DOI: 10.1088/1361-6501/ad9511

Abstract

This study introduces a novel method to increase the stability of the balance point in precision differential eddy current sensor (ECS) displacement sensors, which is crucial for achieving optimal performance and improving the interchangeability of sensor probes. The temperature drift coefficient at the electrical balance point (BTC), a common issue affecting the accuracy and reliability of measurements, is addressed through our approach. The BTC can be accurately adjusted by fine-tuning the length of the aluminum target, which aligns the zero-temperature drift position with the electrical balance position, thereby achieving a perfect balance point. The experimental results demonstrate that the proposed method significantly reduces the temperature drift near the balance point of the differential ECS. The BTC was effectively reduced from -7.21 nm/◦C to 0.22 nm/◦C. This substantial reduction in the BTC enhances the stability of the sensor, facilitating more reliable measurements in high-precision applications.

文章摘要

本研究介绍了一种提高精密差动涡流传感器（ECS）位移传感器电气平衡点稳定性的新方法，这对于实现最佳性能和提高传感器探头的互换性至关重要。我们的方法显著降低了电气平衡点的温度漂移系数（BTC），这是影响测量准确性和可靠性的常见问题。通过微调铝目标板的长度可以精确调整BTC，使零温漂移位置与电气平衡位置对齐，从而实现完美的平衡点。实验结果表明，所提出的方法显着降低了差动ECS平衡点附近的温度漂移。BTC有效地从-7.21 nm / C降低到0.22 nm / C。BTC的大幅降低增强了传感器的稳定性，有助于在高精度应用中实现更可靠的测量。

图片摘要

图一：仿真示意图，(a)缩短悬臂梁下表面铝目标的根部，导致悬臂梁因升温而向下漂移。(b)缩短悬臂梁上表面铝目标的根部，导致悬挂梁因升温而向上漂移。

图二：补偿调整前后的温度漂移系数。

蓝线代表补偿前探头温漂的线性拟合，蓝线截距为-7.21 nm/℃，即为探头的平衡点温漂。根据仿真结果计算出铝片需要缩短2.3 mm。用美工刀从根部切下宽度为2.3 mm的铝目标进行缩短，补偿后的温漂线性拟合结果用绿线表示，补偿后平衡点温漂降低至绿线截距代表的0.22 nm/℃。

亮点

本文提出了一种在精密差分ECS中实现完美平衡点的方法。该方法通过略微缩短铝目标来精确调整BTC。该操作将温度漂移为零的热零点位置与电气平衡点位置对齐，从而实现平衡点温度漂移为零的目的。在实验中，通过缩短悬臂梁上侧的铝目标，传感器探头的BTC成功地降低了一个数量级。从-7.21nm/°C降低到0.22 nm/°c。铝目标缩短的精度为±0.25 mm，因此任何探头的BTC都可以补偿到±0.8nm/°℃。仿真和实验都表明，这种调整方法对探头的位移灵敏度几乎没有影响。平衡点的稳定性对传感器性能至关重要。它不仅可以实现最佳性能，而且实现完美的平衡点还可以提高传感器探针的可互换性。传感器探头的互换性是一个理想的功能，它便于维护、校准和灵活操作。完美的平衡点确保每个探头都能始终保持最佳状态。此外，平衡点上的稳定性对于传感器的可靠性和可重复性至关重要。它最大限度地减少了外部因素(如温度波动)对传感器输出的影响。这种稳健性对于传感器受到不同环境条件或需要连续不间断运行的应用特别重要。对于差动位移传感器，电气平衡点处的温度漂移是个常见的问题。因此，本文提出的调整方法不仅适用于差动ECS，而且有望适用于更广泛的传感器类型。