述第一金属丝组，剪去所述第一焊盘与位于所述第一覆铜区的所述定位槽之间的部分，以使所述第一焊盘与所述第一覆铜区之间绝缘，同时与所述第二覆铜区之间通过所述第一金属丝组导通；对于所述第二金属丝组，剪去所述第二焊盘与位于所述第二覆铜区的所述定位槽之间的部分，以使所述第二焊盘与所述第二覆铜区之间绝缘，同时与所述第一覆铜区之间通过所述第二金属丝组导通。

优选地，所述预紧力由一拉力转换机构提供，所述拉力转换机构包括砝码、定滑轮、砝码拉力线和拉力转换轴，所述拉力转换轴包括一体成型的圆柱体和带螺旋导槽的圆锥台，所述定滑轮支撑所述砝码拉力线，所述砝码拉力线一端悬吊所述砝码，另一端固定在所述圆锥台大头一端的第一个导槽内，所述圆柱体用于缠绕待缠绕至所述绝缘基板的所述金属丝；当翻转所述绝缘基板绕制所述金属丝时，所述金属丝通过所述圆柱体带动所述拉力转换轴转动，所述圆锥台的转动使得所述砝码拉力线由所述圆锥台大头一端往小头一端沿所述导槽缠绕，从而提供逐渐变小的所述预紧力；或者，

所述预紧力由一拉力转换机构提供，所述拉力转换机构包括砝码、定滑轮、砝码拉力线和拉力转换轴，所述拉力转换轴包括第一圆柱体和第二圆柱体，所述定滑轮支撑所述砝码拉力线，所述砝码拉力线一端悬吊所述砝码，另一端固定在所述第一圆柱体上，所述第二圆柱体用于缠绕待固定至所述绝缘基板的金属丝；在缠绕所述金属丝至所述绝缘基板的过程中，逐渐减小所述砝码的质量以实现所述预紧力从大至小的逐渐变化。

本发明还提供一种根据前述的方法制作的BN离子门，所述BN离子门包括绝缘基板，所述绝缘基板的同一面具有多根相互平行且等间距排列的金属丝段，多根所述金属丝段形成交替排列且相互绝缘的第一金属丝组及第二金属丝组。

本发明提供的BN离子门制作方法制作出的BN离子门，能够保证各金属丝段的内部张紧力都相同且保持张紧状态一致，从而保证金属丝间距的一致性，达到BN离子门径向电场均匀、稳定的有益效果。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的一种BN离子门结构示意图；

