CN104535625B - 一种电容传感探头和精密弹簧测漂仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容传感探头和精密弹簧测漂仪，该电容传感探头由可变平行板电容器、电容动片锁止机构、电磁屏蔽罩和动片连接件组成，该电容传感探头巧妙地应用了可变平行板电容器，结合电容传感电路实现对电容动片微小位移的检测。该测漂仪将精密弹簧与上述电容传感探头结合，通过测量可变平板电容器电容的变化得出精密弹簧长度的微小变化，进而计算出待测精密弹簧的温漂或时漂系数。该测漂仪巧妙地应用了上述电容传感探头，成功地实现了对待测精密弹簧(或类似器件样品)的温漂和时漂系数的快速、准确测量，而且测量结果精度非常高，高于现有的所有测量精密弹簧时漂和温漂的仪器。

Description

一种电容传感探头和精密弹簧测漂仪

技术领域

本发明涉及材料的检测技术领域，具体涉及一种电容传感探头和精密弹簧测漂仪，主要应用在需要使用精密弹簧，或材料试验等需要精确测定材料的尺寸变化特性的领域，例如为弹簧重力仪快速遴选精密弹簧，快速测量新材料样品的线膨胀系数、内部残余应力的释放、蠕变速率及变化等。

背景技术

精密弹簧(或其他精密器件)的长度或弹性随时间的漂移系数常简称为时漂，随温度的漂移系数常简称为温漂。材料的时漂或温漂直接或间接地反映了其弹性模量、剪切模量、蠕变速率等物理量随温度和时间的变化规律，因此快速准确测量材料的这些参数在材料学研究领域有重要意义。

精密仪器的探头部分往往由精密的机械部件构成，这些部件的长度或弹性的温漂或时漂系数对仪器的工作性能有直接影响。这些时漂或温漂效应通常在非常小的量级上，因此需要高精度的仪器方能测量。

当前，电子万能材料试验机(尤力.等.金属丝弹性模量的测量方法研究.稀有金属材料与工程.2007(36):1776-1779)可对通用材料在大动态范围下的多种物理量进行测量，但难以准确给出材料弹性模量的温度系数或蠕变效应。检测线材、棒材的线胀系数的仪器有干涉仪、光杠杆、读数显微镜等多种方法和手段(史宏凯,等.多光束干涉法精确测量金属线胀系数,2009(34):193-196)，但也难以精确测定成品精密弹簧、成品精密金属丝等特定器件在近似工作状态下的温漂和时漂。

在只考虑主要的一阶线性项时，时漂α_T和温漂α_t可由下式表示：

${\mathrm{\α}}_T=\frac{L_T-L_{T0}}{L_{T0}(T-T_0)}$

${\mathrm{\α}}_t=\frac{L_t-L_{t0}}{L_{t0}(t-t_0)}$

其中L_T0和L_T分别为待测精密弹簧在初始温度T₀和温度T下的长度，L_t0和L_t分别为待测材料在起始时刻t₀和时刻t下的长度。

在CHZ海洋重力仪、DZW台站式重力仪、Z400石英重力仪、LaCoste G等弹簧重力仪中，精密弹簧是其中的核心部件，其温漂和时漂对仪器的测量值有直接的贡献(IchiroN.Japan-China International Gravimetric Connection(II)-Drift characteristicsof LaCoste&Romberg gravimeters[J].Journal of the Geodetic Society of Japan,1989,35(1):37-47)。这些仪器中的弹簧要经过特殊和精细的制造工艺(陈志远,等.重力仪中零长弹簧的研制.地壳形变与地震,1990(10):28-36)，例如拉丝、绕簧、热处理定型、翻簧等工艺，工艺的细致区别便对弹簧最后的性能有影响。为了评价和提高工艺水平，提高研制效率，需要快速而准确地测量经过不同工艺制作的精密弹簧的温漂和时漂特性，这些测量也间接地反应了弹簧的切变模量温度系数和线胀系数及蠕变量，但是目前尚无专门仪器对精密弹簧(或类似材料)的温漂和时漂效应进行上述测量，特别是时漂效应的研究涉及弹簧内部结构的缓慢的物理变化过程，其定量研究仍然是一大难题。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了电容传感探头，结构简单，稳定性好，位移分辨率高，结合电容传感电路可实现对电容动片微小位移变化的长期连续监测。

