亚纳米精度电涡流传感器的理论和设计研究

摘要

随着精密机械制造技术、半导体工业、微机械电子系统，机电一体化技术以及纳米技术的发展，对各种位移/振动测量传感器的要求越来越高，测量的精度逐渐从微米级提高到了纳米级。电容式传感器分辨率和稳定性都极高，但测量结果极易受各种污染物的影响，因而只能工作在密闭腔体或者严格控制的实验环境中。电涡流传感器是一种广泛应用于工业现场和实验室研究的非接触式位移传感器，它具有低成本，高可靠性，宽带宽，高灵敏度等特点，而且具有对恶劣环境容忍性高等独特优势。但相比电容式传感器，电涡流传感器的分辨率较低，温度系数太大，这是制约其用于超精密测量的最大障碍。涡流位移传感器技术已经发展了几十年，但其设计理论仍然缺乏有效的指导，很多设计参数的影响机制都缺少数据资料。大部分产品仍然在使用几十年前的技术成果，提高和改进设计仍然强烈依赖设计人员的经验和昂贵的实验。
　　本文通过建立简单有效的等效模型，完整系统地分析了涡流传感器的各个设计参数对其性能的影响，并首次通过计算机仿真技术完整地仿真了涡流传感器的各种特性和性能参数，为涡流传感器的设计提供了完善有效的指导。在对涡流传感器的灵敏度，分辨率，带宽以及温度漂移，材料选择性等多个特性分析的基础上，我们设计实现了具备亚纳米分辨率的超低漂移电涡流位移传感器，提出了材料选择性的自动校正方法，并探索实现了一种基于涡流法的金属膜厚度高精度测量新方法。本文的主要工作及结论包括:
　　一、提出了基于涡流等效圆环和变压器模型来分析涡流传感器特性的方法，给出了涡流传感器响应的理论公式，并分析了目标材料电导率和工作频率，线圈参数等对传感器性能的影响。首次建立了基于COMSOL Multiphysics的涡流传感器有限元仿真方法，通过仿真计算对涡流传感器的设计参数与性能之间的关系作了全面的分析。等效模型和仿真分析结果都表明在一定范围内提高目标材料电导率和工作频率，可以提高涡流传感器的灵敏度和热稳定性。
　　二、对探测线圈的设计参数进行了分析和优化，总结了探测线圈优化设计的基本原则和目标。当线圈直径选定时，内外径之比为0.2，厚度与直径之比小于0.05可以获得最佳的传感器灵敏度。还分析讨论了线圈导线直径和工作频率设计选择的原则，全面分析讨论了现有的探测线圈制造工艺和可能的新技术。最后提出了一种基于往复线圈的无磁屏蔽、紧凑型涡流传感器探头，并进行了仿真分析和实验验证。
　　三、提出了一种新的基于特殊参数设计交流电桥和锁定放大器的阻抗分离测量电路，该电路可以精确测量线圈电阻和电感的微小变化量。制造了高灵敏度的涡流传感器探测线圈，并完成整个探头的封装。设计实现了整个涡流传感器信号处理系统和性能测试装置。基于此单层探测线圈和新型解调电路系统的电涡流位移传感器样机的准静态分辨率高达0.07 nm，其噪声功率谱密度小于0.01nm/√Hz。
　　四、全面分析了涡流传感器温度漂移的来源和影响机制，利用同时测得的电感和电阻值，仅通过信号处理实现了传感器温度漂移的自动校正，将温度漂移降低了两个数量级。在此基础上还发展了一种综合温漂校正方法，使传感器即使工作在温度变化高达10℃/h的恶劣环境下漂移系数也可以控制在4 nm/℃以内。所采用的温度补偿方法，无需任何额外的探头和温度敏感元件，简单可靠，通用性好，可以被广泛应用于各种涡流传感器系统中。
　　五、利用复镜像法分析了涡流传感器的材料选择性，首次得出了目标材料电阻率引起的响应曲线误差的理论值为0.707δ。该理论分析发现不同目标电导率下，传感器的电感响应曲线是相似的，仅在x轴方向相差一个平移量0.707δ，平移量的大小由涡流贯穿深度确定，通过简单的平移校准即可消除涡流传感器的材料选择性问题。仿真和实验结果也证实了理论分析的结果。利用本方法，涡流传感器可在未经过校准时用于不同目标材料的测量，将提高其使用的方便性，拓展其应用领域。
　　六、根据等效模型的分析，我们发现涡流传感器在不同探测距离下的阻抗在R-L平面内的提离线的斜率K与被测金属膜厚度成正比。通过有限元仿真，我们全面分析采用提离线斜率作为特征测量金属膜厚度的特点，并通过简单的实验原理性的验证了理论和仿真分析中的结论。最后，设计实现了一种非接触式厚度测量系统的实验系统，对几十微米的铜箔测量的结果显示该系统具备纳米级的分辨率，且测量结果受探测距离的影响非常小。该方法简单高效，解决了涡流法测量金属膜厚度时受探测距离影响的障碍，将在工业在线监测中发挥非常重要的价值。
　　本文在涡流传感器的理论和设计研究方面取得的成果，可为各种涡流传感器设计提供指导，极大地提升了设计效率和能力，具有非常重要的理论和实践价值。本论文中设计实现的亚纳米分辨率低漂移电涡流位移传感器首次实现了在恶劣环境下的亚纳米级位移测量，且系统成本低，可靠性高，将推动涡流传感器进入超精密测量领域，并促进相关领域的发展，具有独特的竞争优势。

