CN105510377A - 精密金属零长弹簧温度系数测量仪及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密金属零长弹簧温度系数测量仪及其方法，涉及地学仪器核心部件的性能检测技术。本测量仪是：在壳体单元内，从外到里，依次设置有外绝热层、外恒温罐、内绝热层、金属杜瓦瓶和内恒温罐；设置于壳体单元外部的温度控制系统分别与外恒温罐和内恒温罐连接；机械敏感探头单元设置于内恒温罐，零长弹簧设置于机械敏感探头单元内。测量仪能真实地模拟零长弹簧的使用环境，从而更为精确、真实地测量弹簧的温度系数；重复度高、稳定性好，受外部环境干扰极小；人为干预较少，提高了测量效率；适用于精密金属零长弹簧温度系数的测量。

Description

精密金属零长弹簧温度系数测量仪及其方法

技术领域

本发明涉及地学仪器核心部件的性能检测技术，尤其涉及一种精密金属零长弹簧温度系数测量仪及其方法。

背景技术

准确测量重力加速度及其变化在资源勘探、国防建设和地球科学研究等领域具有重要作用。而高精度弹性元件如今被广泛地应用于精密仪器、仪表和精密机械中，其中金属零长弹簧被成功地应用于重力仪去精确测量重力加速度。经过特殊加工工艺制作的金属零长螺旋弹簧具有相对尺寸小、灵敏度高，能克服动态测量的横向扰动，蠕变松弛量极小，是重力测量的理想弹性元件。金属零长弹簧的灵敏度为0.1微米/毫伽(1微伽＝10^-6伽，1毫伽＝10^-3伽，1伽＝1cm/s^-2)，分辨率为0.01毫伽，而重力仪要求弹簧的分辨率为0.001微米。这样的精度要求，势必造成零长弹簧在使用时受温度影响其长度变化非常可观，甚至远大于仪器的测量精度，进而对仪器的测量造成误差，因此需要精确地测量弹簧的温度系数去准确地计算重力仪所需要的控温精度水平，从而更准确、有效测量重力加速度的变化，更真实地反应实际重力值或者变化。

目前关于金属零长螺旋弹簧研究和应用较为成熟的也仅限于欧美一些发达国家，而国内对该种弹簧的研制和性能研究还处于起步和发展阶段。近年来中国科学院测量与地球物理研究所的科研人员对金属零长弹簧的研制做了系统的研究工作，其综合性能如蠕变和零漂也已达到了设计要求，但是有关零长弹簧温度系数的测量始终处于比较原始的水平，其测量方法也仅限于利用空调控制温度变化，利用读数精度为微米水平的光学垂高计读取弹簧长度变化，然后对取得数据用最小二乘法计算结果，该方法虽简单，但测量误差较大，随机性较高，测量数据不可靠等缺点，其对零长弹簧温度系数的测量装置与测量方法在国内目前是限制其广泛应用的薄弱环节。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种更高精度、更可靠和更稳定的精密金属零长弹簧温度系数测量仪及其方法，其温度系数中长度变化的测量误差极小。该测量仪结构紧凑、温度便于控制、功能模块化、读数计算方便快捷，使国内对零长弹簧精确性能检测更全面，更有效率，同时也提高了相关重力仪的测量精度。

本发明的目的是这样实现的：

采用类似相对重力仪的弹簧垂直悬挂结构，针对精密金属零长弹簧一个重要的性能——温度系数测量，使零长弹簧的筛选更有针对性，使相关重力仪的性能更加优异。

一、精密金属零长弹簧温度系数测量仪(简称测量仪)

本测量仪包括被测对象——零长弹簧；

设置有壳体单元、机械敏感探头单元、温度控制单元和水平调节单元；

所述的壳体单元包括从上到下依次连接的面盖、外壳、支撑底座和支撑螺母；

所述的温度控制单元包括温度控制系统、内恒温罐、外恒温罐、外绝热层、内绝热层和金属杜瓦瓶；

在壳体单元，从外到里，依次设置有外绝热层、外恒温罐、内绝热层、金属杜瓦瓶和内恒温罐；设置于壳体单元外部的温度控制系统分别与外恒温罐和内恒温罐连接；

机械敏感探头单元设置于内恒温罐内，零长弹簧设置于机械敏感探头单元内；

水平调节单元设置于支撑底座上。

二、精密金属零长弹簧温度系数测量方法(简称测量方法)