本发明还提供了一种精密弹簧测漂仪，该测漂仪应用了上述电容传感探头，结构简单，操作方便，测量精度高，测量时间短，可对待测精密弹簧(或类似器件样品)进行快速准确的温漂和时漂测量。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种电容传感探头，至少包括为对称结构的电磁屏蔽罩、可变平行板电容器、动片连接件和用于控制电容动片的动片锁止机构，可变平行板电容器为对称结构，可变平行板电容器包括上电容定片、下电容定片、电容动片，电容动片上表面到上电容定片内表面的距离与电容动片下表面到下电容定片内表面的距离相等，可变平行板电容器位于电磁屏蔽罩内，电磁屏蔽罩顶部、上电容定片、下电容定片和电容动片的正中央均设有销孔，动片连接件为两端带有通孔的圆柱销，动片连接件穿过电磁屏蔽罩、上电容定片、下电容定片和电容动片的销孔，动片连接件与电磁屏蔽罩、上电容定片、下电容定片(11)之间均为间隙配合，动片连接件与电容动片之间为过盈配合，动片锁止机构固定在电磁屏蔽罩顶部或底部的外表上。

所述的上电容定片和下电容定片均呈中空的圆柱状，上电容定片底部开口，下电容定片顶部开口，电容动片呈圆盘状，上电容定片和下电容定片通过可拆卸的方式连接，上电容定片和下电容定片共同构成密闭、中空的圆柱体，电容动片位于圆柱体内。

上电容定片顶部内表面与电容动片上表面、下电容定片底部内表面与电容动片下表面的距离均不大于3mm。

所述的动片锁止机构为动片锁止爪，动片锁止爪包括两个弹性夹嘴和精密螺栓，两个夹嘴铰接，两个夹嘴的中部设有通孔，精密螺栓安装在两个通孔中。

一种精密弹簧测漂仪，至少包括低胀壳体、一维微位移调节台、待测精密弹簧、热屏蔽层、温度控制电路、质量块、电容传感探头和电容传感电路，低胀壳体安装于热屏蔽层内，一维微位移调节台固定于低胀壳体顶部的正中央且位于热屏蔽层外，待测精密弹簧的上端穿过低胀壳体、热屏蔽层的顶部，并安装在一维微位移调节台上，待测精密弹簧的下端与动片连接件的上端连接，下电容定片和电磁屏蔽罩的底部固定在低胀壳体底部的内表面上，质量块位于热屏蔽层的正下方，动片连接件的下端分别穿过低胀壳体、热屏蔽层，并与质量块连接，上电容定片、下电容定片和电容动片分别通过屏蔽线与电容传感电路连接，低胀壳体、电容传感探头在竖直方向的对称轴与待测精密弹簧的轴心在同一条直线上。

待测精密弹簧的上端连接有弹簧连接件，待测精密弹簧通过弹簧连接件与一维微位移调节台连接。

热屏蔽层底部设有框架结构的底座，质量块位于底座内。

由上述技术方案可知，在该电容传感探头中，当电容动片相对于上、下电容定片发生位移时，该可变平行板电容器的电容量便发生改变，通过测量电容量的变化值，便能计算得到电容动片的位移。

在该测漂仪中，待测精密弹簧与电容传感探头的动片连接件连接，待测精密弹簧因温漂或时漂效应的影响会引起长度的变化，从而带动电容动片移动，因此通过电容位移传感电路对电容动片位移的测量，结合对温度和测量时间的记录，便可计算出待测精密弹簧的温漂或时漂系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果与优点在于：

