一種基于電容測微的精密金屬零長彈簧溫度系數(shù)測量儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及地學儀器核心部件的性能檢測技術(shù)，尤其涉及一種基于電容測微 的精密金屬零長彈簧溫度系數(shù)測量儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 準確測量重力加速度及其變化在資源勘探、國防建設(shè)和地球科學研究等領(lǐng)域具有 重要作用。而高精度彈性元件如今被廣泛地應用于精密儀器、儀表和精密機械中，其中金屬 零長彈簧被成功地應用于重力儀去精確測量重力加速度。經(jīng)過特殊加工工藝制作的金屬零 長螺旋彈簧具有相對尺寸小、靈敏度高，能克服動態(tài)測量的橫向擾動，蠕變松弛量極小，是 重力測量的理想彈性元件。金屬零長彈簧的靈敏度為〇. 1微米/毫伽（1微伽=ΠΓ6伽，1毫伽 =1 0-3伽，1伽=1 cm/s_2)，分辨率為0.01毫伽，而重力儀要求彈簧的分辨率為0.001微米。這 樣的精度要求，勢必造成零長彈簧在使用時受溫度影響其長度變化非?？捎^，甚至遠大于 儀器的測量精度，進而對儀器的測量造成誤差，因此需要精確地測量彈簧的溫度系數(shù)去準 確地計算重力儀所需要的控溫精度水平，從而更準確、有效測量重力加速度的變化，更真實 地反應實際重力值或者變化。
[0003] 目前關(guān)于金屬零長螺旋彈簧研究和應用較為成熟的也僅限于歐美一些發(fā)達國家， 而國內(nèi)對該種彈簧的研制和性能研究還處于起步和發(fā)展階段。近年來中國科學院測量與地 球物理研究所的科研人員對金屬零長彈簧的研制做了系統(tǒng)的研究工作，其綜合性能如蠕變 和零漂也已達到了設(shè)計要求，但是有關(guān)零長彈簧溫度系數(shù)的測量始終處于比較原始的水 平，其測量方法也僅限于利用空調(diào)控制溫度變化，利用讀數(shù)精度為微米水平的光學垂高計 讀取彈簧長度變化，然后對取得數(shù)據(jù)用最小二乘法計算結(jié)果，該方法雖簡單，但測量誤差較 大，隨機性較高，測量數(shù)據(jù)不可靠等缺點，其對零長彈簧溫度系數(shù)的測量裝置與測量方法在 國內(nèi)目前是限制其廣泛應用的薄弱環(huán)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點和不足，提供一種更高精度、更 可靠和更穩(wěn)定的一種基于電容測微的精密金屬零長彈簧溫度系數(shù)測量儀，其溫度系數(shù)中長 度變化的測量誤差極小。該測量儀結(jié)構(gòu)緊湊、溫度便于控制、功能模塊化、讀數(shù)計算方便快 捷，使國內(nèi)對零長彈簧精確性能檢測更全面，更有效率，同時也提高了相關(guān)重力儀的測量精 度。
[0005] 本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0006] 采用類似相對重力儀的彈簧垂直懸掛結(jié)構(gòu)，針對精密金屬零長彈簧一個重要的性 能一一溫度系數(shù)測量，使零長彈簧的篩選更有針對性，使相關(guān)重力儀的性能更加優(yōu)異。
[0007] -、精密金屬零長彈簧溫度系數(shù)測量儀(簡稱測量儀）
[0008] 本測量儀包括被測對象一一零長彈簧；
[0009] 設(shè)置有殼體單元、機械敏感探頭單元、溫度控制單元和水平調(diào)節(jié)單元；
[0010] 所述的殼體單元包括從上到下依次連接的面蓋、外殼、支撐底座和支撐螺母；
[0011] 所述的溫度控制單元包括溫度控制系統(tǒng)、內(nèi)恒溫罐、外恒溫罐、外絕熱層、
[0012] 內(nèi)絕熱層和金屬杜瓦瓶；
[0013] 在殼體單元，從外到里，依次設(shè)置有外絕熱層、外恒溫罐、內(nèi)絕熱層、金屬杜瓦瓶和 內(nèi)恒溫罐;設(shè)置于殼體單元外部的溫度控制系統(tǒng)分別與外恒溫罐和內(nèi)恒溫罐連接；
[0014] 機械敏感探頭單元設(shè)置于內(nèi)恒溫罐內(nèi)，零長彈簧設(shè)置于機械敏感探頭單元內(nèi)；
