亞納米精度電渦流傳感器的理論和設(shè)計(jì)研究.pdf

1、隨著精密機(jī)械制造技術(shù)、半導(dǎo)體工業(yè)、微機(jī)械電子系統(tǒng)，機(jī)電一體化技術(shù)以及納米技術(shù)的發(fā)展，對(duì)各種位移/振動(dòng)測量傳感器的要求越來越高，測量的精度逐漸從微米級(jí)提高到了納米級(jí)。電容式傳感器分辨率和穩(wěn)定性都極高，但測量結(jié)果極易受各種污染物的影響，因而只能工作在密閉腔體或者嚴(yán)格控制的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中。電渦流傳感器是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室研究的非接觸式位移傳感器，它具有低成本，高可靠性，寬帶寬，高靈敏度等特點(diǎn)，而且具有對(duì)惡劣環(huán)境容忍性高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但相

2、比電容式傳感器，電渦流傳感器的分辨率較低，溫度系數(shù)太大，這是制約其用于超精密測量的最大障礙。渦流位移傳感器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但其設(shè)計(jì)理論仍然缺乏有效的指導(dǎo)，很多設(shè)計(jì)參數(shù)的影響機(jī)制都缺少數(shù)據(jù)資料。大部分產(chǎn)品仍然在使用幾十年前的技術(shù)成果，提高和改進(jìn)設(shè)計(jì)仍然強(qiáng)烈依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和昂貴的實(shí)驗(yàn)。
　　本文通過建立簡單有效的等效模型，完整系統(tǒng)地分析了渦流傳感器的各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其性能的影響，并首次通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)完整地仿真了渦流傳感器的

3、各種特性和性能參數(shù)，為渦流傳感器的設(shè)計(jì)提供了完善有效的指導(dǎo)。在對(duì)渦流傳感器的靈敏度，分辨率，帶寬以及溫度漂移，材料選擇性等多個(gè)特性分析的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具備亞納米分辨率的超低漂移電渦流位移傳感器，提出了材料選擇性的自動(dòng)校正方法，并探索實(shí)現(xiàn)了一種基于渦流法的金屬膜厚度高精度測量新方法。本文的主要工作及結(jié)論包括:
　　一、提出了基于渦流等效圓環(huán)和變壓器模型來分析渦流傳感器特性的方法，給出了渦流傳感器響應(yīng)的理論公式，并分析了目標(biāo)材

4、料電導(dǎo)率和工作頻率，線圈參數(shù)等對(duì)傳感器性能的影響。首次建立了基于COMSOL Multiphysics的渦流傳感器有限元仿真方法，通過仿真計(jì)算對(duì)渦流傳感器的設(shè)計(jì)參數(shù)與性能之間的關(guān)系作了全面的分析。等效模型和仿真分析結(jié)果都表明在一定范圍內(nèi)提高目標(biāo)材料電導(dǎo)率和工作頻率，可以提高渦流傳感器的靈敏度和熱穩(wěn)定性。
　　二、對(duì)探測線圈的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，總結(jié)了探測線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原則和目標(biāo)。當(dāng)線圈直徑選定時(shí)，內(nèi)外徑之比為0.2，厚度

5、與直徑之比小于0.05可以獲得最佳的傳感器靈敏度。還分析討論了線圈導(dǎo)線直徑和工作頻率設(shè)計(jì)選擇的原則，全面分析討論了現(xiàn)有的探測線圈制造工藝和可能的新技術(shù)。最后提出了一種基于往復(fù)線圈的無磁屏蔽、緊湊型渦流傳感器探頭，并進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　三、提出了一種新的基于特殊參數(shù)設(shè)計(jì)交流電橋和鎖定放大器的阻抗分離測量電路，該電路可以精確測量線圈電阻和電感的微小變化量。制造了高靈敏度的渦流傳感器探測線圈，并完成整個(gè)探頭的封裝。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了

6、整個(gè)渦流傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)和性能測試裝置?；诖藛螌犹綔y線圈和新型解調(diào)電路系統(tǒng)的電渦流位移傳感器樣機(jī)的準(zhǔn)靜態(tài)分辨率高達(dá)0.07 nm，其噪聲功率譜密度小于0.01nm/√Hz。
　　四、全面分析了渦流傳感器溫度漂移的來源和影響機(jī)制，利用同時(shí)測得的電感和電阻值，僅通過信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)了傳感器溫度漂移的自動(dòng)校正，將溫度漂移降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在此基礎(chǔ)上還發(fā)展了一種綜合溫漂校正方法，使傳感器即使工作在溫度變化高達(dá)10℃/h的惡劣環(huán)境下漂移系數(shù)

7、也可以控制在4 nm/℃以內(nèi)。所采用的溫度補(bǔ)償方法，無需任何額外的探頭和溫度敏感元件，簡單可靠，通用性好，可以被廣泛應(yīng)用于各種渦流傳感器系統(tǒng)中。
　　五、利用復(fù)鏡像法分析了渦流傳感器的材料選擇性，首次得出了目標(biāo)材料電阻率引起的響應(yīng)曲線誤差的理論值為0.707δ。該理論分析發(fā)現(xiàn)不同目標(biāo)電導(dǎo)率下，傳感器的電感響應(yīng)曲線是相似的，僅在x軸方向相差一個(gè)平移量0.707δ，平移量的大小由渦流貫穿深度確定，通過簡單的平移校準(zhǔn)即可消除渦流傳感器的

8、材料選擇性問題。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了理論分析的結(jié)果。利用本方法，渦流傳感器可在未經(jīng)過校準(zhǔn)時(shí)用于不同目標(biāo)材料的測量，將提高其使用的方便性，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。
　　六、根據(jù)等效模型的分析，我們發(fā)現(xiàn)渦流傳感器在不同探測距離下的阻抗在R-L平面內(nèi)的提離線的斜率K與被測金屬膜厚度成正比。通過有限元仿真，我們?nèi)娣治霾捎锰犭x線斜率作為特征測量金屬膜厚度的特點(diǎn)，并通過簡單的實(shí)驗(yàn)原理性的驗(yàn)證了理論和仿真分析中的結(jié)論。最后，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種非接觸式厚

9、度測量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)幾十微米的銅箔測量的結(jié)果顯示該系統(tǒng)具備納米級(jí)的分辨率，且測量結(jié)果受探測距離的影響非常小。該方法簡單高效，解決了渦流法測量金屬膜厚度時(shí)受探測距離影響的障礙，將在工業(yè)在線監(jiān)測中發(fā)揮非常重要的價(jià)值。
　　本文在渦流傳感器的理論和設(shè)計(jì)研究方面取得的成果，可為各種渦流傳感器設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，極大地提升了設(shè)計(jì)效率和能力，具有非常重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。本論文中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的亞納米分辨率低漂移電渦流位移傳感器首次實(shí)現(xiàn)了在惡劣環(huán)境下