1)该探头稳定性好，位移分辨率高，在电容间隙为3mm时，可以分辨电容动片相对于电容定片1nm以内的位移变化，适合精密测量中微小位移变化的长期连续监测。

2)该测漂仪测量精度相当高，对待测材料的温漂和时漂系数的测量分辨率优于10^-8量级，高于现有万能材料试验机等商用仪器对相关系数的测量精度。

3)该测漂仪适合对一些成品精密器件进行无损测量和快速筛选，提高了工艺水平和制备效率，例如弹簧重力仪所需的精密弹簧的筛选，而现有设备尚不能满足这个需求。

4)该测漂仪能在室温至80℃的温度范围内为待测材料提供设定的稳定温度环境，控温精度优于0.02℃，因此可在较宽的温度范围内精确测量待测材料的温度效应。该测漂仪同时提供了本底漂移系数测量模式，方便扣除测漂仪本底噪声，提高测量精度。

附图说明

图1为本发明提供的电容传感探头的结构示意图。

图2为本发明提供的精密弹簧测漂仪的结构示意图。

其中：1-一维微位移调节台，2-热屏蔽层，3-弹簧连接件，4-待测精密弹簧，5-低胀壳体，6-动片连接件，7-动片锁止爪，8-电磁屏蔽罩，9-上电容定片，10-电容动片，11-下电容定片，12-质量块，13-底座，14-电容传感电路，15-温度控制电路，16-夹嘴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体说明。

本发明提供的电容位移传感探头的结构如图1所示，至少包括呈圆柱状的电磁屏蔽罩8、可变平行板电容器、动片连接件6和用于控制电容动片的动片锁止机构。可变平行板电容器为对称结构，可变平行板电容器包括上电容定片9、下电容定片11、电容动片10。本实施例中，上电容定片9和下电容定片11均呈中空的圆柱状，上电容定片9底部开口，下电容定片11顶部开口，电容动片10呈圆盘状。上电容定片9和下电容定片11通过可拆卸的方式连接，上电容定片9和下电容定片11装配完成后构成中空的圆柱体，电容动片10位于圆柱体内。其实，上电容定片和下电容定片均可以简单化，直接制作成一个平板，上电容定片、下电容定片和电容动片构成一个简单的可变平板电容器；但是本实施例中，上电容定片和下电容定片装配后形成一个密闭的空间，将电容定片放置于密闭的空间内，增加了运动的阻尼系数，缩短了动片在受到扰动后恢复到静态需要的调节时间。电容动片上表面到上电容定片内表面的距离与电容动片下表面到下电容定片上内表面的距离相等，可变平行板电容器位于电磁屏蔽罩8内。电磁屏蔽罩8接地，由软磁材料(http://www.huasteel.cn/a/ruancihejin/1J/)加工而成，为探头提供电磁屏蔽，提高探头抗干扰能力。上电容定片、下电容定片和电容动片均由低膨胀系数的微晶玻璃(http://www.schott.com/)加工成型，并且上电容定片顶部的内表面、下电容定片底部的内表面以及电容动片上、下表面上均镀金形成平板电极。测量开始之前，电容动片10上表面到上电容定片9顶部内表面的距离与电容动片下表面到下电容定片10底部内表面的距离相等。电磁屏蔽罩8顶部、上电容定片顶部、下电容定片底部和电容动片的正中央均设有销孔，动片连接件6为两端带有通孔的圆柱销。动片连接件6穿过电磁屏蔽罩8、上电容定片9、下电容定片11和电容动片10的销孔，动片连接件6与电磁屏蔽罩8、上电容定片9、下电容定片11之间均为间隙配合，动片连接件6与电容动片10之间为过盈配合。动片锁止机构固定在电磁屏蔽罩顶部的外表上，通过锁止机构来控制动片连接件。本实施例中，动片锁止机构为动片锁止爪，动片锁止爪包括两个夹嘴16和精密螺栓，两个夹嘴16铰接，两个夹嘴的中部设有通孔，精密螺栓安装在两个通孔中，动片锁止爪的开合由精密螺栓来控制。