图2是本发明实施例1的BN离子门制作方法示意图；

图3是图2中的拉力转换轴的参数示意图；

图4a是采用双面绕制的过程中BN离子门的正面示意图；

图4b是采用双面绕制的过程中BN离子门的背面示意图；

图5是本发明实施例2的BN离子门制作方法示意图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

参数及概念说明：

预紧力：仅在拉动金属丝进行绕制时提供的绕制力

张紧力：完成绕制后两端已定位在绝缘基板上的金属丝段内部具有的张力

原始长度：物体在不受外力作用时的长度

L₀：绝缘基板在平行于金属丝段方向的原始长度，为已知量

H₀：金属丝段的原始长度，为未知量

E₁：金属丝的杨氏模量，为已知量

E₂：绝缘基板的杨氏模量，为已知量

A₁：金属丝的横截面积，为已知量

A₂：绝缘基板在垂直于金属丝段方向的横截面积，为已知量

Fⁱ：绕制第i根金属丝段时所需提供的预紧力，为未知量

F_T：设定的最终张紧力，为给定值，属已知量

F_T ⁱ：第i根金属丝段绕制完成后，各绕制完成的金属丝段具有的内部张紧力，为未知量

N：BN离子门所需的金属丝段数目，为已知量

2N-1：双面绕制法中所需绕制的金属丝段总数目，为已知量

R₁：圆锥台大头端面半径，为给定值，属已知量

R₂：圆锥台小头端面半径，为未知量

r：用于缠绕待绕制的金属丝的圆柱体的半径，为给定值，属已知量

L：圆锥台的高度，为未知量

S：圆锥台上的导槽间距(或称导程)，一般设定为砝码拉力线截面直径的3～5倍，属已知量

M：不更换砝码质量的拉力转换机构中的砝码质量，为未知量

g：万有引力常数

Mⁱ：实施例2的拉力转换机构中缠绕第i根金属丝段时所需要的砝码质量，为未知量

R：实施例2的拉力转换机构中第二圆柱体的半径，为给定值，属已知量

其中，双面绕制时i＝1,2,3,…,2N-1，单面绕制时i＝1,2,3,…,N，在下文提供的公式中，根据绕制方式，选择相应的i进行迭代计算。

在本发明中，作出以下近似：1)在绕制金属丝时，绕制完成第i根而准备绕制第i+1根时，默认第i根金属丝段内部的张紧力与提供给第i+1根的预紧力不相互影响；2)双面绕制时，虽绝缘基板背面的金属丝段有所倾斜，即与绝缘基板的长度方向边缘具有一定夹角，但在本发明中，近似认为夹角为0，背面绕制的金属丝段也平行于绝缘基板的长度方向边缘。

实施例1

本实施例提供一种BN离子门的制作方法，该方法包括以下步骤：

S1、提供一绝缘基板和金属丝；

S2、提供渐变预紧力作用于所述金属丝，以使所述金属丝绕制在所述绝缘基板上，以在所述绝缘基板的同一面形成相互平行且等间距排列的多根金属丝段，并且多根所述金属丝段形成交替排列且相互绝缘的第一金属丝组和第二金属丝组，且各所述金属丝段具有相同的内部张紧力；其中，各所述金属丝段需要不同的所述预紧力，所述预紧力由第一根金属丝段至最后一根金属丝段逐渐变小，使得欲绕制的第i根金属丝段受其对应的预紧力而伸长后的长度等于所述绝缘基板受先前已完成绕制的i-1根金属丝段压迫后的长度，从而保证第i根金属丝在受预紧力作用后长度刚好够绕制在目前的绝缘基板上，且已完成绕制的金属丝段受所述张紧力而伸长后的长度等于所述绝缘基板受已完成绕制的金属丝段压迫后的长度，即当第i根金属丝段完成绕制后，绝缘基板因受到第i根的压迫而长度有所收缩，从而第i根以及前面的i-1根金属丝段(即总共i根)均又有所收缩，已完成绕制的金属丝段具有不断变化的长度，同时绝缘基板也具有不断变化的长度，但始终保持平衡状态——已完成绕制的金属丝段受内部张紧力拉长后的长度等于绝缘基板受该些已绕制完成的金属丝段压迫后的长度。因每根金属丝段的原始长度(即没有预紧力作用的长度)是相等的，而绕制时提供给金属丝的预紧力是越往先固定的金属丝段，预紧力越大，绕制完成的i根金属丝段保持同样的伸长量，即具有同样的内部张紧力，其中i为正整数。可知，每绕制完成一根金属丝段，各金属丝段内部张紧力就会有所减小，但始终保持每根金属丝段的张紧力是一致的。

根据上述步骤S2，欲制作金属丝段平行等间距排列且内部张紧力均匀一致的BN离子门，可根据需要给待绕制的每根金属丝段提供满足一定条件的预紧力，根据步骤S2的描述，绕制第i根金属丝段时所需的预紧力Fⁱ需满足：

$L_0(1-\frac{(i-1){F_T}^{(i-1)}}{E_2{A}_2})=H_0(1+\frac{F^i}{E_1{A}_1})---\left(1\right)$

在制作前，一般先根据需要设定最终制作出的BN离子门的金属丝段的最终张紧力FT，则制作完成的BN离子门的各金属丝段受各自内部的张紧力F_T伸长后的长度为而绝缘基板受所有金属丝段(单面和双面绕制，最终留下的都是N根)共同压迫后的长度为根据前述步骤S2的描述，有：

