CN2854506Y - 新型电平衡式差动电容测微仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型电平衡式差动电容测微仪，其特征是：有筒状的电容测量极板，测量极板中插装有筒状的电容动极板，电容动极板中插装有中心极板，中心极板的超出动极板的一端外套装有基准电容的参考极板，中心极板的该端经电荷放大器及测量电路与LabVIEW装置连接，LabVIEW装置另与基准电容的参考极板连接，中心极板的另一端处的动极板端连接测杆，测量极板连接激励电压，动极板接地。其有益效果为：***测试更具稳定性和可靠性，从而使测试***精度更高、灵敏度亦更高。实现了电容测微仪的自动化、实时化、和智能化。使电容测微仪的实践应用更臻完美。

Description

新型电平衡式差动电容测微仪

技术领域：

本实用新型涉及测量技术，是一种测微仪，具体地说，是一种新型电平衡式差动电容测微仪

背景技术：

电容测微仪是一种精密度要求很高的测量仪器，现有的电容测微仪的自动化水平较低，也不具有实时化和智能化功能，尤其是***测试的稳定性和可靠性不够理想，从而使测试***的精度及灵敏度都受到影响，难以达到更高的要求。

发明内容：

本实用新型的目的是提供一种***测试更具稳定性和可靠性，从而使测试***精度更高、灵敏度亦更高，实现了电容测微仪的自动化、实时化、和智能化的新型电平衡式差动电容测微仪。

本实用新型的技术解决方案是：一种新型电平衡式差动电容测微仪，其特征是：有筒状的电容测量极板，测量极板中插装有筒状的电容动极板，电容动极板中插装有中心极板，中心极板的超出动极板的一端外套装有基准电容的参考极板，中心极板的该端经电荷放大器及测量电路与LabVIEW装置连接，LabVIEW装置另与基准电容的参考极板连接，中心极板的另一端处的动极板端连接测杆，测量极板连接激励电压，动极板接地。

本实用新型中所述的筒状的电容测量极板有不相连接的两段，两段测量极板分别接正负激励电压。基准电容C₂的参考极板接LabVIEW装置中的信号调理电路，并经测量电路和电荷放大器接中心极板，动极板接测杆。LabVIEW装置由信号调理电路、信号采集电路和PC机的显示器组成。电荷放大器中有一个反相运算放大器，其反相输入端接至中心极板。测量电路中采用集成仪器放大器。

本实用新型的有益效果为：***测试更具稳定性和可靠性，从而使测试***精度更高、灵敏度亦更高。实现了电容测微仪的自动化、实时化、和智能化。使电容测微仪的实践应用更臻完美。

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明：

附图说明：

图1为本实用新型的一种新型电平衡式差动电容测微仪的结构示意图；

图2为本实用新型的新型电平衡式差动电容测微仪中的电荷放大器的电原理图；

图3为本实用新型的新型电平衡式差动电容测微仪中的测量电路图；

图4为本实用新型的新型电平衡式差动电容测微仪的电原理图；

图5为本实用新型的新型电平衡式差动电容测微仪中的LabVIEW的流程图。

具体实施方式：

图1、图2、图3、图4、图5共同描述了本实用新型的一个实施例。

电平衡式差动电容测微仪的硬件结构见图1。可以分割为测微头和测量电路两部分。信号调理8属于LabVIEW的硬件电路，可以使用SCXI-1200、SCXI-1100、SCXI-1122等模块。测微头呈圆筒状，由基准电容C₂和电容C_S1、C_S2构建的差动电容组合而成。差动电容的定极板是测量极板1和中心极板2；C₂由参考极板3和中心极板2组成，电容量恒定。差动电容的测量极板1间***动极板4，动极板4接地，具有静电屏蔽功能。激励电压U₁和-U₁是互为反相且同频同幅的方波恒压源，分别作用于差动电容C_S1、C_S2的测量极板1上，U₂为基准电容C₂的激励电源，亦为方波，频率与U₁相同，但U₂的幅值跟随测杆5的位移而变化。所以U₂是变量。

电荷放大器6是测量电路7的前置电路。它将电荷转换成电压信号。电路采用反相运算放大器器。

测量电路7为集成仪器放大器，该放大器具有功耗低、精度高、噪声低等特点。

电平衡式差动电容测微仪的测量原理如图4所示，从图中可以看到这是一个闭环电荷平衡式测量***，反馈机构是基准电容C₂。

图2、图3中包括反相运算放大器11、集成仪器放大器(AD620)、电阻R、R1、电容C₂、C_S1、C_S2等。

图4中6为电荷放大器，7为测量电路，8为调理电路，9为信号采集电路，10为显示器。中还包括电容C₂、C_S1、C_S2等。

在同一时刻，激励电压±U₁和U₂分别作用于差动电容的测量极板及基准电容C₂的参考极板上，设电容介质的介电常数为ε，如初始零位时，差动电容C_S1＝C_S1 ^*，C_S2＝C_S2 ^*，其外筒内径为D，中心极板的外径为d。当测杆位移x时，则差动电容电容量为