[0015] 水平調(diào)節(jié)單元設(shè)置于支撐底座上。
[0016] 二、測量方法
[0017] ①將精密金屬零長彈簧兩端分別通過上接絲和下接絲懸掛，上接絲壓于上接絲座 中，下接絲壓于下接絲座中；通過底部對稱分布的三個支撐螺母以及觀察兩個互為垂直放 置的第一水平調(diào)節(jié)儀和第二水平調(diào)節(jié)儀水泡位置，調(diào)整底座處于水平狀態(tài)；
[0018] ②將電容位移傳感系統(tǒng)通電，旋轉(zhuǎn)微調(diào)螺桿和微調(diào)配重塊，同時觀察通過交流放 大器提高電路信噪比，經(jīng)過解調(diào)器和低通濾波器提取所需要的低頻段的差分電容信號的大 小，直至輸出為〇，此時電容動片精確位于上電容定片和下電容定片中間位置；
[0019] ③再分別依次將內(nèi)恒溫罐、金屬杜瓦瓶、內(nèi)絕熱層、外恒溫罐、外絕熱層、外殼裝配 在一起，并固定在底座上；
[0020] ④在測量過程中通過改變溫度控制單元的參數(shù)改變內(nèi)恒溫罐內(nèi)部溫度，溫度調(diào)節(jié) 范圍在42-60°C，外恒溫罐的控溫溫度比內(nèi)恒溫罐低5°C，同步觀測電容位移傳感系統(tǒng)的信 號輸出，即可得出對應溫度變化引起的精密金屬零長彈簧的長度改變。
[0021 ]本實用新型具有下列優(yōu)點與積極效果：
[0022]①測量儀整體結(jié)構(gòu)緊湊，能真實地模擬零長彈簧的使用環(huán)境，從而更為精確、真實 地測量彈簧的溫度系數(shù)；
[0023]②溫度控制單元能夠為測量過程提供一個0.01 °C的恒溫環(huán)境，同時測微的電容 定、動片材料溫度系數(shù)極小、穩(wěn)定性高，測微精度達到納米級，因此該測量儀重復度高、穩(wěn)定 性好，受外部環(huán)境干擾極??；
[0024] ③測量過程中溫度和位移測量都是自動進行，人為干預較少，提高了測量效率；
[0025] ④適用于精密金屬零長彈簧溫度系數(shù)的測量。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2是電容位移傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖；
[0028] 圖3是是溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖；
[0029] 圖中：
[0030] 000-零長彈簧；
[0031] 1〇〇一殼體單元，
[0032] 101-面蓋，102-外殼，103-支撐螺母，104-支撐底座；
[0033] 200-機械敏感探頭單元，
[0034] 201-上接絲，202-上電容定片，203-電容動片，204-下電容定片，
[0035] 205-管狀質(zhì)量擺，206-下接絲，207-下接絲座，208-微調(diào)配重塊，
[0036] 209-電容位移傳感系統(tǒng)，
[0037] 2091-前置運算放大器，2092-交流放大器，2093-解調(diào)器，
[0038] 2094-低通濾波器，2095-載波偏置電壓產(chǎn)生單元；
[0039] 210-懸掛螺桿，
[0040] 211-低脹殼體，
[0041 ] 212-微調(diào)螺桿，
[0042] 213-壓片，214-上接絲座，215-定片連接柱；
[0043] 300-溫度控制單元，
[0044] 301-溫度控制系統(tǒng)，
[0045] 3011 -溫度傳感器，3012-PI控制器，3013-電流轉(zhuǎn)換器，
[0046] 3014 -電阻加熱絲；
[0047] 302-內(nèi)恒溫罐，303-外恒溫罐，304-外絕熱層，
[0048] 305-內(nèi)絕熱層；306-金屬杜瓦瓶；
[0049] 400-水平調(diào)節(jié)單元，
[0050] 401-第1水平調(diào)節(jié)儀，402-第2水平調(diào)節(jié)儀。
【具體實施方式】
