專利名稱：新型電平衡式差動電容測微儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及測量技術(shù)，是一種測微儀，具體地說，是一種新型電平衡式差動電容測微儀背景技術(shù)電容測微儀是一種精密度要求很高的測量儀器，現(xiàn)有的電容測微儀的自動化水平較低，也不具有實時化和智能化功能，尤其是系統(tǒng)測試的穩(wěn)定性和可靠性不夠理想，從而使測試系統(tǒng)的精度及靈敏度都受到影響，難以達到更高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種系統(tǒng)測試更具穩(wěn)定性和可靠性，從而使測試系統(tǒng)精度更高、靈敏度亦更高，實現(xiàn)了電容測微儀的自動化、實時化、和智能化的新型電平衡式差動電容測微儀。
本實用新型的技術(shù)解決方案是一種新型電平衡式差動電容測微儀，其特征是有筒狀的電容測量極板，測量極板中插裝有筒狀的電容動極板，電容動極板中插裝有中心極板，中心極板的超出動極板的一端外套裝有基準電容的參考極板，中心極板的該端經(jīng)電荷放大器及測量電路與LabVIEW裝置連接，LabVIEW裝置另與基準電容的參考極板連接，中心極板的另一端處的動極板端連接測桿，測量極板連接激勵電壓，動極板接地。
本實用新型中所述的筒狀的電容測量極板有不相連接的兩段，兩段測量極板分別接正負激勵電壓?；鶞孰娙軨2的參考極板接LabVIEW裝置中的信號調(diào)理電路，并經(jīng)測量電路和電荷放大器接中心極板，動極板接測桿。LabVIEW裝置由信號調(diào)理電路、信號采集電路和PC機的顯示器組成。電荷放大器中有一個反相運算放大器，其反相輸入端接至中心極板。測量電路中采用集成儀器放大器。
本實用新型的有益效果為系統(tǒng)測試更具穩(wěn)定性和可靠性，從而使測試系統(tǒng)精度更高、靈敏度亦更高。實現(xiàn)了電容測微儀的自動化、實時化、和智能化。使電容測微儀的實踐應(yīng)用更臻完美。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明

圖1為本實用新型的一種新型電平衡式差動電容測微儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型的新型電平衡式差動電容測微儀中的電荷放大器的電原理圖；圖3為本實用新型的新型電平衡式差動電容測微儀中的測量電路圖；圖4為本實用新型的新型電平衡式差動電容測微儀的電原理圖；圖5為本實用新型的新型電平衡式差動電容測微儀中的LabVIEW的流程圖。
具體實施方式
圖1、圖2、圖3、圖4、圖5共同描述了本實用新型的一個實施例。
電平衡式差動電容測微儀的硬件結(jié)構(gòu)見圖1?？梢苑指顬闇y微頭和測量電路兩部分。信號調(diào)理8屬于LabVIEW的硬件電路，可以使用SCXI-1200、SCXI-1100、SCXI-1122等模塊。測微頭呈圓筒狀，由基準電容C2和電容CS1、CS2構(gòu)建的差動電容組合而成。差動電容的定極板是測量極板1和中心極板2；C2由參考極板3和中心極板2組成，電容量恒定。差動電容的測量極板1間插入動極板4，動極板4接地，具有靜電屏蔽功能。激勵電壓U1和-U1是互為反相且同頻同幅的方波恒壓源，分別作用于差動電容CS1、CS2的測量極板1上，U2為基準電容C2的激勵電源，亦為方波，頻率與U1相同，但U2的幅值跟隨測桿5的位移而變化。所以U2是變量。
電荷放大器6是測量電路7的前置電路。它將電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號。電路采用反相運算放大器器。
測量電路7為集成儀器放大器，該放大器具有功耗低、精度高、噪聲低等特點。
電平衡式差動電容測微儀的測量原理如圖4所示，從圖中可以看到這是一個閉環(huán)電荷平衡式測量系統(tǒng)，反饋機構(gòu)是基準電容C2。
圖2、圖3中包括反相運算放大器11、集成儀器放大器(AD620)、電阻R、R1、電容C2、CS1、CS2等。
