[實用新型]一種基于電容測微的精密金屬零長彈簧溫度系數測量儀

有效

• 申請號: 201521026777.1
• 申請日: 2015-12-10
• 公開（公告）號: CN205175941U
• 公開（公告）日: 2016-04-20
• 發明（設計）人: 汪龍;鄒舟;吳鵬飛;柳林濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院測量與地球物理研究所
• 主分類號: G01N25/16
• 分類號: G01N25/16
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 黃瑞棠

技術領域

本實用新型涉及地學儀器核心部件的性能檢測技術，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測量儀。

背景技術

準確測量重力加速度及其變化在資源勘探、國防建設和地球科學研究等領域具有 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0.1微米/毫伽(1微伽＝10^-6伽，1毫伽 ＝10^-3伽，1伽＝1cm/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常可觀，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。

目前關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達國家， 而國內對該種彈簧的研制和性能研究還處于起步和發展階段。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的研究工作，其綜合性能如蠕變 和零漂也已達到了設計要求，但是有關零長彈簧溫度系數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控制溫度變化，利用讀數精度為微米水平的光學垂高計 讀取彈簧長度變化，然后對取得數據用最小二乘法計算結果，該方法雖簡單，但測量誤差較 大，隨機性較高，測量數據不可靠等缺點，其對零長彈簧溫度系數的測量裝置與測量方法在 國內目前是限制其廣泛應用的薄弱環節。

發明內容

本實用新型的目的在于克服現有技術存在的缺點和不足，提供一種更高精度、更 可靠和更穩定的一種基于電容測微的精密金屬零長彈簧溫度系數測量儀，其溫度系數中長 度變化的測量誤差極小。該測量儀結構緊湊、溫度便于控制、功能模塊化、讀數計算方便快 捷，使國內對零長彈簧精確性能檢測更全面，更有效率，同時也提高了相關重力儀的測量精 度。

本實用新型的目的是這樣實現的：

采用類似相對重力儀的彈簧垂直懸掛結構，針對精密金屬零長彈簧一個重要的性 能——溫度系數測量，使零長彈簧的篩選更有針對性，使相關重力儀的性能更加優異。

一、精密金屬零長彈簧溫度系數測量儀(簡稱測量儀)

本測量儀包括被測對象——零長彈簧；

設置有殼體單元、機械敏感探頭單元、溫度控制單元和水平調節單元；

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；

所述的溫度控制單元包括溫度控制系統、內恒溫罐、外恒溫罐、外絕熱層、

內絕熱層和金屬杜瓦瓶；

在殼體單元，從外到里，依次設置有外絕熱層、外恒溫罐、內絕熱層、金屬杜瓦瓶和 內恒溫罐；設置于殼體單元外部的溫度控制系統分別與外恒溫罐和內恒溫罐連接；

機械敏感探頭單元設置于內恒溫罐內，零長彈簧設置于機械敏感探頭單元內；

水平調節單元設置于支撐底座上。

二、測量方法

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 置的第一水平調節儀和第二水平調節儀水泡位置，調整底座處于水平狀態；

②將電容位移傳感系統通電，旋轉微調螺桿和微調配重塊，同時觀察通過交流放 大器提高電路信噪比，經過解調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0，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；

③再分別依次將內恒溫罐、金屬杜瓦瓶、內絕熱層、外恒溫罐、外絕熱層、外殼裝配 在一起，并固定在底座上；

④在測量過程中通過改變溫度控制單元的參數改變內恒溫罐內部溫度，溫度調節 范圍在42-60℃，外恒溫罐的控溫溫度比內恒溫罐低5℃，同步觀測電容位移傳感系統的信 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。

本實用新型具有下列優點與積極效果：