[0051] 本實用新型是基于電容測微和雙層溫控的精密金屬零長彈簧溫度系數(shù)測量儀，不 需要光學垂高計等位移測量手段就能可靠、精確地計算高精密彈性元件的溫度系數(shù)。其工 作原理是利用雙層溫控精確地控制階梯溫度變化，同時使用電容測微傳感系統(tǒng)測量電容動 片相對于電容定片的位移信息，既等同于相鄰溫度變化之間彈簧的長度變化，則計算的溫 度膨脹系數(shù)可表3
X代表長度，T代表溫度）。相對于傳統(tǒng)的溫度系數(shù)測 量，本測量儀數(shù)字化程度更高，測量更精確，更適合精密儀器中精密元件受溫度影響的性能 測量。
[0052] 下面結(jié)合附圖和實施例詳細說明：
[0053] -、測量儀
[0054] 1、總體
[0055]如圖1，本測量儀包括被測對象一一零長彈簧000;
[0056] 設(shè)置有殼體單元100、機械敏感探頭單元200、溫度控制單元300和水平調(diào)節(jié)單元 400；
[0057]所述的殼體單元100包括從上到下依次連接的面蓋101、外殼102、支撐底座104和 支撐螺母103;
[0058] 所述的溫度控制單元300包括溫度控制系統(tǒng)301、內(nèi)恒溫罐302、外恒溫罐303、外絕 熱層304、內(nèi)絕熱層305和金屬杜瓦瓶306;
[0059]在殼體單元100內(nèi)，從外到里，依次設(shè)置有外絕熱層304、外恒溫罐303、內(nèi)絕熱層 305、金屬杜瓦瓶306和內(nèi)恒溫罐302;設(shè)置于殼體單元100外部的溫度控制系統(tǒng)301分別與外 恒溫罐303和內(nèi)恒溫罐302連接；
[0060]機械敏感探頭單元200設(shè)置于內(nèi)恒溫罐302內(nèi)，零長彈簧000設(shè)置于機械敏感探頭 單元200內(nèi)；
[0061] 水平調(diào)節(jié)單元400設(shè)置于支撐底座104上。
[0062] 2、功能部件
[0063] 0)零長彈簧000
[0064] 如圖2，精密金屬零長彈簧000是被測對象；
[0065] 懸掛在上接絲201和下接絲206之間。
[0066] 1)殼體單元100
[0067] 所述的殼體單元100包括從上到下依次連接的面蓋101、外殼102、支撐底座104和 支撐螺母103,組成一個封閉的容器；
[0068] 其功能是具有置平功能的支撐體。
[0069] 支撐底座104可以為圓形或三角形，上端面加工有和外殼102外圓直徑大小的溝 槽，用以放置裝置主體，同時左側(cè)端面通過螺釘固定互為垂直放置的第一水平儀、第二水平 儀，三個支撐腳墊沿圓周對稱固定于底座下端面，伸出高度可以自由調(diào)節(jié)。由此為測量儀殼 體提供一個水平的工作狀態(tài)。
[0070] 2)機械敏感探頭單元200
[0071] 機械敏感探頭單元200包括上接絲201、上電容定片202、電容動片203、下電容定片 204、管狀質(zhì)量擺205、下接絲206、下接絲座207、微調(diào)配重塊208、電容位移傳感系統(tǒng)209、懸 掛螺桿210、低脹殼體211、微調(diào)螺桿212、壓片213、上接絲座214和定片連接柱215;
[0072]其位置和連接關(guān)系是：
[0073]低脹殼體211包括通過螺釘連接的上蓋211A和圓筒容器211B;由沿圓周按120°分 布的三根懸掛螺桿210安裝于面蓋101下面；
[0074]在低脹殼體211的上蓋211A設(shè)置有中心螺紋孔，微調(diào)螺桿212的底端穿過壓片213 的中心通孔和上蓋211A的中心螺紋孔和上接絲座214連接，上接絲座214、上接絲201、零長 彈簧000、下接絲206、下接絲座207、管狀質(zhì)量擺205和微調(diào)配重塊208依次連接；
[0075]電容動片203和管狀質(zhì)量擺205的上端連接；
[0076]在電容動片203的上下空間，分別設(shè)置有上電容定片202和下電容定片204,上電容 定片202和下電容定片204分別通過定片連接柱215固定于低脹殼體211的圓筒容器211B上。 [0077]如圖2，電容位移傳感系統(tǒng)209包括前置運算放大器2091、交流放大器2092、解調(diào)器 2093、低通濾波器2094和載波偏置