一种基于电容测微的精密金属零长弹簧温度系数测量仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及地学仪器核心部件的性能检测技术，尤其涉及一种基于电容测微 的精密金属零长弹簧温度系数测量仪。
【背景技术】
[0002] 准确测量重力加速度及其变化在资源勘探、国防建设和地球科学研究等领域具有 重要作用。而高精度弹性元件如今被广泛地应用于精密仪器、仪表和精密机械中，其中金属 零长弹簧被成功地应用于重力仪去精确测量重力加速度。经过特殊加工工艺制作的金属零 长螺旋弹簧具有相对尺寸小、灵敏度高，能克服动态测量的横向扰动，蠕变松弛量极小，是 重力测量的理想弹性元件。金属零长弹簧的灵敏度为〇. 1微米/毫伽（1微伽=ΠΓ6伽，1毫伽 =1 0-3伽，1伽=1 cm/s_2)，分辨率为0.01毫伽，而重力仪要求弹簧的分辨率为0.001微米。这 样的精度要求，势必造成零长弹簧在使用时受温度影响其长度变化非常可观，甚至远大于 仪器的测量精度，进而对仪器的测量造成误差，因此需要精确地测量弹簧的温度系数去准 确地计算重力仪所需要的控温精度水平，从而更准确、有效测量重力加速度的变化，更真实 地反应实际重力值或者变化。
[0003] 目前关于金属零长螺旋弹簧研究和应用较为成熟的也仅限于欧美一些发达国家， 而国内对该种弹簧的研制和性能研究还处于起步和发展阶段。近年来中国科学院测量与地 球物理研究所的科研人员对金属零长弹簧的研制做了系统的研究工作，其综合性能如蠕变 和零漂也已达到了设计要求，但是有关零长弹簧温度系数的测量始终处于比较原始的水 平，其测量方法也仅限于利用空调控制温度变化，利用读数精度为微米水平的光学垂高计 读取弹簧长度变化，然后对取得数据用最小二乘法计算结果，该方法虽简单，但测量误差较 大，随机性较高，测量数据不可靠等缺点，其对零长弹簧温度系数的测量装置与测量方法在 国内目前是限制其广泛应用的薄弱环节。
【发明内容】
[0004] 本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种更高精度、更 可靠和更稳定的一种基于电容测微的精密金属零长弹簧温度系数测量仪，其温度系数中长 度变化的测量误差极小。该测量仪结构紧凑、温度便于控制、功能模块化、读数计算方便快 捷，使国内对零长弹簧精确性能检测更全面，更有效率，同时也提高了相关重力仪的测量精 度。
[0005] 本实用新型的目的是这样实现的：
[0006] 采用类似相对重力仪的弹簧垂直悬挂结构，针对精密金属零长弹簧一个重要的性 能一一温度系数测量，使零长弹簧的筛选更有针对性，使相关重力仪的性能更加优异。
[0007] -、精密金属零长弹簧温度系数测量仪(简称测量仪）
[0008] 本测量仪包括被测对象一一零长弹簧；
[0009] 设置有壳体单元、机械敏感探头单元、温度控制单元和水平调节单元；
[0010] 所述的壳体单元包括从上到下依次连接的面盖、外壳、支撑底座和支撑螺母；
[0011] 所述的温度控制单元包括温度控制系统、内恒温罐、外恒温罐、外绝热层、
[0012] 内绝热层和金属杜瓦瓶；
[0013] 在壳体单元，从外到里，依次设置有外绝热层、外恒温罐、内绝热层、金属杜瓦瓶和 内恒温罐;设置于壳体单元外部的温度控制系统分别与外恒温罐和内恒温罐连接；
[0014] 机械敏感探头单元设置于内恒温罐内，零长弹簧设置于机械敏感探头单元内；
[0015] 水平调节单元设置于支撑底座上。
[0016] 二、测量方法
[0017] ①将精密金属零长弹簧两端分别通过上接丝和下接丝悬挂，上接丝压于上接丝座 中，下接丝压于下接丝座中；通过底部对称分布的三个支撑螺母以及观察两个互为垂直放 置的第一水平调节仪和第二水平调节仪水泡位置，调整底座处于水平状态；
[0018] ②将电容位移传感系统通电，旋转微调螺杆和微调配重块，同时观察通过交流放 大器提高电路信噪比，经过解调器和低通滤波器提取所需要的低频段的差分电容信号的大 小，直至输出为〇，此时电容动片精确位于上电容定片和下电容定片中间位置；
[0019] ③再分别依次将内恒温罐、金属杜瓦瓶、内绝热层、外恒温罐、外绝热层、外壳装配 在一起，并固定在底座上；
[0020] ④在测量过程中通过改变温度控制单元的参数改变内恒温罐内部温度，温度调节 范围在42-60°C，外恒温罐的控温温度比内恒温罐低5°C，同步观测电容位移传感系统的信 号输出，即可得出对应温度变化引起的精密金属零长弹簧的长度改变。
[0021 ]本实用新型具有下列优点与积极效果：
[0022]①测量仪整体结构紧凑，能真实地模拟零长弹簧的使用环境，从而更为精确、真实 地测量弹簧的温度系数；
[0023]②温度控制单元能够为测量过程提供一个0.01 °C的恒温环境，同时测微的电容 定、动片材料温度系数极小、稳定性高，测微精度达到纳米级，因此该测量仪重复度高、稳定 性好，受外部环境干扰极小；
[0024] ③测量过程中温度和位移测量都是自动进行，人为干预较少，提高了测量效率；
[0025] ④适用于精密金属零长弹簧温度系数的测量。
【附图说明】
[0026] 图1是本测量仪的结构示意图；
[0027] 图2是电容位移传感系统的结构方框图；
[0028] 图3是是温度控制系统的结构方框图；