本发明提供的精密弹簧测漂仪的结构如图2所示，该测漂仪至少包括低胀壳体5、一维微位移调节台1、待测精密弹簧4、热屏蔽层2、上述的电容传感探头、电容传感电路14、弹簧连接件3、温度控制电路15和质量块12。低胀壳体5安装于热屏蔽层2内，热屏蔽层用于阻隔外部的温度波动。温度控制电路15(宗杰.CHZ海洋重力仪的恒温和温补.测量与地球物理集刊,1988:107-111)根据其中的测温桥路设定的温度控制点将测漂仪的本体温度稳定在设定值的0.02℃误差范围以内，温度设定值可以是高于室温至80℃区间的任一温度点。低胀壳体亦由微晶玻璃(http://www.schott.com/)加工而成，一维微位移调节台1(Newport HTFPS301，杭州谱镭光电技术有限公司)固定于低胀壳体5顶部的正中央且位于热屏蔽层2外。一维微位移调节台用于调节待测精密弹簧上端的位置，并最终将电容动片调整至上电容定片和下电容定片的间隙正中间位置。待测精密弹簧4的上端与弹簧连接件3连接，弹簧连接件3穿过低胀壳体5、热屏蔽层2的顶部，并与一维微位移调节台1连接，待测精密弹簧4的下端与动片连接件6的上端连接。下电容定片11和电磁屏蔽罩8的底部固定在低胀壳体底部的内表面上。质量块12位于热屏蔽层的正下方，动片连接件6的下端分别穿过低胀壳体5、热屏蔽层2，并与质量块12连接。加载不同质量块可方便改变待测精密弹簧的张力，可以测量待测精密弹簧在不同负载情况下的时漂特性和弹性特性。

上电容定片9、下电容定片10和电容动片11分别通过屏蔽线与电容传感电路连接。低胀壳体5在竖直方向的对称轴与电容传感探头、待测精密弹簧4的轴心在同一条直线上。

上电容定片内表面到下电容动片上表面、下电容定片内表面到电容动片下表面的距离均不大于3毫米，结合电容传感电路对待测弹簧长度变化的测量精度优于1nm。

热屏蔽层2底部设有框架结构的底座13，质量块12位于底座13内。底座用来支撑测漂仪，方便放置质量块和测漂仪。

为提高测量效率和抑制共模效应，可在同一个低胀框架内自左至右分布1～3个由一维微位移调节台、待测精密弹簧(或其他精密材料)、质量块和电容位移传感器探头等组成的测量单元，以便可同时对一个以上的样品进行测量，根据不同单元输出结果的差分信息即可以给出弹簧制作工艺的一致性水平。

该测漂仪提供三种工作模式：1)待测精密弹簧温漂系数测量模式。此时动片锁止爪松开，电容动片处于自由运动状态。温度控制电路调节测漂仪所处的环境(即在高低不同的温度点循环变化)，待测精密弹簧的长度因温漂系数的影响而发生变化，电容传感电路测量并同步记录电容动片的位移数据，计算出待测精密弹簧的温漂系数。2)待测材料时漂系数测量模式。此时动片锁止爪松开，温度控制电路将测漂仪温度控制在某一恒温点，同时记录待测材料附近的残余温度波动数据，在经过一定的测量时间后，电容传感电路测量并同步记录电容动片的位移数据，从而得到待测精密弹簧长度的变化，根据待测精密弹簧长度的变化计算出待测精密弹簧的时漂系数。由于时漂系数很小，需要结合残余温度波动数据记录和1)测量的温漂系数修正残余温度效应。3)仪器本底漂移系数测量模式。此时动片锁止爪闭合，将电容动片相对于电容定片的位置固定。重复1)和2)的步骤，计算得到测漂仪的本底温漂和时漂系数。在精密弹簧或其他材料的测量中，根据仪器本底的温漂和时漂系数对材料的测量系数进行修正，从而提高测量精度。

