亞納米精度電渦流傳感器的理論和設計研究.pdf

1、隨著精密機械制造技術、半導體工業(yè)、微機械電子系統(tǒng)，機電一體化技術以及納米技術的發(fā)展，對各種位移/振動測量傳感器的要求越來越高，測量的精度逐漸從微米級提高到了納米級。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格控制的實驗環(huán)境中。電渦流傳感器是一種廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場和實驗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，而且具有對惡劣環(huán)境容忍性高等獨特優(yōu)勢。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已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但其設計理論仍然缺乏有效的指導，很多設計參數(shù)的影響機制都缺少數(shù)據(jù)資料。大部分產(chǎn)品仍然在使用幾十年前的技術成果，提高和改進設計仍然強烈依賴設計人員的經(jīng)驗和昂貴的實驗。
　　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設計參數(shù)對其性能的影響，并首次通過計算機仿真技術完整地仿真了渦流傳感器的

3、各種特性和性能參數(shù)，為渦流傳感器的設計提供了完善有效的指導。在對渦流傳感器的靈敏度，分辨率，帶寬以及溫度漂移，材料選擇性等多個特性分析的基礎上，我們設計實現(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校正方法，并探索實現(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的理論公式，并分析了目標材

4、料電導率和工作頻率，線圈參數(shù)等對傳感器性能的影響。首次建立了基于COMSOL Multiphysics的渦流傳感器有限元仿真方法，通過仿真計算對渦流傳感器的設計參數(shù)與性能之間的關系作了全面的分析。等效模型和仿真分析結(jié)果都表明在一定范圍內(nèi)提高目標材料電導率和工作頻率，可以提高渦流傳感器的靈敏度和熱穩(wěn)定性。
　　二、對探測線圈的設計參數(shù)進行了分析和優(yōu)化，總結(jié)了探測線圈優(yōu)化設計的基本原則和目標。當線圈直徑選定時，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線直徑和工作頻率設計選擇的原則，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。最后提出了一種基于往復線圈的無磁屏蔽、緊湊型渦流傳感器探頭，并進行了仿真分析和實驗驗證。
　　三、提出了一種新的基于特殊參數(shù)設計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，并完成整個探頭的封裝。設計實現(xiàn)了

6、整個渦流傳感器信號處理系統(tǒng)和性能測試裝置。基于此單層探測線圈和新型解調(diào)電路系統(tǒng)的電渦流位移傳感器樣機的準靜態(tài)分辨率高達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制，利用同時測得的電感和電阻值，僅通過信號處理實現(xiàn)了傳感器溫度漂移的自動校正，將溫度漂移降低了兩個數(shù)量級。在此基礎上還發(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，可以被廣泛應用于各種渦流傳感器系統(tǒng)中。
　　五、利用復鏡像法分析了渦流傳感器的材料選擇性，首次得出了目標材料電阻率引起的響應曲線誤差的理論值為0.707δ。該理論分析發(fā)現(xiàn)不同目標電導率下，傳感器的電感響應曲線是相似的，僅在x軸方向相差一個平移量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即可消除渦流傳感器的

8、材料選擇性問題。仿真和實驗結(jié)果也證實了理論分析的結(jié)果。利用本方法，渦流傳感器可在未經(jīng)過校準時用于不同目標材料的測量，將提高其使用的方便性，拓展其應用領域。
　　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，并通過簡單的實驗原理性的驗證了理論和仿真分析中的結(jié)論。最后，設計實現(xiàn)了一種非接觸式厚

9、度測量系統(tǒng)的實驗系統(tǒng)，對幾十微米的銅箔測量的結(jié)果顯示該系統(tǒng)具備納米級的分辨率，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)揮非常重要的價值。
　　本文在渦流傳感器的理論和設計研究方面取得的成果，可為各種渦流傳感器設計提供指導，極大地提升了設計效率和能力，具有非常重要的理論和實踐價值。本論文中設計實現(xiàn)的亞納米分辨率低漂移電渦流位移傳感器首次實現(xiàn)了在惡劣環(huán)境下