$L_0(1-\frac{{\mathrm{NF}}_T}{E_2{A}_2})=H_0(1+\frac{F_T}{E_1{A}_1})---\left(2\right)$

由预先设定的最终张紧力F_T及BN离子门所需的金属丝段数目N，通过式(2)即可求出需要的每根金属丝段的原始长度H₀，将H₀代入式(1)，可求出在绕制第1根金属丝段(即i＝1)时所需提供的预紧力F¹，即由得F¹，而在绕制第2根时所需的预紧力F²，根据公式(1)，需要知道第1根金属丝绕制完成后其内部张紧力F_T ¹，根据前述，每绕制完成一根金属丝段，就会产生一个新的张紧力，且绕制完成的n根金属丝段具有同等张紧力，也具有同等的长度为而绝缘基板因受绕制完成的n根金属丝段的压力nF_T ⁿ压迫后的长度为根据前述步骤S2描述，有：

$L_0(1-\frac{{{\mathrm{nF}}_T}^n}{E_2{A}_2})=H_0(1+\frac{{F_T}^n}{E_1{A}_1}),n=i-1---\left(3\right)$

据此，当欲绕制第2根金属丝段(即i＝2)时，先根据式(3)求出前面已绕制完成的1根金属丝段的内部张紧力F_T ¹，将求出的F_T ¹再代入式(1)有：则可求得绕制第2根金属丝段需要的预紧力F²，依次循环，便可制作出金属丝段最终张紧力为F^T的BN离子门，且该离子门具有等间距排列的金属丝段，离子门的径向电场均匀、稳定。

在本实施例中，采用一种如图2所示的方式来提供预紧力绕制所述金属丝200，如图2所示，所述预紧力由一拉力转换机构提供，所述拉力转换机构包括固定质量的砝码600、定滑轮500、砝码拉力线400和拉力转换轴，所述拉力转换轴包括圆柱体301和带螺旋导槽的圆锥台302，圆柱体301与圆锥台302是一体成型的，即两者为同一个转动轴；所述定滑轮500支撑所述砝码拉力线400，所述砝码拉力线400一端悬吊砝码600，另一端固定在所述圆锥台302大头一端的第一个所述导槽内，所述圆柱体301用于缠绕待缠绕至所述绝缘基板100的金属丝200，当翻转所述绝缘基板100绕制所述金属丝200时，所述金属丝200通过所述圆柱体301带动所述拉力转换轴转动，所述圆锥台302的转动使得所述砝码拉力线400由所述圆锥台302大头一端往小头一端沿所述导槽缠绕，从而提供逐渐变小的所述预紧力。优选但非限制性的拉力转换机构如图3所示，所述圆锥台302的大头端面半径为R₁、小头端面半径为R₂、高度为L、相邻两导槽的间距为导程S，在具体实施中，导程S一般设定为砝码拉力线400截面直径的3～5倍，所述圆柱体301的半径为r。

采用图2中的拉力转换机构提供预紧力，该施加于每根金属丝段预紧力的大小由砝码600的质量和所述拉力转换轴的参数有关，具体关系分析如下：

当砝码拉力线400悬吊质量为M的砝码且砝码拉力线在起始位置(即位于圆锥台大头一端的第一个导槽内)时，砝码600产生的力作用于所述圆锥台302所产生的一个力矩为MgR₁，而牵引金属丝200进行缠绕时，对金属丝施加的预紧力作用于圆柱体301产生的一个力矩为Fⁱr，砝码拉力线400在起始位置对应于缠绕第1根金属丝段，由于圆锥台和圆柱体是一体成型形成的所述拉力转换轴，因此当翻转绝缘基板100拉动所述金属丝200进行第1根金属丝段的缠绕时，所需的牵引力(即施加的预紧力)F¹需满足：

F¹r＝MgR₁(4)方能使金属丝拉动拉力转换轴转动，才能进行缠绕。在缠绕每根金属丝段之前，根据前述的公式(1)、(2)、(3)，可以事先计算确定所需施加的预紧力，将该预紧力代入式(4)，r和R₁是给定的，便可确定砝码质量M。