本测量方法包括下列步骤：

①将精密金属零长弹簧两端分别通过上接丝和下接丝悬挂，上接丝(201)压于上接丝座中，下接丝压于下接丝座中；通过底部对称分布的三个支撑螺母以及观察两个互为垂直放置的第一水平调节仪和第二水平调节仪水泡位置，调整底座处于水平状态；

②将电容位移传感系统通电，旋转微调螺杆和微调配重块，同时观察通过交流放大器提高电路信噪比，经过解调器和低通滤波器提取所需要的低频段的差分电容信号的大小，直至输出为0，此时电容动片精确位于上电容定片和下电容定片中间位置；

③再分别依次将内恒温罐、金属杜瓦瓶、内绝热层、外恒温罐、外绝热层、外壳装配在一起，并固定在底座上；

④在测量过程中通过改变温度控制单元的参数改变内恒温罐内部温度，温度调节范围在42-60℃，外恒温罐的控温温度比内恒温罐低5℃，同步观测电容位移传感系统的信号输出，即可得出对应温度变化引起的精密金属零长弹簧的长度改变。

本发明具有下列优点与积极效果：

①测量仪整体结构紧凑，能真实地模拟零长弹簧的使用环境，从而更为精确、真实地测量弹簧的温度系数；

②温度控制单元能够为测量过程提供一个0.01℃的恒温环境，同时测微的电容定、动片材料温度系数极小、稳定性高，测微精度达到纳米级，因此该测量仪重复度高、稳定性好，受外部环境干扰极小；

③测量过程中温度和位移测量都是自动进行，人为干预较少，提高了测量效率；

④适用于精密金属零长弹簧温度系数的测量。

附图说明

图1是本测量仪的结构示意图；

图2是电容位移传感系统的结构方框图；

图3是是温度控制系统的结构方框图。

图中：

000—零长弹簧；

100—壳体单元，

101—面盖，102—外壳，103—支撑螺母，104—支撑底座；

200—机械敏感探头单元，

201—上接丝，202—上电容定片，203—电容动片，204—下电容定片，

205—管状质量摆，206—下接丝，207—下接丝座，208—微调配重块，

209—电容位移传感系统，

2091—前置运算放大器，2092—交流放大器，2093—解调器，

2094—低通滤波器，2095—载波偏置电压产生单元；

210—悬挂螺杆，

211—低胀壳体，

212—微调螺杆，

213—压片，214—上接丝座，215—定片连接柱；

300—温度控制单元，

301—温度控制系统，

3011—温度传感器，3012—PI控制器，3013—电流转换器，

3014—电阻加热丝；

302—内恒温罐，303—外恒温罐，304—外绝热层，

305—内绝热层；306—金属杜瓦瓶；

400—水平调节单元，

401—第1水平调节仪，402—第2水平调节仪。

具体实施方式

本发明是基于电容测微和双层温控的精密金属零长弹簧温度系数测量仪，不需要光学垂高计等位移测量手段就能可靠、精确地计算高精密弹性元件的温度系数。其工作原理是利用双层温控精确地控制阶梯温度变化，同时使用电容测微传感系统测量电容动片相对于电容定片的位移信息，既等同于相邻温度变化之间弹簧的长度变化，则计算的温度膨胀系数可表示(X代表长度，T代表温度)。相对于传统的温度系数测量，本测量仪数字化程度更高，测量更精确，更适合精密仪器中精密元件受温度影响的性能测量。

下面结合附图和实施例详细说明：

一、测量仪

1、总体

如图1，本测量仪包括被测对象——零长弹簧000；

设置有壳体单元100、机械敏感探头单元200、温度控制单元300和水平调节单元400；

所述的壳体单元100包括从上到下依次连接的面盖101、外壳102、支撑底座104和支撑螺母103；

所述的温度控制单元300包括温度控制系统301、内恒温罐302、外恒温罐303、外绝热层304、内绝热层305和金属杜瓦瓶306；

在壳体单元100内，从外到里，依次设置有外绝热层304、外恒温罐303、内绝热层305、金属杜瓦瓶306和内恒温罐302；设置于壳体单元100外部的温度控制系统301分别与外恒温罐303和内恒温罐302连接；

