电涡流传感器用于压电双晶片微夹钳的振动测量

2018-11-9 10:41:06

1453 传感器线圈

　　随着微机电系统(MEMS)技术和精密机械加工技术的发展,越来越多的微小零件被加工制造出来,需要通过装配实现完整功能。压电双晶片微夹钳在微装配领域有着广泛应用,其夹持对象一般为几何尺寸在10 m～1 mm范围的微小型结构件。由于夹持对象尺寸小,结构易被损坏,微夹钳必须具有夹持力检测对象功能用以监控操作过程中零件所受夹持力大小,并以此作为反馈进行对微夹钳张合量的控制。
　　这样的微夹钳的振动位移是非常小的，一般也就是是微米到几十微米的变化，对于选择测量的仪器就必须要有高精度的仪器，一般选择传感器的精度原则都是选择比要求小一个数量极的，也就是选纳米级的传感器最好。

　　压电双晶片微夹钳

　　我们选择了纳米级的电涡流传感器KD5100，我们将两个探头安装在被测物振动方向的两端，测量夹持器的来回振动：如下图

　　探头安装的位置示意图

　　电涡流传感器KD5100其采用差动测量方式：两个精确匹配的传感器被放置在被测物平台两侧，这两个传感器组成了平衡桥电路相反的两端，这个结构提供了极好的线性和热稳定性，所以其输出准确地记录了线性的最微小移动，分辨率高达1nm。
　　产品特点：
　　每通道两个精确匹配的传感器使分辨率达到1nm；
　　超耐热，长时间稳定：1.27x10-4mm/月或更好；有耐低温传感器；
　　非常高的灵敏度，最高到394 mV/μm；
　　低功耗：小于2W(±15 Vdc典型情况下)
　　电涡流传感器工作原理：电涡流效应
　　当接通传感器系统电源时，在前置器内会产生一个高频信号，该信号通过电缆送到探头的头部，在头部周围产生交变磁场H1。如果在磁场H1的范围没有金属导体接近，则发射到这一范围内的能量都会被释放；反之，如果有金属导体接近探头头部，则交变磁场H1将在导体的表面产生电涡流场，该电涡流场也会产生一个方向与H1相反的交变磁场H2。由于H2的反作用，就会改变探头头部线圈高频电流的幅度和相位，即改变了线圈的有效阻抗。这种变化与电涡流效应有关，也与静磁学效应有关（与金属导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈几何参数、激励电流频率以及线圈到金属导体的距离参数有关）。假定金属导体是均质的，其性能是线形和各向同性的，则线圈——金属导体系统的磁导率u、电导率σ、尺寸因子r、线圈与金属导体距离δ线圈激励电流I和频率ω等参数来描述。因此线圈的阻抗可用函数Z=F（u，σ，r，δ，I，ω）来表示。如果控制u，σ，r，I，ω恒定不变，那么阻抗Z就成为距离的单值函数，由麦克斯韦尔公式，可以求得此函数为一非线形函数，其曲线为“S”型曲线，在一定范围内可以近似为一线形函数。通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离δ的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。