在缠绕最后一根金属丝段时，砝码拉力线已由大头端第一个导槽缠绕至最末一个导槽(即小头端第一个导槽)，此时依据前述力矩分析，应当有：

F^(2N-1)r＝MgR₂(5)

或F^Nr＝MgR₂(6)

其中，式(5)对应双面绕制法，式(6)对应单面绕制法，再通过前述公式(1)、(2)、(3)计算出绕制最后一根金属丝段所需的预紧力F^(2N-1)或F^N的基础上，通过式(5)或式(6)得到圆锥台302的优选参数R₂。

接着，再根据下述公式确定圆锥台的高度L，以确定所述拉力转换机构所用的圆锥台：

$(2N-1)L_0={\∫}_0^1\left(\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dt}}\right)}^2}\right)\mathrm{dt}---\left(7\right)$

$N{L}_0={\∫}_0^1\left(\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dt}}\right)}^2}\right)\mathrm{dt}---\left(8\right)$

其中，式(7)对应双面绕制法，式(8)对应单面绕制法，其中的参数x、y和z分别如下：

$x=(R_1-(R_1-R_2)t)\×\cos \frac{2\mathrm{tL\π}}{S};$

$y=(R_1-(R_1-R_2)t)\×\sin \frac{2\mathrm{tL\π}}{S};$

z＝Lt，将x、y、z代入式(7)或式(8)，便可得到圆锥台优选的参数L。

至此，得到能够提供所需的渐变预紧力的拉力转换机构，接下来阐述采用该拉力转换机构分别进行双面绕制和单面绕制：

在优选的方案中，所述步骤S1中提供的绝缘基板100如图4a所示，具有中央区，所述中央区开设孔洞101，两侧设有相互绝缘的第一覆铜区31和第二覆铜区32，所述绝缘基板100的两侧边缘具有多对定位槽(第1对：21a和21b；第2对：22a和22b；第3对：23a和23b，…)分设于所述第一覆铜区31和所述第二覆铜区32，其中定位槽21a、22a、23a…位于所述第一覆铜区31的边缘，定位槽21b、22b、23b…位于所述第二覆铜区32的边缘。为了将绕制完成的金属丝段与绝缘基板100进行最终的固定并形成相互绝缘的所述第一金属丝组41和第二金属丝组42，在所述中央区的孔洞101两侧分别设置等间距排列的多个第一焊盘51和多个第二焊盘52，见于图1和图4a，其中所述第一焊盘51位于邻近所述第一覆铜区31的一侧，且各所述第一焊盘51的位置分别对应至第1对、第3对、第5对…(即奇数对)定位槽(21a/21b、23a/23b、…)，而所述第二焊盘52位于邻近所述第二覆铜区32的一侧，且各所述第二焊盘52的位置分别对应至第2对、第4对、第6对…(即偶数对)定位槽(22a/22b…)。

采用双面顺序绕制时，前述步骤S2包括：

S21、将所述金属丝端头定位在第一对所述定位槽中的其中一个处，例如：定位在定位槽21b处(对应图4b中的P1点处)；

S22、翻转所述绝缘基板100，以牵引所述金属丝200经由第一个所述第一焊盘51定位至第一对定位槽中的另一个即定位槽21a处，完成第一根所述金属丝段的绕制，且该绕制完成的第一根金属丝段位于绝缘基板的正面，使得第一根金属丝段的两端分别定位于第一对定位槽的21a和21b处。如图2所示，继续同方向翻转所述绝缘基板100，以牵引所述金属丝200由绝缘基板100背面绕制至第二对所述定位槽的其中一个即定位槽22b处，完成第二根所述金属丝段的绕制，再翻转所述绝缘基板100以牵引所述金属丝200经由第一个所述第二焊盘52(图4a中位于中央区的右侧邻近第二覆铜区32的最下面一个)定位至第二对所述定位槽的另一个即定位槽22a处，完成第三根(正面的第2根)所述金属丝段的固定，重复动作，直至完成第2N-1根金属丝段的绕制，将金属丝末端定位在P2点处，使所述绝缘基板正面具有N根所述金属丝段，背面具有N-1根所述金属丝段，且正面的N根金属丝段中，第奇数根为所述第一金属丝组41，第偶数根为所述第二金属丝组42；