[0029] 图中：
[0030] 000-零长弹簧；
[0031] 1〇〇一壳体单元，
[0032] 101-面盖，102-外壳，103-支撑螺母，104-支撑底座；
[0033] 200-机械敏感探头单元，
[0034] 201-上接丝，202-上电容定片，203-电容动片，204-下电容定片，
[0035] 205-管状质量摆，206-下接丝，207-下接丝座，208-微调配重块，
[0036] 209-电容位移传感系统，
[0037] 2091-前置运算放大器，2092-交流放大器，2093-解调器，
[0038] 2094-低通滤波器，2095-载波偏置电压产生单元；
[0039] 210-悬挂螺杆，
[0040] 211-低胀壳体，
[0041 ] 212-微调螺杆，
[0042] 213-压片，214-上接丝座，215-定片连接柱；
[0043] 300-温度控制单元，
[0044] 301-温度控制系统，
[0045] 3011 -温度传感器，3012-PI控制器，3013-电流转换器，
[0046] 3014 -电阻加热丝；
[0047] 302-内恒温罐，303-外恒温罐，304-外绝热层，
[0048] 305-内绝热层；306-金属杜瓦瓶；
[0049] 400-水平调节单元，
[0050] 401-第1水平调节仪，402-第2水平调节仪。
【具体实施方式】
[0051] 本实用新型是基于电容测微和双层温控的精密金属零长弹簧温度系数测量仪，不 需要光学垂高计等位移测量手段就能可靠、精确地计算高精密弹性元件的温度系数。其工 作原理是利用双层温控精确地控制阶梯温度变化，同时使用电容测微传感系统测量电容动 片相对于电容定片的位移信息，既等同于相邻温度变化之间弹簧的长度变化，则计算的温 度膨胀系数可表3
X代表长度，T代表温度）。相对于传统的温度系数测 量，本测量仪数字化程度更高，测量更精确，更适合精密仪器中精密元件受温度影响的性能 测量。
[0052] 下面结合附图和实施例详细说明：
[0053] -、测量仪
[0054] 1、总体
[0055]如图1，本测量仪包括被测对象一一零长弹簧000;
[0056] 设置有壳体单元100、机械敏感探头单元200、温度控制单元300和水平调节单元 400；
[0057]所述的壳体单元100包括从上到下依次连接的面盖101、外壳102、支撑底座104和 支撑螺母103;
[0058] 所述的温度控制单元300包括温度控制系统301、内恒温罐302、外恒温罐303、外绝 热层304、内绝热层305和金属杜瓦瓶306;
[0059]在壳体单元100内，从外到里，依次设置有外绝热层304、外恒温罐303、内绝热层 305、金属杜瓦瓶306和内恒温罐302;设置于壳体单元100外部的温度控制系统301分别与外 恒温罐303和内恒温罐302连接；
[0060]机械敏感探头单元200设置于内恒温罐302内，零长弹簧000设置于机械敏感探头 单元200内；
[0061] 水平调节单元400设置于支撑底座104上。
[0062] 2、功能部件
[0063] 0)零长弹簧000
[0064] 如图2，精密金属零长弹簧000是被测对象；
[0065] 悬挂在上接丝201和下接丝206之间。
[0066] 1)壳体单元100
[0067] 所述的壳体单元100包括从上到下依次连接的面盖101、外壳102、支撑底座104和 支撑螺母103,组成一个封闭的容器；
[0068] 其功能是具有置平功能的支撑体。
[0069] 支撑底座104可以为圆形或三角形，上端面加工有和外壳102外圆直径大小的沟 槽，用以放置装置主体，同时左侧端面通过螺钉固定互为垂直放置的第一水平仪、第二水平 仪，三个支撑脚垫沿圆周对称固定于底座下端面，伸出高度可以自由调节。由此为测量仪壳 体提供一个水平的工作状态。
[0070] 2)机械敏感探头单元200
[0071] 机械敏感探头单元200包括上接丝201、上电容定片202、电容动片203、下电容定片 204、管状质量摆205、下接丝206、下接丝座207、微调配重块208、电容位移传感系统209、悬 挂螺杆210、低胀壳体211、微调螺杆212、压片213、上接丝座214和定片连接柱215;
[0072]其位置和连接关系是：
[0073]低胀壳体211包括通过螺钉连接的上盖211A和圆筒容器211B;由沿圆周按120°分 布的三根悬挂螺杆210安装于面盖101下面；
[0074]在低胀壳体211的上盖211A设置有中心螺纹孔，微调螺杆212的底端穿过压片213 的中心通孔和上盖211A的中心螺纹孔和上接丝座214连接，上接丝座214、上接丝201、零长 弹簧000、下接丝206、下接丝座207、管状质量摆205和微调配重块208依次连接；
[0075]电容动片203和管状质量摆205的上端连接；
[0076]在电容动片203的上下空间，分别设置有上电容定片202和下电容定片204,上电容 定片202和下电容定片204分别通过定片连接柱215固定于低胀壳体211的圆筒容器211B上。 [0077]如图2，电容位移传感系统209包括前置运算放大器2091、交流放大器2092、解调器 2093、低通滤波器2094和载波偏置