利用容性傳感器控制涂層間隙的一致性

摘要：壓條化學(xué)、粘合計(jì)和照相涂層中使用的硬模槽縫隙技術(shù)必須在物體的整個(gè)長度范圍內(nèi)都保持一致，而雙容性位移傳感器可保證這種可能性的實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：硬模縫隙 扭曲 擺動 虛擬放大器 線性化
各種商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的磁帶和薄膜制造商在縫隙擠壓硬模技術(shù)的基礎(chǔ)上，把薄膜化學(xué)、粘合計(jì)和照相涂層用于生產(chǎn)活動中。大部分涂層硬模縫隙為0.006–0.024英寸 (150–600 微米)寬，3–6英尺(1–2米)長。因?yàn)榭p隙直接影響到涂層的厚度，所以理論上在整個(gè)涂層硬模的長度范圍內(nèi)它應(yīng)該始終保持0.01微米的寬度（見圖1）。

圖1.因?yàn)楠M槽縫隙的尺寸會變化，縫隙寬度的設(shè)置直接與涂層材料的厚度有關(guān)，所以沿涂層硬模的長度，極端的精確性在設(shè)置均勻縫隙的過程中是基本選擇。此處顯示的是處于測量涂層狹槽縫隙過程中的縫隙測量夾具。
傳統(tǒng)測量方法
很多測量技術(shù)不僅耗費(fèi)時(shí)間，而且在涂層硬模的整個(gè)長度內(nèi)，縫隙變化會大于50 µ英寸(1.25 微米)。其中一個(gè)典型的例子是感應(yīng)應(yīng)變儀，它缺少所希望的準(zhǔn)確性，并且因?yàn)橛脩羰褂玫闹饔^性使其重復(fù)性也很差。此外還有其他一些問題：
· 感應(yīng)應(yīng)變儀會毀壞高拋光的表面，如涂層口。
· 一旦縫隙被設(shè)定將很難重新檢測實(shí)際尺寸。
· 這些應(yīng)變儀無法準(zhǔn)確地測量“向內(nèi)”縫隙。
另一種技術(shù)是把擠壓鋼模分成兩個(gè)部分并把它們分開放在花崗巖度量板上，借助位移傳感器從上面對其進(jìn)行平面測量。為獲得理想的匹配，每一面都經(jīng)過進(jìn)一步的拋光，使兩個(gè)面能背靠背緊連在一起。
但是在臺上進(jìn)行測量時(shí)，每半個(gè)硬模的平坦性都會有變化，同時(shí)當(dāng)硬模重新組合在一起后扭矩會對安裝門閂產(chǎn)生影響。這種結(jié)果會對10–40 µ英寸(0.25–1.0 微米)的縫隙一致性產(chǎn)生一個(gè)變量。另一挑戰(zhàn)是不僅要沿著涂層嘴的長度測量縫隙，而且要在涂層內(nèi)選擇外輪廓點(diǎn)確認(rèn)“阻塞點(diǎn)”是否在鋼模的內(nèi)側(cè)。
實(shí)際上檢查這種測量方法結(jié)果的唯一途徑是重新安裝涂層內(nèi)的硬模并進(jìn)行一輪測試。然后檢測涂層材料以確定沉淀在媒介中涂層的相對一致性。
電容解決方案
在電容技術(shù)方法中，用兩個(gè)電容位移傳感器來測量涂層縫隙，傳感器以背對背的形式安裝在平直棒的尾端。

圖2.靜電場的扭曲通過環(huán)形防護(hù)裝置而最小化，環(huán)形裝置的100%的屏蔽功能使傳感器元件不能朝各個(gè)方向“看”。
每一個(gè)傳感器都有一個(gè)中心感應(yīng)元件，一般直徑為0.079–0.197英寸(2–5 mm)。傳感器由一個(gè)環(huán)形層或防護(hù)裝置包圍，直徑大概是傳感器直徑的兩倍，其功能是對準(zhǔn)電容的變化區(qū)。兩個(gè)部件都分別與100%的屏蔽同軸電纜相連（見圖2）。傳感器/防護(hù)裝置的結(jié)合并放置在與地面或傳導(dǎo)目標(biāo)平行的位置，測量與空氣縫隙成一定比例的電容。當(dāng)信號輸入到特定的信號調(diào)節(jié)放大器中時(shí)，輸出可在0 至10,000 VDC之間進(jìn)行線性傳輸，該信號幾乎與觸及的全程范圍的縫隙相關(guān)連，該方法表明分辨率可達(dá)萬分之一。