S23、将完成绕制的金属丝段与绝缘基板进行固定，可以采用焊接固定：焊接经由所述第一焊盘51的金属丝段，然后去除所述第一焊盘51与第一覆铜区31内的定位槽(21a、23a…)之间的金属丝线，形成所述第一金属丝组41；焊接经由所述第二焊盘52的金属丝段，然后去除所述第二焊盘52与第二覆铜区32内的定位槽(22b…)之间的金属丝线，形成所述第二金属丝组42。使得所述第一金属丝组41一端固定在所述第二覆铜区32，另一端固定在所述第一焊盘51处，同时所述第二金属丝组42一端固定在所述第一覆铜区31，另一端固定在所述第二焊盘52处。

其中，前述焊接固定包括两种方式，第一种方式是在所有金属丝段都绕制完成后进行固定，然后再剪去多余部分；第二种方式是每完成一根金属丝段的绕制后就固定一根。第二种方式还有一个好处：可以避免绕制过程中前面绕制完成的某一根甚至多根金属丝断掉导致在先绕制的金属丝松弛，需重新绕制的问题。这两种固定方式都适合于双面和单面绕制法。

采用单面顺序绕制时，前述步骤S2包括：

将所述金属丝200端头定位于第一对所述定位槽20a中的其中一个处，例：定位于定位槽21b处，翻转所述绝缘基板100，以牵引所述金属丝200经由第一个所述第一焊盘51，并定位至第一对所述定位槽中的21a处，完成第一根所述金属丝段的绕制；再将所述金属丝定位至第二对所述定位槽中的22a处，以前一次翻转的反方向翻转所述绝缘基板(即来回翻转，而不同于双面绕制中，一直朝同一个方向顺序翻转)，以牵引所述金属丝200定位至第二对所述定位槽中的22b处，完成第二根所述金属丝段的绕制；重复动作直至完成第N根金属丝段的绕制，从而在所述绝缘基板的正面形成N根金属丝段，且第奇数根为所述第一金属丝组，第偶数根为所述第二金属丝组。

无论是单面绕制还是双面绕制法，在进行焊接和剪去多余部分的金属丝线之后，都形成图1所示的BN离子门，如图1所示：第一焊盘51与第一覆铜区31之间绝缘，同时与所述第二覆铜区32之间通过所述第一金属丝组41导通；而第二焊盘52与第二覆铜区32之间绝缘，同时与所述第一覆铜区31之间通过所述第二金属丝组42导通，使得在绝缘基板100的同一面形成多根相互平行且等间距排列的金属丝段，多根所述金属丝段形成交替排列且相互绝缘的第一金属丝组41及第二金属丝组42。

在优选的方案中，所述圆锥台302的锥面与所述圆柱体的柱面之间具有凸出的圆环形隔断板。

实施例2

本实施例提供的BN离子门的制作方法，与实施例1的区别在于：提供预紧力的拉力转换机构是通过不断更换砝码质量来提供渐变预紧力，因此本实施例中的拉力转换机构与实施例1中的存在下述区别：如图5所示，拉力转换轴包括用于缠绕金属丝200的第一圆柱体301a和第二圆柱体302a，砝码拉力线固定于所述第二圆柱体302a上并可缠绕于其柱面上。优选的方案中，第一圆柱体301a的柱面和第二圆柱体302a的柱面之间具有凸出的圆环形的隔断板。

基于上述区别，本实施例中可以事先给定拉力转换轴的第一圆柱体和第二圆柱体的参数，即第一圆柱体半径r，第二圆柱体半径R，根据缠绕每根金属丝段所需的预紧力来确定每次所需的砝码质量，根据实施例1中的力矩分析，每次缠绕金属丝时所需的预紧力Fⁱ与对应的砝码质量Mⁱ之间优选满足：