机械敏感探头单元200设置于内恒温罐302内，零长弹簧000设置于机械敏感探头单元200内；

水平调节单元400设置于支撑底座104上。

2、功能部件

0)零长弹簧000

如图2，精密金属零长弹簧000是被测对象；

悬挂在上接丝201和下接丝206之间。

1)壳体单元100

所述的壳体单元100包括从上到下依次连接的面盖101、外壳102、支撑底座104和支撑螺母103，组成一个封闭的容器；

其功能是具有置平功能的支撑体。

支撑底座104可以为圆形或三角形，上端面加工有和外壳102外圆直径大小的沟槽，用以放置装置主体，同时左侧端面通过螺钉固定互为垂直放置的第一水平仪、第二水平仪，三个支撑脚垫沿圆周对称固定于底座下端面，伸出高度可以自由调节。由此为测量仪壳体提供一个水平的工作状态。

2)机械敏感探头单元200

机械敏感探头单元200包括上接丝201、上电容定片202、电容动片203、下电容定片204、管状质量摆205、下接丝206、下接丝座207、微调配重块208、电容位移传感系统209、悬挂螺杆210、低胀壳体211、微调螺杆212、压片213、上接丝座214和定片连接柱215；

其位置和连接关系是：

低胀壳体211包括通过螺钉连接的上盖211A和圆筒容器211B；由沿圆周按120°分布的三根悬挂螺杆210安装于面盖101下面；

在低胀壳体211的上盖211A设置有中心螺纹孔，微调螺杆212的底端穿过压片213的中心通孔和上盖211A的中心螺纹孔和上接丝座214连接，上接丝座214、上接丝201、零长弹簧000、下接丝206、下接丝座207、管状质量摆205和微调配重块208依次连接；

电容动片203和管状质量摆205的上端连接；

在电容动片203的上下空间，分别设置有上电容定片202和下电容定片204，上电容定片202和下电容定片204分别通过定片连接柱215固定于低胀壳体211的圆筒容器211B上。

如图2，电容位移传感系统209包括前置运算放大器2091、交流放大器2092、解调器2093、低通滤波器2094和载波偏置电压产生器2095；

上电容定片202和下电容定片204分别与前置运算放大器2091通过屏蔽导线连接，前置运算放大器2091、交流放大器2092、解调器2093、低通滤波器2094和记录设备依次连接；

载波偏置电压产生器2095和电容动片203连接，提供频率为10-100kHz的直流偏置电压。

调制信号将低频段的差分电容信号调制到高频载波信号，通过交流放大器2092提高电路信噪比，经过解调器2093和低通滤波器2094提取所需要的低频段的差分电容信号，在经过后续的数据处理，显示为零长弹簧000的长度变化值。