圖3. 這是Kapton-型細(xì)縫棒的單面圖，但展示了它的整個(gè)連接器。
例如，10，000個(gè)單位分開的0.010英寸的全程范圍產(chǎn)生1 µin./mVDC的分辨率 (既10，000分成的0.25 mm的范圍產(chǎn)生250 nm的分辨率)。
傳感器的選擇

圖片1.為適合寬縫隙應(yīng)用，傳感器可安裝在不銹鋼薄棒上，外面帶有一層塑料或鋼防護(hù)層。
與電容傳感器相連的棒的結(jié)構(gòu)、厚度和材料隨應(yīng)用要求的變化而變化。一般應(yīng)用的棒有兩種類型，Kapton形和合成型，其劃分取決于厚度。對范圍在(0.009–0.10 in./0.23–2.5 mm)之間的很薄縫隙，一般使用Kapton形傳感器棒，其檢測的厚度在0.009–0.040英寸(0.23–1.0 mm)之間。Kapton形棒的標(biāo)準(zhǔn)長度為7.8 英寸 (200 mm)。圖3是其中的一個(gè)例子。如果縫隙比較寬(0.40 in./1.0 mm 或以上)的話，兩個(gè)傳感器就安裝在帶有塑料或不銹鋼保護(hù)膜合成的不銹鋼薄棒上（見圖片1）。
最高精度
在電容性測量技術(shù)中，范圍、準(zhǔn)確性和線性之間存在一定的關(guān)系。范圍越小，精度和線性就越高。所以棒的厚度選擇與縫隙的大小有關(guān)，從而產(chǎn)生0.010英寸(250 微米)全程范圍。這種情況下的精度為±0.2% F.S.。通過選擇棒的厚度，最大尺寸可為0.004 英寸 (100 微米)，而且比所測目標(biāo)的槽縫隙稍小時(shí)，仍可獲得更高的準(zhǔn)確度。這兩條規(guī)則結(jié)合后可產(chǎn)生高于±0.1% F.S. (如, 4 µin./0.1 微米)的精度。
棒的安裝定位也很重要。當(dāng)棒與兩個(gè)半邊的涂層硬模的平行保持穩(wěn)定時(shí)，可獲得最好的測量結(jié)果。如果棒在平行位置之外的空間中扭曲或擺動，那么會降低準(zhǔn)確度和可重復(fù)性。為保持在棒和硬模縫隙之間的最佳平行狀態(tài)，需要采用特殊的固定裝置（見圖4）。這種裝置通過讓容易處理和放置的棒進(jìn)入硬模縫隙中來改善測量過程，防止在放置過程中棒的扭曲，同時(shí)在防止棒擺動出理想測量區(qū)域外。

圖4.傳統(tǒng)使用的棒手柄帶有可調(diào)節(jié)的插入長度和縫隙防護(hù)裝置，對扭曲誤差具有很好的阻抗(A)。可更換的左邊和右邊的防護(hù)薄墊與涂層縫隙的大小想匹配(B)。
使用儀器
探測器可與匹配的Capacitec 4100系列的電子工具包結(jié)合使用，工具包中有電子架、電源、纜線和放大器等。探測器與放大器的雙通道匹配，并對應(yīng)每個(gè)傳感器（見圖片2）。
最大系統(tǒng)值
常規(guī)系統(tǒng)中，每一個(gè)感應(yīng)探測器都與兩個(gè)專門設(shè)置的放大器相匹配。大部分給定的涂層都有一個(gè)硬模縫隙尺寸（如0.008, 0.009, 0.010, 和0.020英寸）范圍，這樣用戶就需要大量專門放大器來與不同尺寸的縫隙相配。這種要求會使系統(tǒng)成本飆升。解決的方法之一是使用一種稱為BarGrafx特定軟件程序，它允許正常用于單棒的兩個(gè)放大器，并可同時(shí)用于幾個(gè)棒中，而不需要額外增加成本。