Fⁱr＝MⁱgR(9)单面绕制和双面绕制，根据i值的取值范围，均可依据公式(1)、(2)、(3)求得Fⁱ，代入公式(9)，便可依次求得Mⁱ。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种BN离子门的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、提供绝缘基板和金属丝；

S2、提供渐变预紧力作用于所述金属丝，以使所述金属丝绕制在所述绝缘基板上，以在所述绝缘基板的同一面形成相互平行且等间距排列的多根金属丝段，并且多根所述金属丝段形成交替排列且相互绝缘的第一金属丝组和第二金属丝组，且各所述金属丝段具有相同的内部张紧力；

其中，各所述金属丝段需要不同的所述预紧力，所述预紧力由第一根金属丝段至最后一根金属丝段逐渐变小，使得欲绕制的第i根金属丝段受其对应的预紧力而伸长后的长度等于所述绝缘基板受已完成绕制的i-1根金属丝段压迫后的长度，且已完成绕制的金属丝段受所述张紧力而伸长后的长度等于所述绝缘基板受所述已完成绕制的金属丝段压迫后的长度，其中i为正整数；

所述步骤S2中，绕制第i根所述金属丝段时所需的所述预紧力Fⁱ由下式得出：

$L_0(1-\frac{(i-1){F_T}^{(i-1)}}{E_2{A}_2})=H_0(1+\frac{F^i}{E_1{A}_1}),$ i＝1,2,3,…,2N-1或i＝1,2,3,…,N

其中，N为所述BN离子门所需的金属丝段数目，2N-1为需绕制的金属丝段总数，当i＝1,2,3,…,2N-1时所述金属丝通过双面绕制法绕制到所述绝缘基板上，当i＝1,2,3,…,N时所述金属丝通过单面绕制法绕制到所述绝缘基板上，L₀为所述绝缘基板平行于所述金属丝段方向的原始长度，H₀为所述金属丝段的原始长度，F_T ^(i-1)为第i根金属丝段前面的已完成绕制的i-1根金属丝段具有的相等的张紧力，E₂和A₂分别为所述绝缘基板的弹性模量和垂直于金属丝段方向的横截面积，E₁和A₁分别为所述金属丝的弹性模量和横截面积，其中L₀、E₂、A₂、E₁和A₁均为已知，而H₀可以通过下式得出：

$L_0(1-\frac{{\mathrm{NF}}_T}{E_2{A}_2})=H_0(1+\frac{F_T}{E_1{A}_1})$

其中F_T为制作完成后BN离子门的金属丝段的最终张紧力，为预先设定的；

F_T ^(i-1)可以通过下式得出，设n＝i-1：

$L_0(1-\frac{{{\mathrm{nF}}_T}^n}{E_2{A}_2})=H_0(1+\frac{{F_T}^n}{E_1{A}_1}),$ n＝1,2,3,…,2N-1或n＝1,2,3,…,N。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述绝缘基板两侧设有相互绝缘的第一覆铜区和第二覆铜区，所述绝缘基板两侧边缘具有多对定位槽分设于所述第一覆铜区和所述第二覆铜区；

当所述金属丝通过双面绕制法绕制到所述绝缘基板上时，所述步骤S2包括：

S21、将所述金属丝的端头固定于第一对所述定位槽中的其中一个处；

S22、翻转所述绝缘基板，以牵引所述金属丝绕制至第一对所述定位槽中的另一个处，完成第一根所述金属丝段的绕制，使得第一根金属丝段的两端分别位于第一对所述定位槽处；继续同方向翻转所述绝缘基板，以牵引所述金属丝由绝缘基板背面绕制至第二对所述定位槽的其中一个处，完成第二根所述金属丝段的绕制，重复动作直至完成第2N-1根金属丝段的绕制，使所述绝缘基板正面具有N根所述金属丝段，背面具有N-1根所述金属丝段，且正面的N根金属丝段中，第奇数根为所述第一金属丝组，第偶数根为所述第二金属丝组；