圖4中6為電荷放大器，7為測量電路，8為調(diào)理電路，9為信號采集電路，10為顯示器。中還包括電容C2、CS1、CS2等。
在同一時刻，激勵電壓±U1和U2分別作用于差動電容的測量極板及基準電容C2的參考極板上，設(shè)電容介質(zhì)的介電常數(shù)為ε，如初始零位時，差動電容CS1＝CS1*，CS2＝CS2*，其外筒內(nèi)徑為D，中心極板的外徑為d。當(dāng)測桿位移x時，則差動電容電容量為CS1=CS1*±2πϵxln(D/d)---(1)]]>CS2=CS2*±2πϵxln(D/d)---(2)]]>由式(1)，(2)可知差動電容電容量跟隨測桿的位移作線性變化，是x的函數(shù)。當(dāng)動極板處于差動電容的幾何中心位置時，CS1＝CS2，由于它們的激勵電壓同頻同幅，但互為反相，故在中心極板上感應(yīng)的電荷分別為QS1和-QS2，此時設(shè)由CS1和CS2構(gòu)建的差動電容在中心極板上感應(yīng)的電荷量為Q1，則Q1＝QS1-QS2＝0。由于差動電容空氣等介質(zhì)損耗小，加之測微儀加工精密，因此零點殘余電荷幾乎為零。雖然測量電路進行高倍放大，儀器仍具有很高的靈敏度和精度；結(jié)構(gòu)的對稱性還能有效地補償溫度變化所造成的誤差。如動極板右行，Q1＞0為正則性，左行則為負則性。基準電容C2的容量是定值，其激勵電源U2是測桿位移量的函數(shù)，相位亦是變化的。Q1為正電荷時，由于電荷放大器的反相作用，U2是負值，Q2為負電荷；Q1為負電荷時，Q2為正電荷。設(shè)中心極板上感應(yīng)電荷的總量為Q3，系統(tǒng)平衡時，Q3為零，則有U1(CS1-CS2)＝U2C2(3)此時電荷放大器的輸出U0亦為零。當(dāng)測桿位移，差動電容線性變化，系統(tǒng)的平衡被打破。Q3≠0，經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號U0，輸入至測量電路和信號調(diào)理電路，然后與原來的激勵電壓U2*疊加，此時U2＝U2*+ΔU2，U2的幅值產(chǎn)生變化，最終中心極板上電荷的總量Q3重又歸于零，測量系統(tǒng)即趨新的平衡。由式(1)、(2)、(3)得U1(CS1*-CS2*±4πϵxln(D/d)=(U2*+ΔU2)C2---(4)]]>
系統(tǒng)在新的位置平衡時U1(CS1*-CS2*)=U2*C2,]]>故ΔU2=±4U1πϵ/ln(D/d)C2x---(5)]]>U1、C2、D、d均為常量，所以U2隨測桿的位移x作線性變化。式中“+”號表示動極板初始位置在差動電容的幾何中心位置時，測桿右行時U2的變化量；“-”號表示動極板在上述工況下測桿左行時U2的變化量。測微儀具有識別測桿運動方向的功能。由式(5)得測位儀的靈敏度為S1=|ΔU2χ|=4U1πϵ/ln(D/d)C2---(6)]]>由于測量電容是差動結(jié)構(gòu)，所以輸出中消除了偶次項，保留了奇次項，線性度大大提高。如電容測微儀采用單極方式，則其輸出ΔU2=-2U1πϵ/ln(D/d)C2x---(7)]]>靈敏度為S1=|ΔU2χ|=2U1πϵ/ln(D/d)C2---(8)]]>在輸出的高次項中含有偶次諧波，所以線性度相對差些。從式(5)、(6)、(7)、(8)可以知曉，新型差動電容測微儀較之單極式電容測微儀靈敏度提高了1倍，線性度亦得到了極大的改善。
新型差動電容測微儀的非電量信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出后，通過LabVIEW的軟件平臺來進行檢測。測量電路的輸出信號一路輸入至LabVIEW的信號調(diào)理裝置，進行傳感器信號的隔離、濾波，生成電壓信號U2，另一路反饋至C2構(gòu)建閉環(huán)系統(tǒng)。利用小波包進行濾波是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。小波包算法使LabVIEW處理大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)時既精確又快捷。大大提高了A/D轉(zhuǎn)換的速率和精度，系統(tǒng)測試更具穩(wěn)定性和可靠性，從而使測試系統(tǒng)精度更高、靈敏度亦更高。
