利用容性传感器控制涂层间隙的一致性

摘要：压条化学、粘合计和照相涂层中使用的硬模槽缝隙技术必须在物体的整个长度范围内都保持一致，而双容性位移传感器可保证这种可能性的实现。
关键词：硬模缝隙 扭曲 摆动 虚拟放大器 线性化
各种商业和工业应用的磁带和薄膜制造商在缝隙挤压硬模技术的基础上，把薄膜化学、粘合计和照相涂层用于生产活动中。大部分涂层硬模缝隙为0.006–0.024英寸 (150–600 微米)宽，3–6英尺(1–2米)长。因为缝隙直接影响到涂层的厚度，所以理论上在整个涂层硬模的长度范围内它应该始终保持0.01微米的宽度（见图1）。

图1.因为狭槽缝隙的尺寸会变化，缝隙宽度的设置直接与涂层材料的厚度有关，所以沿涂层硬模的长度，极端的精确性在设置均匀缝隙的过程中是基本选择。此处显示的是处于测量涂层狭槽缝隙过程中的缝隙测量夹具。
传统测量方法
很多测量技术不仅耗费时间，而且在涂层硬模的整个长度内，缝隙变化会大于50 µ英寸(1.25 微米)。其中一个典型的例子是感应应变仪，它缺少所希望的准确性，并且因为用户使用的主观性使其重复性也很差。此外还有其他一些问题：
· 感应应变仪会毁坏高抛光的表面，如涂层口。
· 一旦缝隙被设定将很难重新检测实际尺寸。
· 这些应变仪无法准确地测量“向内”缝隙。
另一种技术是把挤压钢模分成两个部分并把它们分开放在花岗岩度量板上，借助位移传感器从上面对其进行平面测量。为获得理想的匹配，每一面都经过进一步的抛光，使两个面能背靠背紧连在一起。
但是在台上进行测量时，每半个硬模的平坦性都会有变化，同时当硬模重新组合在一起后扭矩会对安装门闩产生影响。这种结果会对10–40 µ英寸(0.25–1.0 微米)的缝隙一致性产生一个变量。另一挑战是不仅要沿着涂层嘴的长度测量缝隙，而且要在涂层内选择外轮廓点确认“阻塞点”是否在钢模的内侧。
实际上检查这种测量方法结果的唯一途径是重新安装涂层内的硬模并进行一轮测试。然后检测涂层材料以确定沉淀在媒介中涂层的相对一致性。
电容解决方案
在电容技术方法中，用两个电容位移传感器来测量涂层缝隙，传感器以背对背的形式安装在平直棒的尾端。

图2.静电场的扭曲通过环形防护装置而最小化，环形装置的100%的屏蔽功能使传感器元件不能朝各个方向“看”。
每一个传感器都有一个中心感应元件，一般直径为0.079–0.197英寸(2–5 mm)。传感器由一个环形层或防护装置包围，直径大概是传感器直径的两倍，其功能是对准电容的变化区。两个部件都分别与100%的屏蔽同轴电缆相连（见图2）。传感器/防护装置的结合并放置在与地面或传导目标平行的位置，测量与空气缝隙成一定比例的电容。当信号输入到特定的信号调节放大器中时，输出可在0 至10,000 VDC之间进行线性传输，该信号几乎与触及的全程范围的缝隙相关连，该方法表明分辨率可达万分之一。

图3. 这是Kapton-型细缝棒的单面图，但展示了它的整个连接器。
例如，10，000个单位分开的0.010英寸的全程范围产生1 µin./mVDC的分辨率 (既10，000分成的0.25 mm的范围产生250 nm的分辨率)。
传感器的选择

图片1.为适合宽缝隙应用，传感器可安装在不锈钢薄棒上，外面带有一层塑料或钢防护层。
与电容传感器相连的棒的结构、厚度和材料随应用要求的变化而变化。一般应用的棒有两种类型，Kapton形和合成型，其划分取决于厚度。对范围在(0.009–0.10 in./0.23–2.5 mm)之间的很薄缝隙，一般使用Kapton形传感器棒，其检测的厚度在0.009–0.040英寸(0.23–1.0 mm)之间。Kapton形棒的标准长度为7.8 英寸 (200 mm)。图3是其中的一个例子。如果缝隙比较宽(0.40 in./1.0 mm 或以上)的话，两个传感器就安装在带有塑料或不锈钢保护膜合成的不锈钢薄棒上（见图片1）。
最高精度
在电容性测量技术中，范围、准确性和线性之间存在一定的关系。范围越小，精度和线性就越高。所以棒的厚度选择与缝隙的大小有关，从而产生0.010英寸(250 微米)全程范围。这种情况下的精度为±0.2% F.S.。通过选择棒的厚度，最大尺寸可为0.004 英寸 (100 微米)，而且比所测目标的槽缝隙稍小时，仍可获得更高的准确度。这两条规则结合后可产生高于±0.1% F.S. (如, 4 µin./0.1 微米)的精度。
棒的安装定位也很重要。当棒与两个半边的涂层硬模的平行保持稳定时，可获得最好的测量结果。如果棒在平行位置之外的空间中扭曲或摆动，那么会降低准确度和可重复性。为保持在棒和硬模缝隙之间的最佳平行状态，需要采用特殊的固定装置（见图4）。这种装置通过让容易处理和放置的棒进入硬模缝隙中来改善测量过程，防止在放置过程中棒的扭曲，同时在防止棒摆动出理想测量区域外。