(2-1)上电容定片202、电容动片203、下电容定片204、

材料采用微晶玻璃，耐蚀性和绝缘性好，温度系数低；

上、下电容定片202、204加工成直径70cm、厚度3mm的玻璃片，且有沿圆周120°分布的三个通孔，以便定片连接柱215通过，定片间隙由垫块调节；

电容动片203加工成直径52mm、厚度为1.5mm的玻璃片，中间开有和管状质量摆205直径大小的通孔；

玻璃片采用镀膜技术，镀上一层0.1mm厚的黄金薄膜，镀金工艺不仅可以保证电容片的平行度，还可大大增强其导电性；

上、下电容定片202、204的功能是接收电容信号并为动片203提供感应信号，电容动片203功能是感应弹簧随温度变化的对应长度变化；

(2-2)悬挂螺杆210

悬挂螺杆210有三个，分别沿圆周方向120°分布安装于面盖101的端面孔内，螺杆材料为硬铝，在精密机床上车削而成；

其功能是悬挂固定低胀壳体211。

(2-3)低胀壳体211

如图1，低胀壳体211包括通过螺钉连接的上盖211A和圆筒容器211B；由沿圆周按120°分布的三根悬挂螺杆210安装于面盖101下面；

低胀壳体211由温度系数很低的硬钢材料加工而成，内、外表面涂有耐高温的电磁屏蔽涂层，保证内部的测微电路有安全、稳定的电磁环境。

(2-4)上、下接丝座214、207

如图1，上、下接丝座214、207由锡青铜加工而成，压丝端面的粗糙度要求为Ra0.4；

上接丝座214的顶端和微调螺杆212相连，上接丝座214的底端和上接丝201相连；

下接丝座207的底端固定在管状质量摆205内部下端面，下接丝座207的顶端和下接丝206相连；

其功能是起连接作用。

(2-5)上、下接丝201、206

如图1，上接丝201和下接丝206是一种直径为0.07mm经过定型处理的钨铝合金丝；

下接丝206的上端和精密金属零长上接丝201的上端固定在上接丝座214上，上接丝201的下端和精密金属零长弹簧000的上端半圆钩环连接；

下接丝206的上端和精密金属零长弹簧000的下端半圆钩环连接，下接丝206的下端固定在下接丝座207上。

其功能是起连接作用。

(2-6)微调螺杆212、微调配重块208

如图2，转动微调螺杆212以及调整微调配重块208(有多种质量规格可选)，实现动片203上下位移的微调，使其保持在上电容定片202和下电容定片204中间。

(2-7)电容位移传感系统209

如图2，电容位移传感系统(209)包括前置运算放大器(2001)、衰减贷款外噪声的交流放大器(2002)、提取高频信号的幅值的解调器(2003)、低通滤波器(2004)、载波偏置电压产生单元(2005)；

上电容定片(202)、下电容定片(204)与前置运算放大器(2001)通过屏蔽导线连接；

载波偏置电压产生单元(2005)为电容动片(203)提供频率为10KHz-100kHz的直流偏置电压，调制信号将低频段的差分电容信号调制到高频载波信号，通过交流放大器(2002)提高电路信噪比，经过解调器(2003)和低通滤波器(2004)提取所需要的低频段的差分电容信号，在经过后续的数据处理，显示为精密金属零长弹簧(00)的长度变化值。

3)温度控制单元300

所述的温度控制单元300包括温度控制系统301、内恒温罐302、外恒温罐303、外绝热层304、内绝热层305和金属杜瓦瓶306；

在壳体单元100内，从外到里，依次设置有外绝热层304、外恒温罐303、内绝热层305、金属杜瓦瓶306和内恒温罐302；设置于壳体单元100外部的温度控制系统301分别与外恒温罐303和内恒温罐302连接；

如图3，所述的温控系统301包括依次连接的温度传感器3011、PI控制器3012、电流转换器3013和电阻加热丝3014；

温度传感器3011实时监测机械敏感探头单元200的温度，PI控制器3012将温度传感信号转换为反馈电压信号，电流转换器3013根据反馈电压信号在加热电阻丝3014中施加合适的电流，产生热量对内、外恒温罐302、303加热到预定温度并保温。

(3-1)内恒温罐302、外恒温罐303

均由导热性能优异、机械加工性能良好、密度较小的硬铝做成，其外壁均绕制加热丝，由温度控制系统301提供热源，温度范围为42-60℃。

外恒温罐303与外壳102和金属杜瓦瓶306之间用绝热性能良好的硬质聚氨酯填充，使得保温罐升温到预定温度时可以持续保温，确保能精确地测量弹簧由于温度变化引起的长度变化量。

4)水平调节单元400

水平调节单元400包括第1水平调节仪401和第2水平调节仪402，用于调整底座(104)处于水平状态。

综上所述，本测量仪可简单归结为两个方面的功能，一个是温度控制功能，另一个是检测弹簧长度变化功能。第一个功能主要由温度控制单元的相关机械和电路实现，第二个功能主要由机械敏感探头单元的机械和电路实现，而外围的外壳、面盖、悬挂装置、底座、调平装置、接丝系统是确保这两个主要功能任务正常工作的前提和基础。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而矣，并不用以限制本发明；凡是在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种精密金属零长弹簧温度系数检测量仪，包括被检测对象零长弹簧000；