目录

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摘要

图目录

表目录

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 非接触式位移传感器

1．2．1 激光位移传感器

1．2．2 电容位移传感器

1．2．3 电涡流位移传感器

1．3 位移传感器的性能指标

1．3．1 传感器的量程和线性度

1．3．2 涡流传感器的带宽

1．3．3 涡流传感器的分辨率与噪声水平

1．3．4 传感器的热稳定性(温度漂移)

1．4 国内外电涡流位移传感器的发展历史和研究现状

1．4．1 电涡流位移传感器产品

1．4．2 国内电涡流传感器研究现状

1．4．3 国外电涡流传感器的研究与发展趋势

1．5 本论文的研究目的和创新性

1．5．1 现有涡流传感器研究的局限性

1．5．2 电涡流传感器的设计难点

1．5．3 电涡流传感器的应用研究

1．6 本论文的内容和结构安排

第二章 ECS的等效模型和仿真分析

2．1 涡流传感器的相关理论

2．1．1 涡流效应

2．1．2 电涡流传感器的工作原理

2．1．3 磁性目标与非磁性目标

2．1．4 电涡流传感器的变压器模型

2．2 涡流等效环路模型分析

2．2．1 穿透深度

2．2．2 涡流分布

2．2．3 涡流等效环模型

2．2．4 涡流等效环路模型分析

2．3 电涡流传感器的响应曲线特点

2．4 涡流传感器的仿真分析

2．4．1 涡流传感器仿真的理论基础

2．4．2 建模和仿真方法

2．4．3 涡流传感器不同目标材料和工作频率下的响应

2．5 本章小结

第三章 探测线圈的优化设计与制造

3．1 线圈尺寸与传感器性能的关系

3．1．1 线圈尺寸与磁场分布

3．1．2 线圈阻抗的计算

3．1．3 探测线圈设计的基本原则

3．2 线圈形状的设计与优化

3．2．1 内径优化

3．2．2 导线直径的选取

3．2．3 线圈厚度优化

3．2．4 线圈的工作频率

3．3 探测线圈的制造工艺

3．3．1 绕线法

3．3．2 PCB线圈

3．3．3 光刻(Lithography)

3．3．4 低温陶瓷烧结法(LTCC)

3．3．5 喷射打印法(ink-jet print)

3．3．6 MEMS兼容自动绕线工艺

3．4 基于往复线圈的紧凑型涡流传感器探头

3．4．1 往复线圈的磁场

3．4．2 往复线圈的响应曲线

3．4．3 往复线圈的实验

3．4．4 往复线圈探头的优势

3．5 本章小结

第四章 高分辨率ECS样机的设计和测试

4．1 常用涡流传感器解调电路及其特点

4．1．1 谐振频率法

4．1．2 幅值和相位法

4．1．3 交流电桥法和差动法

4．2 交流电桥阻抗分离电路的原理

4．2．1 基于V-I变换器的电路

4．2．2 交流电桥实现阻抗分离

4．2．3 锁定放大器同步解调电路

4．3 ECS探头的设计和制造

4．3．1 ECS线圈的绕制

4．3．2 ECS探头的封装及线缆

4．3．3 ECS探头的初步测试

4．3．4 参考线圈的设计与制造

4．4 高分辨率ECS电路系统设计

4．4．1 电源模块的设计

4．4．2 信号源及激励电路的设计

4．4．3 信号解调模块

4．4．4 滤波输出模块

4．4．5 PCB板设计

4．4．6 PCB盒子的设计及系统组装

4．5 测试系统的设计

4．6 性能测试结果及讨论

4．6．1 灵敏度及线性度测量

4．6．2 微小位移变化的测量

4．6．3 噪声功率谱密度测试和分辨率分析

4．6．4 悬臂梁微小变形的测量演示

4．7 本章小结

第五章 ECS的温度漂移分析及补偿方法

5．1 涡流传感器的温度漂移来源

5．1．1 电阻率的温度漂移

5．1．2 探测线圈阻抗的温度漂移

5．1．3 被测目标电阻率温漂的影响

5．1．4 同轴线缆温度变化

5．1．5 电子电路的温度漂移

5．2 涡流传感器的温度漂移特性分析

5．3 涡流传感器的温度漂移自动补偿

5．3．1 涡流传感器样机

5．3．2 温度系数测量装置

5．3．3 温漂自动补偿实验

5．4 恶劣环境下的温漂自动补偿

5．4．1 恶劣环境下的综合校正方法

5．4．2 恶劣环境下温漂补偿实验

5．5 本章小结

第六章 ECS的材料选择性及其消除方法

6．1 ECS材料选择性的来源和特点

6．2 ECS材料选择性的分析和校正

6．2．1 复镜像法分析

6．2．2 平移法的仿真和实验结果

6．2．3 一种自动识别目标特性的平移校正方法

6．3 基于平移校正的ECS温度补偿方法

6．4 本章小结

第七章 基于ECS的金属膜厚度测量新方法

7．1 金属膜厚度测量的研究现状

7．1．1 金属膜厚度测量的意义和主要方法

7．1．2 涡流法测量金属膜厚度的研究进展

7．2 基于提离线斜率的厚度测量方法

7．2．1 提离线斜率与金属膜厚度的关系

7．2．2 基于LOC斜率的厚度测量法的仿真分析

7．2．3 原理性实验验证

7．3 一种在线厚度测量实验系统的设计与验证

7．3．1 实验系统设计

7．3．2 复阻抗分离测量电路的设计

7．3．3 基于LabView的金属膜厚度测量系统

7．4 基于LOC斜率的厚度测量系统的分析讨论

7．5 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 工作总结

8．2 研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果