S23、将绕制完成的各所述金属丝段与所述绝缘基板固定后，去除各所述金属丝段的多余部分，使所述第一金属丝组一端位于所述第二覆铜区，另一端位于所述绝缘基板上靠近所述第一覆铜区的位置，同时使所述第二金属丝组一端位于所述第一覆铜区，另一端位于所述绝缘基板上靠近所述第二覆铜区的位置；

当所述金属丝通过单面绕制法绕制于所述绝缘基板上时，所述步骤S2包括：

将所述金属丝的端头固定于第一对所述定位槽中的其中一个处，翻转所述绝缘基板，以牵引所述金属丝绕制至第一对所述定位槽中的另一个处，完成第一根所述金属丝段的绕制；再将所述金属丝定位至第二对所述定位槽中的其中一个处，翻转所述绝缘基板，以牵引所述金属丝绕制至第二对所述定位槽中的另一个处，完成第二根所述金属丝段的绕制；重复动作直至完成第N根金属丝段的绕制，从而在所述绝缘基板的正面形成N根金属丝段，且第奇数根为所述第一金属丝组，第偶数根为所述第二金属丝组。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述预紧力由一拉力转换机构提供，所述拉力转换机构包括砝码、定滑轮、砝码拉力线和拉力转换轴，所述拉力转换轴包括一体成型的圆柱体和带螺旋导槽的圆锥台，所述定滑轮支撑所述砝码拉力线，所述砝码拉力线一端悬吊所述砝码，另一端固定在所述圆锥台大头一端的第一个导槽内，所述圆柱体用于缠绕待缠绕至所述绝缘基板的所述金属丝；当翻转所述绝缘基板绕制所述金属丝时，所述金属丝通过所述圆柱体带动所述拉力转换轴转动，所述圆锥台的转动使得所述砝码拉力线由所述圆锥台大头一端往小头一端沿所述导槽缠绕，从而提供逐渐变小的所述预紧力；

所述圆锥台的大头端面半径为R₁、小头端面半径为R₂、高度为L、相邻两个所述导槽的间距为导程S，所述导程S设定为所述砝码拉力线直径的3～5倍；所述圆柱体的半径为r，其中R₁和r为给定值；所述砝码质量为M；

其中：

M由式F¹r＝MgR₁求出，其中F¹为绕制第一根所述金属丝段时所需的预紧力，g为万有引力常数；

双面绕制时，R₂由式F^(2N-1)r＝MgR₂求出，其中F^(2N-1)为绕制最后一根所述金属丝段时所需的预紧力；

单面绕制时，R₂由式F^Nr＝MgR₂求出，其中F^N为绕制最后一根所述金属丝段时所需的预紧力；

双面绕制时，L由式 $(2N-1)L_0={\∫}_0^1\left(\sqrt{{\left(\frac{dx}{dt}\right)}^2+{\left(\frac{dy}{dt}\right)}^2+{\left(\frac{dz}{dt}\right)}^2}\right)dt$ 求出，

单面绕制时，L由式 ${\mathrm{NL}}_0={\∫}_0^1\left(\sqrt{{\left(\frac{dx}{dt}\right)}^2+{\left(\frac{dy}{dt}\right)}^2+{\left(\frac{dz}{dt}\right)}^2}\right)dt$ 求出，

其中：

$x=(R_1-(R_1-R_2\left)t\right)\×cos\frac{2tL\mathrm{\π}}{S};$

$y=(R_1-(R_1-R_2\left)t\right)\×sin\frac{2tL\mathrm{\π}}{S};$

z＝Lt。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述圆锥台的锥面与所述圆柱体的柱面之间具有凸出的圆环形隔断板。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述预紧力由一拉力转换机构提供，所述拉力转换机构包括砝码、定滑轮、砝码拉力线和拉力转换轴，所述拉力转换轴包括第一圆柱体和第二圆柱体，所述定滑轮支撑所述砝码拉力线，所述砝码拉力线一端悬吊所述砝码，另一端固定在所述第一圆柱体上，所述第二圆柱体用于缠绕待固定至所述绝缘基板的金属丝；