图4.传统使用的棒手柄带有可调节的插入长度和缝隙防护装置，对扭曲误差具有很好的阻抗(A)。可更换的左边和右边的防护薄垫与涂层缝隙的大小想匹配(B)。
使用仪器
探测器可与匹配的Capacitec 4100系列的电子工具包结合使用，工具包中有电子架、电源、缆线和放大器等。探测器与放大器的双通道匹配，并对应每个传感器（见图片2）。
最大系统值
常规系统中，每一个感应探测器都与两个专门设置的放大器相匹配。大部分给定的涂层都有一个硬模缝隙尺寸（如0.008, 0.009, 0.010, 和0.020英寸）范围，这样用户就需要大量专门放大器来与不同尺寸的缝隙相配。这种要求会使系统成本飙升。解决的方法之一是使用一种称为BarGrafx特定软件程序，它允许正常用于单棒的两个放大器，并可同时用于几个棒中，而不需要额外增加成本。

图片2. 带有使用仪器、棒手柄和校准块的双通道系统可与膝上电脑中的PC卡(PCMCIA) A/D转换器直接连接。
在软件中，这是通过创造来完成的，来自两个真实放大器的“虚拟”放大器用于系统中多个探测器设置中的一个里。一对虚拟放大器接着与每个额外探测器配置使用。
利用BarGrafx程序创造虚拟放大器的技术与传感器通道-放大器校准过程的连接是双传感器棒的每个通道（传感器）作为测量系统操作的一部分所必需的。第一个传感器探测器的两个通道的任何一个都经过校准，可以与灵敏度为0–0.10 英寸(0–250微米) = 0–10 VDC的放大器配置使用。校准过程中的模拟输出电压进入BarGrafx程序中，该程序具有实时的校准模块，携带了从放大器中获得的模拟输出电压，并通过第四级的多项插补运算把它转化为线性工程单位（英制或公制）。
另一种探测器是与同类型的放大器对匹配使用，该放大器采用多项式校准探测器。整个过程不断重复，为系统中每个额外的探测器提供系列虚拟放大器。每个探测器的校准按照最初的标准进行核实，而这种标准具有被测挤压缝隙的精确度。BarGrafx程序的线性化特征是满量程±0.01%的可重复性和满量程±0.1%或更好的精度。
Capacitec的BarGrafx是在National Instrument公司的 LabView程序下开发出来的，可在标准PC机的Windows 95/98/ 2000/XP环境下操作。这种程序一般可同广泛用于移动电脑的PCMCIA的数据采集卡连接。此外，上述所描述的校准模块、BarGrafx的特征及两者的功能如下：
· 常用的方程式编辑器运行线性通道进行各类线性化的加、减、乘、除操作。
屏幕1. 一种专门软件程序BarGrafx产生的校准屏幕提供高达四级的多项适合并进行每个所选探测器厚度的误差与常量的比较。
· 各通道具有的算术关系包括总量、缝隙的厚度、倾斜和偏离等。方程式编辑器也可使这些线性方程式或算术方程式分配到八个显示条上，用于常规条形图的用户接口。
· 界限模块允许指定的条形图显示以反映上限、上限报警、下限、下限报警和快速的用户确认等其它显示。（见屏幕1）

· 数据输出可用.txt标准存储形式来存储信息文档形式（如可方便输出到MS的 Excel）或直接通过RS-232接口直接传到外部数据采集系统中或控制系统的计算机。
新的测量基准
电容式非接触薄缝隙感应系统已经满足了目前用户基准要求，即在缝隙硬模中控制缝隙一致性达到10 µ英寸（0.254微米）。以Capacitec标准发展的新用户基准如下：
· 可测量低至0.005英寸（0.125微米）的缝隙；
· 更高的温度传感器棒可在482°F (250°C)下使用。
· 更坚固的传感器手柄和更为先进的固定方式；
· 为传统棒使用者提供滚筒缝隙试配器
注：Kapton 和 BarGrafx为Capacitec注册商标。