數(shù)據(jù)采集卡采用PCI-6024E，它對來自信號調(diào)理器的信號進行A/D轉(zhuǎn)換，采樣保持，爾后通過LabVIEW的程序代碼對數(shù)字信號進行分析、運算、存儲和顯示。位移測量程序是在LabVIEW平臺上開發(fā)的位移測量虛擬儀器軟件。圖5是LabVIEW的程序流程。
本實用新型的新型電平衡式差動電容測微儀的特點是(1)利用反饋控制技術(shù)與差動電容相結(jié)合構(gòu)建閉環(huán)電平衡式傳感器。與開環(huán)傳感器有別的是增加了反饋環(huán)節(jié)，構(gòu)筑了閉環(huán)的反饋—測量系統(tǒng)。
(2)檢測系統(tǒng)運用LabVIEW的硬件和軟件開發(fā)平臺。LabVIEW使用一種圖形化語言替代文本語言，編程工作很便捷，與硬件系統(tǒng)完美結(jié)合，為高精度、高靈敏度測量奠定雄厚基礎(chǔ)。
(3)可以測試雙向位移，在全行程內(nèi)任意位置處置零。
本實用新型的新型差動電容測微儀的傳感器系統(tǒng)是以差動電容為核心器件，而檢測系統(tǒng)把計算機作為LabVIEW的載體，兩者完美結(jié)合，實現(xiàn)了電容測微儀的自動化、實時化、和智能化。LabVIEW具有強大的運算能力以及數(shù)據(jù)、曲線、圖像的顯示功能和打印功能，使電容測微儀的實踐應(yīng)用更臻完美。
權(quán)利要求1.一種新型電平衡式差動電容測微儀，其特征是有筒狀的電容測量極板，測量極板中插裝有筒狀的電容動極板，電容動極板中插裝有中心極板，中心極板的超出動極板的一端外套裝有基準電容的參考極板，中心極板的該端經(jīng)電荷放大器及測量電路與LabVIEW裝置連接，LabVIEW裝置另與基準電容的參考極板連接，中心極板的另一端處的動極板端連接測桿，測量極板連接激勵電壓，動極板接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型電平衡式差動電容測微儀，其特征是筒狀的電容測量極板有不相連接的兩段，兩段測量極板分別接正負激勵電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型電平衡式差動電容測微儀，其特征是基準電容C2的參考極板接LabVIEW裝置中的信號調(diào)理電路，并經(jīng)測量電路和電荷放大器接中心極板，動極板接測桿。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的新型電平衡式差動電容測微儀，其特征是LabVIEW裝置由信號調(diào)理電路、信號采集電路和顯示器組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的新型電平衡式差動電容測微儀，其特征是電荷放大器中有一個反相運算放大器，其反相輸入端接至中心極板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的新型電平衡式差動電容測微儀，其特征是測量電路中采用集成儀器放大器。
專利摘要本實用新型公開了一種新型電平衡式差動電容測微儀，其特征是有筒狀的電容測量極板，測量極板中插裝有筒狀的電容動極板，電容動極板中插裝有中心極板，中心極板的超出動極板的一端外套裝有基準電容的參考極板，中心極板的該端經(jīng)電荷放大器及測量電路與LabVIEW裝置連接，LabVIEW裝置另與基準電容的參考極板連接，中心極板的另一端處的動極板端連接測桿，測量極板連接激勵電壓，動極板接地。其有益效果為系統(tǒng)測試更具穩(wěn)定性和可靠性，從而使測試系統(tǒng)精度更高、靈敏度亦更高。實現(xiàn)了電容測微儀的自動化、實時化、和智能化。使電容測微儀的實踐應(yīng)用更臻完美。
文檔編號G01B7/16GK2854506SQ20052007802
公開日2007年1月3日 申請日期2005年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月24日
發(fā)明者沈申生 申請人:南通大學(xué)