基于感应耦合比率臂的高精度位移测量系统
点击数：7772 次 录入时间：03-04 11:36:41 整理：http://www.55dianzi.com 电工基础
可见，只要知道了两个电压之比也就知道了两个三端电容的直接电容之比，于是就可以准确测量传感器相应的位移。两个电压源如果用感应耦合比率臂来实现，端钮对屏蔽的导纳对测量结果将没有明显的影响，因为Y23、Y′23在电路不平衡时只影响灵敏度，而当线路达到平衡状态时就没有影响了。至于Y13、Y′13引起的分压误差，则可以得到极大的降低，只要信号源的内阻足够小即可。如前所述，感应耦合比率臂正好具有这一优良特性。 现以设计一个测量微小位移的系统为例来说明上述测量方法的应用。首先，用高导磁率环形铁芯绕制出感应耦合比率臂，再设计适当的可变间距三电极差动式电容位移传感器的结构，并采用比率测量线路，就有如图5所示的微位移测量系统原理框图。对双极板电容传感器，不考虑电场的边缘效应，两个直接电容为：C12= 不失一般性，对两个差动电容器可假定极板相对面积相等，即A1=A2=A（cm2）。极板间介质的介电常数也有ε1=ε2=ε（譬如均为空气）。d1、d2(cm)分别为两传感器的极板间距。N1、N2系感应分压器两部分电压对应的匝数，N1+N2=N0。将两个电容表示式代入（5）式，可得： d1=KN1 （6） d2=K(N0-N1) （7） 式中，K=（d1+d2）/N1+N2为测量系统的灵敏度系数，表示比率臂单位读数变化所对应的传感器中心电极的位移。现估算一下这个测量系统可能达到的指标。感应耦合比率臂的总的分压比不难做到1/N0=10-7，两个传感器极板间距之和是个常量，取d1+d2=1mm，则位移灵敏度系数K=10-8cm，只有0.1纳米。N1为仪器面板上的读数，其变化范围为从0到N0。 从最后获得的极板位移与比率变压器读数的关系式（6）可知，读数随中心电极的位移呈线性变化。实际完成的系统由于结构的不完善性，在接近量程的两端会出现一定程度的非线性，如果采取等电位屏蔽等措施，可以把输出特性的非线性降低到可以忽略的程度。可见，将差动式电容位移传感器与比率测量方法结合起来，设计的测量系统既有很高的分辨能力及较强的抗干扰能力，也能够获得很好的线性响应。 实验验证 在设计之初，一般要考虑下述几个方面的问题：量程、灵敏度、精度与校准、线性、长期稳定性、频率响应与环境变化的影响系数等。结合地球科学观测的需要，按照第三节中提出的设计方案研制了不同用途的多种测量系统。譬如研制了一个位移测量系统，量程为±0.3毫米，分辨力可达0.02纳米，输出线性度优于0.5%，系统稳定度好于0.1纳米/日。下面简要介绍传感器与测量仪器的设计和构成以及主要的测试结果。 首先选择合适的材料。除弹簧片与绝缘材料外，电容位移传感器的所有部件均是用国产低膨胀合金4J32或4J36加工制作的，材料的线膨胀系数分别为α≤1.2～1.5×10-6/℃或1.8×10-6/℃。各部件加工后进行了热处理以消除残余应力，传感器组装完成后还要作时效老化处理。陶瓷绝缘材料在使用前应仔细烘干，以提高极板间的绝缘强度，降低损耗。在设计精密小位移测量传感器时要尽量采用整体结构。涉及零件装配问题时，注意设计合适的紧固螺钉位置，以期将传感器结构的蠕变减至最小。需要组合的部件，其接触面应进行研磨，从而达到稳定可靠的接触状态。 基于感应耦合比率臂的测量仪器原理框图如图5所示。为降低系统的电气噪声，一千赫兹点频信号源具有稳频、稳幅的特性。检测单元中前置放大器应尽量靠近传感器，这可以有效地提高电桥线路的输出信号电平与信噪比。一般情况下，噪声与放大器带宽成正比，故放大电路的通频带应限制到尽可能窄的程度，相敏检波技术能够跟踪信号源激励频率，并且保持极低的通频带。关于这方面的问题，在此不再讨论。 所设计的测量系统有一个五级的感应耦合比率部件，通过调节感应耦合比率臂各档的开关位置，能够使变压器电桥系统达到或者接近平衡状态，这样可以获得较高的测量精度。但是在科学测量及生产过程中，有时需要监测位移在某个量值附近的连续变化，或者需要监测某种低频微幅振动，如若采用手动调节、平衡读数的方法，就不能满足要求了。将相敏检波器的输出经放大后接到数据采集器输入端，记录测量系统偏离平衡点的电压大小能够达到此目的。使用微动测量台架标定传感器，测值稳定，重复性好，所获得的10号传感器位移标定曲线示如图6。图中的直线是线性拟合的结果。 拟合方程显示在图中上部的方框里。从实验结果可看出，一微米位移可获得变压器电桥读数，变化为127.02，输出特性的非线性误差小于0.15%F.S.。比率臂第五档变化一个数对应的位移量根据传感器结构的不同，一般在5～8纳米之间，末级的数据采集器可获得300多毫伏的输出，从数据采集器便能够分辨出0.02纳米的变化。在实验室环境下，传感器测值随着温度的变化会产生极大的漂移，用标准元件来检查变压器电桥测量系统的温度系数与稳定性，所得结果见图7。在28小时的实验期间测值等效变化仅为0.1纳米，环境温度变化为3～4℃。作者还曾将差动电容式位移传感器放到100米深的钻井底部，那里温度的年变化不到0.03℃，整个位移测量系统月漂 移率仅为0.1纳米[3]。 本文讨论的设计方案多年以来一直被应用于研制各种地球科学观测仪器中，有的测量系统已经在观测台站工作近二十年，获得了非常有价值的资料。该设计方案在诸如微机械加工、次声监测和精密仪器系统的设计等领域有广泛的应用前景。上一页 [1] [2]
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