在缠绕所述金属丝至所述绝缘基板的过程中，根据每根所述金属丝段所需的所述预紧力Fⁱ来更换所述砝码的质量，满足Fⁱr＝MⁱgR，从而以不断更换质量的砝码来提供渐变的所述预紧力，其中，Mⁱ为绕制第i根所述金属丝段时所需的砝码质量，g为万有引力常数，R为第一圆柱体的半径，r为所述第二圆柱体的半径，且R和r为给定值；

当翻转所述绝缘基板绕制所述金属丝时，所述金属丝通过所述第二圆柱体带动所述拉力转换轴转动，所述第一圆柱体的转动带动所述砝码拉力线，从而基于变换质量的砝码，通过所述拉力转换轴，提供渐变的所述预紧力。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述第一圆柱体的柱面与所述第二圆柱体的柱面之间具有凸出的圆环形隔断板。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述绝缘基板上于所述第一覆铜区和所述第二覆铜区之间为中央区，所述中央区开设孔洞，在所述中央区的孔洞两侧分别设有等间距排列的多个第一焊盘和多个第二焊盘；

所述第一焊盘位于邻近所述第一覆铜区的一侧，各所述第一焊盘的位置分别对应至奇数对的所述定位槽，所述第二焊盘位于邻近所述第二覆铜区的一侧，各所述第二焊盘分别对应至偶数对的所述定位槽；

所述步骤S23中，所述第一金属丝组一端焊接至所述第一焊盘，另一端焊接在所述第二覆铜区，所述第二金属丝组一端焊接至所述第二焊盘，另一端焊接在所述第一覆铜区；对于所述第一金属丝组，剪去所述第一焊盘与位于所述第一覆铜区的所述定位槽之间的部分，以使所述第一焊盘与所述第一覆铜区之间绝缘，同时与所述第二覆铜区之间通过所述第一金属丝组导通；对于所述第二金属丝组，剪去所述第二焊盘与位于所述第二覆铜区的所述定位槽之间的部分，以使所述第二焊盘与所述第二覆铜区之间绝缘，同时与所述第一覆铜区之间通过所述第二金属丝组导通。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预紧力由一拉力转换机构提供，所述拉力转换机构包括砝码、定滑轮、砝码拉力线和拉力转换轴，所述拉力转换轴包括一体成型的圆柱体和带螺旋导槽的圆锥台，所述定滑轮支撑所述砝码拉力线，所述砝码拉力线一端悬吊所述砝码，另一端固定在所述圆锥台大头一端的第一个导槽内，所述圆柱体用于缠绕待缠绕至所述绝缘基板的所述金属丝；当翻转所述绝缘基板绕制所述金属丝时，所述金属丝通过所述圆柱体带动所述拉力转换轴转动，所述圆锥台的转动使得所述砝码拉力线由所述圆锥台大头一端往小头一端沿所述导槽缠绕，从而提供逐渐变小的所述预紧力；或者，

所述预紧力由一拉力转换机构提供，所述拉力转换机构包括砝码、定滑轮、砝码拉力线和拉力转换轴，所述拉力转换轴包括第一圆柱体和第二圆柱体，所述定滑轮支撑所述砝码拉力线，所述砝码拉力线一端悬吊所述砝码，另一端固定在所述第一圆柱体上，所述第二圆柱体用于缠绕待固定至所述绝缘基板的金属丝；在缠绕所述金属丝至所述绝缘基板的过程中，逐渐减小所述砝码的质量以实现所述预紧力从大至小的逐渐变化。

9.一种根据权利要求1至8任一项所述的方法制作的BN离子门，包括绝缘基板，其特征在于：所述绝缘基板的同一面具有多根相互平行且等间距排列的金属丝段，多根所述金属丝段形成交替排列且相互绝缘的第一金属丝组及第二金属丝组。