圖片2. 帶有使用儀器、棒手柄和校準(zhǔn)塊的雙通道系統(tǒng)可與膝上電腦中的PC卡(PCMCIA) A/D轉(zhuǎn)換器直接連接。
在軟件中，這是通過創(chuàng)造來完成的，來自兩個(gè)真實(shí)放大器的“虛擬”放大器用于系統(tǒng)中多個(gè)探測器設(shè)置中的一個(gè)里。一對虛擬放大器接著與每個(gè)額外探測器配置使用。
利用BarGrafx程序創(chuàng)造虛擬放大器的技術(shù)與傳感器通道-放大器校準(zhǔn)過程的連接是雙傳感器棒的每個(gè)通道（傳感器）作為測量系統(tǒng)操作的一部分所必需的。第一個(gè)傳感器探測器的兩個(gè)通道的任何一個(gè)都經(jīng)過校準(zhǔn)，可以與靈敏度為0–0.10 英寸(0–250微米) = 0–10 VDC的放大器配置使用。校準(zhǔn)過程中的模擬輸出電壓進(jìn)入BarGrafx程序中，該程序具有實(shí)時(shí)的校準(zhǔn)模塊，攜帶了從放大器中獲得的模擬輸出電壓，并通過第四級的多項(xiàng)插補(bǔ)運(yùn)算把它轉(zhuǎn)化為線性工程單位（英制或公制）。
另一種探測器是與同類型的放大器對匹配使用，該放大器采用多項(xiàng)式校準(zhǔn)探測器。整個(gè)過程不斷重復(fù)，為系統(tǒng)中每個(gè)額外的探測器提供系列虛擬放大器。每個(gè)探測器的校準(zhǔn)按照最初的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行核實(shí)，而這種標(biāo)準(zhǔn)具有被測擠壓縫隙的精確度。BarGrafx程序的線性化特征是滿量程±0.01%的可重復(fù)性和滿量程±0.1%或更好的精度。
Capacitec的BarGrafx是在National Instrument公司的 LabView程序下開發(fā)出來的，可在標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)的Windows 95/98/ 2000/XP環(huán)境下操作。這種程序一般可同廣泛用于移動電腦的PCMCIA的數(shù)據(jù)采集卡連接。此外，上述所描述的校準(zhǔn)模塊、BarGrafx的特征及兩者的功能如下：
· 常用的方程式編輯器運(yùn)行線性通道進(jìn)行各類線性化的加、減、乘、除操作。
屏幕1. 一種專門軟件程序BarGrafx產(chǎn)生的校準(zhǔn)屏幕提供高達(dá)四級的多項(xiàng)適合并進(jìn)行每個(gè)所選探測器厚度的誤差與常量的比較。
· 各通道具有的算術(shù)關(guān)系包括總量、縫隙的厚度、傾斜和偏離等。方程式編輯器也可使這些線性方程式或算術(shù)方程式分配到八個(gè)顯示條上，用于常規(guī)條形圖的用戶接口。
· 界限模塊允許指定的條形圖顯示以反映上限、上限報(bào)警、下限、下限報(bào)警和快速的用戶確認(rèn)等其它顯示。（見屏幕1）

· 數(shù)據(jù)輸出可用.txt標(biāo)準(zhǔn)存儲形式來存儲信息文檔形式（如可方便輸出到MS的 Excel）或直接通過RS-232接口直接傳到外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中或控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。
新的測量基準(zhǔn)
電容式非接觸薄縫隙感應(yīng)系統(tǒng)已經(jīng)滿足了目前用戶基準(zhǔn)要求，即在縫隙硬模中控制縫隙一致性達(dá)到10 µ英寸（0.254微米）。以Capacitec標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的新用戶基準(zhǔn)如下：
· 可測量低至0.005英寸（0.125微米）的縫隙；
· 更高的溫度傳感器棒可在482°F (250°C)下使用。
· 更堅(jiān)固的傳感器手柄和更為先進(jìn)的固定方式；
· 為傳統(tǒng)棒使用者提供滾筒縫隙試配器
注：Kapton 和 BarGrafx為Capacitec注冊商標(biāo)。