利用容性傳感器控制涂層間隙的一致性

摘要：壓條化學、粘合計和照相涂層中使用的硬模槽縫隙技術必須在物體的整個長度范圍內都保持一致，而雙容性位移傳感器可保證這種可能性的實現。
關鍵詞：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)應用的磁帶和薄膜制造商在縫隙擠壓硬模技術的基礎上，把薄膜化學、粘合計和照相涂層用于生產活動中。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。因為縫隙直接影響到涂層的厚度，所以理論上在整個涂層硬模的長度范圍內它應該始終保持0.01微米的寬度（見圖1）。

圖1.因為狹槽縫隙的尺寸會變化，縫隙寬度的設置直接與涂層材料的厚度有關，所以沿涂層硬模的長度，極端的精確性在設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
很多測量技術不僅耗費時間，而且在涂層硬模的整個長度內，縫隙變化會大于50 µ英寸(1.25 微米)。其中一個典型的例子是感應應變儀，它缺少所希望的準確性，并且因為用戶使用的主觀性使其重復性也很差。此外還有其他一些問題：
· 感應應變儀會毀壞高拋光的表面，如涂層口。
· 一旦縫隙被設定將很難重新檢測實際尺寸。
· 這些應變儀無法準確地測量“向內”縫隙。
另一種技術是把擠壓鋼模分成兩個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行平面測量。為獲得理想的匹配，每一面都經過進一步的拋光，使兩個面能背靠背緊連在一起。
但是在臺上進行測量時，每半個硬模的平坦性都會有變化，同時當硬模重新組合在一起后扭矩會對安裝門閂產生影響。這種結果會對10–40 µ英寸(0.25–1.0 微米)的縫隙一致性產生一個變量。另一挑戰(zhàn)是不僅要沿著涂層嘴的長度測量縫隙，而且要在涂層內選擇外輪廓點確認“阻塞點”是否在鋼模的內側。
實際上檢查這種測量方法結果的唯一途徑是重新安裝涂層內的硬模并進行一輪測試。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
在電容技術方法中，用兩個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方向“看”。
每一個傳感器都有一個中心感應元件，一般直徑為0.079–0.197英寸(2–5 mm)。傳感器由一個環(huán)形層或防護裝置包圍，直徑大概是傳感器直徑的兩倍，其功能是對準電容的變化區(qū)。兩個部件都分別與100%的屏蔽同軸電纜相連（見圖2）。傳感器/防護裝置的結合并放置在與地面或傳導目標平行的位置，測量與空氣縫隙成一定比例的電容。當信號輸入到特定的信號調節(jié)放大器中時，輸出可在0 至10,000 VDC之間進行線性傳輸，該信號幾乎與觸及的全程范圍的縫隙相關連，該方法表明分辨率可達萬分之一。

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

圖片1.為適合寬縫隙應用，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層。
與電容傳感器相連的棒的結構、厚度和材料隨應用要求的變化而變化。一般應用的棒有兩種類型，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形棒的標準長度為7.8 英寸 (200 mm)。圖3是其中的一個例子。如果縫隙比較寬(0.40 in./1.0 mm 或以上)的話，兩個傳感器就安裝在帶有塑料或不銹鋼保護膜合成的不銹鋼薄棒上（見圖片1）。
最高精度
在電容性測量技術中，范圍、準確性和線性之間存在一定的關系。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，從而產生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)，而且比所測目標的槽縫隙稍小時，仍可獲得更高的準確度。這兩條規(guī)則結合后可產生高于±0.1% F.S. (如, 4 µin./0.1 微米)的精度。
棒的安裝定位也很重要。當棒與兩個半邊的涂層硬模的平行保持穩(wěn)定時，可獲得最好的測量結果。如果棒在平行位置之外的空間中扭曲或擺動，那么會降低準確度和可重復性。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節(jié)的插入長度和縫隙防護裝置，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，并對應每個傳感器（見圖片2）。
最大系統(tǒng)值
常規(guī)系統(tǒng)中，每一個感應探測器都與兩個專門設置的放大器相匹配。大部分給定的涂層都有一個硬模縫隙尺寸（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放大器，并可同時用于幾個棒中，而不需要額外增加成本。

圖片2. 帶有使用儀器、棒手柄和校準塊的雙通道系統(tǒng)可與膝上電腦中的PC卡(PCMCIA) A/D轉換器直接連接。
在軟件中，這是通過創(chuàng)造來完成的，來自兩個真實放大器的“虛擬”放大器用于系統(tǒng)中多個探測器設置中的一個里。一對虛擬放大器接著與每個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與傳感器通道-放大器校準過程的連接是雙傳感器棒的每個通道（傳感器）作為測量系統(tǒng)操作的一部分所必需的。第一個傳感器探測器的兩個通道的任何一個都經過校準，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。校準過程中的模擬輸出電壓進入BarGrafx程序中，該程序具有實時的校準模塊，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插補運算把它轉化為線性工程單位（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，該放大器采用多項式校準探測器。整個過程不斷重復，為系統(tǒng)中每個額外的探測器提供系列虛擬放大器。每個探測器的校準按照最初的標準進行核實，而這種標準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，可在標準PC機的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的數據采集卡連接。此外，上述所描述的校準模塊、BarGrafx的特征及兩者的功能如下：
· 常用的方程式編輯器運行線性通道進行各類線性化的加、減、乘、除操作。
屏幕1. 一種專門軟件程序BarGrafx產生的校準屏幕提供高達四級的多項適合并進行每個所選探測器厚度的誤差與常量的比較。
· 各通道具有的算術關系包括總量、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方程式分配到八個顯示條上，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、上限報警、下限、下限報警和快速的用戶確認等其它顯示。（見屏幕1）

· 數據輸出可用.txt標準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據采集系統(tǒng)中或控制系統(tǒng)的計算機。
新的測量基準
電容式非接觸薄縫隙感應系統(tǒng)已經滿足了目前用戶基準要求，即在縫隙硬模中控制縫隙一致性達到10 µ英寸（0.254微米）。以Capacitec標準發(fā)展的新用戶基準如下：
· 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。
· 更堅固的傳感器手柄和更為先進的固定方式；
· 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。