其特征在于：

设置有壳体单元（100）、机械敏感探头单元（200）、温度控制单元（300）

和水平调节单元（400）；

所述的壳体单元（100）包括从上到下依次连接的面盖（101）、外壳（102）、

支撑底座（104）和支撑螺母（103）；

所述的温度控制单元（300）包括温度控制系统（301）、内恒温罐（302）、

外恒温罐（303）、外绝热层（304）、内绝热层（305）和金属杜瓦瓶（306）；

在壳体单元（100）内，从外到里，依次设置有外绝热层（304）、外恒温罐（303）、内绝热层（305）、金属杜瓦瓶（306）和内恒温罐（302）；设置于壳体单元（100）外部的温度控制系统（301）分别与外恒温罐（303）和内恒温罐（302）连接；

机械敏感探头单元（200）设置于内恒温罐（302内），零长弹簧（000）设置于机械敏感探头单元（200）内；

水平调节单元（400）设置于支撑底座（104）上。

2.按权利要求1所述的检测仪，其特征在于：

所述的机械敏感探头单元（200）包括上接丝（201）、上电容定片（202）、电容动片（203）、下电容定片（204）、管状质量摆（205）、下接丝（206）、下接丝座（207）、微调配重块（208）、电容位移传感系统（209）、悬挂螺杆（210）、低胀壳体（211）、微调螺杆（212）、压片（213）、上接丝座（214）和定片连接柱（215）；

其位置和连接关系是：

低胀壳体（211）包括通过螺钉连接的上盖（211A）和圆筒容器（211B）；由沿圆周按120°分布的三根悬挂螺杆（210）安装于面盖（101）下面；

在低胀壳体（211）的上盖（211A）设置有中心螺纹孔，微调螺杆（212）的底端穿过压片（213）的中心通孔和上盖211A的中心螺纹孔和上接丝座（214）连接，上接丝座（214）、上接丝（201）、零长弹簧（000）、下接丝（206）、下接丝座（207）、管状质量摆（205）和微调配重块（208）依次连接；

电容动片（203）和管状质量摆（205）的上端连接；

在电容动片（203）的上下空间，分别设置有上电容定片（202）和下电容定片（204），上电容定片（202）和下电容定片（204）分别通过定片连接柱（215）固定于低胀壳体（211）的圆筒容器（211B）上；

电容位移传感系统（209）包括前置运算放大器（2091）、交流放大器（2092）、解调器（2093）、低通滤波器（2094）和载波偏置电压产生器（2095）；上电容定片（202）和下电容定片（204）分别与前置运算放大器（2091）通过屏蔽导线连接，前置运算放大器（2091）、交流放大器（2092）、解调器（2093）、低通滤波器（2094）和记录设备依次连接；载波偏置电压产生器（2095）和电容动片（203）连接，提供频率为10-100kHz的直流偏置电压。

3.按权利要求1所述的检测仪，其特征在于：

所述的温控系统（301）包括依次连接的温度传感器（3011）、PI控制器（3012）、电流转换器（3013）和电阻加热丝（3014）。

4.基于权利要求1-3所述测量仪的温度系数检测方法，其特征在于包括下列步骤：

①将精密金属零长弹簧（000）两端分别通过上接丝（201）和下接丝（206）悬挂，上接丝（201）压于上接丝座（214）中，下接丝（206）压于下接丝座（207）中；通过底部对称分布的三个支撑螺母（103）以及观察两个互为垂直放置的第一水平调节仪（401）和第二水平调节仪（402）水泡位置，调整底座（104）处于水平状态；

②将电容位移传感系统（209）通电，旋转微调螺杆（212）和微调配重块（208），同时观察通过交流放大器（2092）提高电路信噪比，经过解调器（2093）和低通滤波器（2094）提取所需要的低频段的差分电容信号的大小，直至输出为0，此时电容动片（203）精确位于上电容定片（202）和下电容定片（204）中间位置；

③再分别依次将内恒温罐（302）、金属杜瓦瓶（306）、内绝热层（305）、外恒温罐（303）、外绝热层（304）、外壳（102）装配在一起，并固定在底座（104）上；

④在测量过程中通过改变温度控制单元（301）的参数改变内恒温罐（302）内部温度，温度调节范围在42-60℃，外恒温罐（304）的控温温度比内恒温罐（302）低5℃，同步观测电容位移传感系统（209）的信号输出，即可得出对应温度变化引起的精密金属零长弹簧（000）的长度改变。