在需要搬运仪器、更换待测精密弹簧、或测漂仪本底漂移系数测量模式时用动片锁止机构锁住电容动片，在其他工作模式时动片锁止机构则处于松开状态，电容动片处于自由状态。

Claims (7)

1.一种电容传感探头，至少包括为对称结构的电磁屏蔽罩(8)，其特征在于：还包括可变平行板电容器、动片连接件(6)和用于控制电容动片的动片锁止机构，可变平行板电容器为对称结构，可变平行板电容器包括上电容定片(9)、下电容定片(11)、电容动片(10)，电容动片上表面到上电容定片的距离与电容动片下表面到下电容定片的距离相等，可变平行板电容器位于电磁屏蔽罩(8)内，电磁屏蔽罩顶部、上电容定片、下电容定片和电容动片的正中央均设有销孔，动片连接件为两端带有通孔的圆柱销，动片连接件穿过电磁屏蔽罩(8)、上电容定片(9)、下电容定片(11)和电容动片(10)的销孔，动片连接件(6)与电磁屏蔽罩、上电容定片(9)、下电容定片(11)之间均为间隙配合，动片连接件(6)与电容动片(10)之间为过盈配合，动片锁止机构固定在电磁屏蔽罩(8)顶部或底部的外表上。

2.根据权利要求1所述的电容传感探头，其特征在于：所述的上电容定片(9)和下电容定片(11)均呈中空的圆柱状，上电容定片(9)底部开口，下电容定片(11)顶部开口，电容动片呈圆盘状，上电容定片(9)和下电容定片(11)通过可拆卸的方式连接，上电容定片和下电容定片共同构成密闭、中空的圆柱体，电容动片(10)位于圆柱体内。

3.根据权利要求2所述的电容传感探头，其特征在于：上电容定片(9)顶部内表面与电容动片(10)上表面、下电容定片(11)底部内表面与电容动片(10)下表面的距离均不大于3mm。

4.根据权利要求1所述的电容传感探头，其特征在于：所述的动片锁止机构为动片锁止爪(7)，动片锁止爪包括两个弹性夹嘴(16)和精密螺栓，两个夹嘴(16)铰接，两个夹嘴的中部设有通孔，精密螺栓安装在两个通孔中。

5.一种精密弹簧测漂仪，至少包括低胀壳体(5)、一维微位移调节台(1)、待测精密弹簧(4)、热屏蔽层(2)、温度控制电路(15)和质量块(12)，低胀壳体安装于热屏蔽层内，一维微位移调节台(1)固定于低胀壳体(5)顶部的正中央且位于热屏蔽层(2)外，其特征在于：还包括权利要求1所述的电容传感探头和电容传感电路(14)，待测精密弹簧的上端穿过低胀壳体、热屏蔽层的顶 部，并安装在一维微位移调节台上，待测精密弹簧(4)的下端与动片连接件(6)的上端连接，下电容定片(11)和电磁屏蔽罩的底部固定在低胀壳体底部的内表面上，质量块位于热屏蔽层的正下方，动片连接件的下端分别穿过低胀壳体、热屏蔽层，并与质量块连接，上电容定片(9)、下电容定片(11)和电容动片(10)分别通过屏蔽线与电容传感电路连接，低胀壳体(5)、电容传感探头在竖直方向的对称轴与待测精密弹簧(4)的轴心在同一条直线上。

6.根据权利要求5所述的精密弹簧测漂仪，其特征在于：待测精密弹簧的上端连接有弹簧连接件(3)，待测精密弹簧通过弹簧连接件与一维微位移调节台连接。

7.根据权利要求5所述的精密弹簧测漂仪，其特征在于：热屏蔽层底部设有框架结构的底座(13)，质量块位于底座内。