$C_{S1}=C_{S1}^{*}\±\frac{2\mathrm{\π\ϵx}}{\ln (D/d)}---\left(1\right)$

$C_{S2}=C_{S2}^{*}\±\frac{2\mathrm{\π\ϵx}}{\ln (D/d)}---\left(2\right)$

由式(1)，(2)可知差动电容电容量跟随测杆的位移作线性变化，是x的函数。当动极板处于差动电容的几何中心位置时，C_S1＝C_S2，由于它们的激励电压同频同幅，但互为反相，故在中心极板上感应的电荷分别为Q_S1和-Q_S2，此时设由C_S1和C_S2构建的差动电容在中心极板上感应的电荷量为Q₁，则Q₁＝Q_S1-Q_S2＝0。由于差动电容空气等介质损耗小，加之测微仪加工精密，因此零点残余电荷几乎为零。虽然测量电路进行高倍放大，仪器仍具有很高的灵敏度和精度；结构的对称性还能有效地补偿温度变化所造成的误差。如动极板右行，Q₁＞0为正则性，左行则为负则性。基准电容C₂的容量是定值，其激励电源U₂是测杆位移量的函数，相位亦是变化的。Q₁为正电荷时，由于电荷放大器的反相作用，U₂是负值，Q₂为负电荷；Q₁为负电荷时，Q₂为正电荷。设中心极板上感应电荷的总量为Q₃，***平衡时，Q₃为零，则有

U₁(C_S1-C_S2)＝U₂C₂      (3)

此时电荷放大器的输出U₀亦为零。当测杆位移，差动电容线性变化，***的平衡被打破。Q₃≠0，经电荷放大器转换成电压信号U₀，输入至测量电路和信号调理电路，然后与原来的激励电压U₂ ^*叠加，此时U₂＝U₂ ^*+ΔU₂，U₂的幅值产生变化，最终中心极板上电荷的总量Q₃重又归于零，测量***即趋新的平衡。由式(1)、(2)、(3)得

$U_1(C_{S1}^{*}-C_{S2}^{*}\±\frac{4\mathrm{\π\ϵx}}{\ln (D/d})=(U_2^{*}+\mathrm{\Δ}{U}_2)C_2---\left(4\right)$

***在新的位置平衡时

$U_1(C_{S1}^{*}-C_{S2}^{*})=U_2^{*}{C}_2,$ 故

$\mathrm{\Δ}{U}_2=\±\frac{4U_1\mathrm{\π\ϵ}/\ln (D/d)}{C_2}x---\left(5\right)$

U₁、C₂、D、d均为常量，所以U₂随测杆的位移x作线性变化。式中“+”号表示动极板初始位置在差动电容的几何中心位置时，测杆右行时U₂的变化量；“-”号表示动极板在上述工况下测杆左行时U₂的变化量。测微仪具有识别测杆运动方向的功能。由式(5)得测位仪的灵敏度为

$S_1=\left|\frac{\mathrm{\Δ}{U}_2}{\mathrm{\χ}}\right|=\frac{4U_1\mathrm{\π\ϵ}/\ln (D/d)}{C_2}---\left(6\right)$

由于测量电容是差动结构，所以输出中消除了偶次项，保留了奇次项，线性度大大提高。如电容测微仪采用单极方式，则其输出

$\mathrm{\Δ}{U}_2=\frac{-2U_1\mathrm{\π\ϵ}/\ln (D/d)}{C_2}x---\left(7\right)$

灵敏度为

$S_1=\left|\frac{\mathrm{\Δ}{U}_2}{\mathrm{\χ}}\right|=\frac{2U_1\mathrm{\π\ϵ}/\ln (D/d)}{C_2}---\left(8\right)$

在输出的高次项中含有偶次谐波，所以线性度相对差些。从式(5)、(6)、(7)、(8)可以知晓，新型差动电容测微仪较之单极式电容测微仪灵敏度提高了1倍，线性度亦得到了极大的改善。

新型差动电容测微仪的非电量信号转换成电信号输出后，通过LabVIEW的软件平台来进行检测。测量电路的输出信号一路输入至LabVIEW的信号调理装置，进行传感器信号的隔离、滤波，生成电压信号U₂，另一路反馈至C₂构建闭环***。利用小波包进行滤波是至关重要的一个环节。小波包算法使LabVIEW处理大量复杂的数据时既精确又快捷。大大提高了A/D转换的速率和精度，***测试更具稳定性和可靠性，从而使测试***精度更高、灵敏度亦更高。

数据采集卡采用PCI-6024E，它对来自信号调理器的信号进行A/D转换，采样保持，尔后通过LabVIEW的程序代码对数字信号进行分析、运算、存储和显示。位移测量程序是在LabVIEW平台上开发的位移测量虚拟仪器软件。图5是LabVIEW的程序流程。

本实用新型的新型电平衡式差动电容测微仪的特点是：

(1)利用反馈控制技术与差动电容相结合构建闭环电平衡式传感器。与开环传感器有别的是增加了反馈环节，构筑了闭环的反馈—测量***。

(2)检测***运用LabVIEW的硬件和软件开发平台。LabVIEW使用一种图形化语言替代文本语言，编程工作很便捷，与硬件***完美结合，为高精度、高灵敏度测量奠定雄厚基础。

(3)可以测试双向位移，在全行程内任意位置处置零。

本实用新型的新型差动电容测微仪的传感器***是以差动电容为核心器件，而检测***把计算机作为LabVIEW的载体，两者完美结合，实现了电容测微仪的自动化、实时化、和智能化。LabVIEW具有强大的运算能力以及数据、曲线、图像的显示功能和打印功能，使电容测微仪的实践应用更臻完美。

Claims (6)

1、一种新型电平衡式差动电容测微仪，其特征是：有筒状的电容测量极板，测量极板中插装有筒状的电容动极板，电容动极板中插装有中心极板，中心极板的超出动极板的一端外套装有基准电容的参考极板，中心极板的该端经电荷放大器及测量电路与LabVIEW装置连接，LabVIEW装置另与基准电容的参考极板连接，中心极板的另一端处的动极板端连接测杆，测量极板连接激励电压，动极板接地。

2、根据权利要求1所述的新型电平衡式差动电容测微仪，其特征是：筒状的电容测量极板有不相连接的两段，两段测量极板分别接正负激励电压。

3、根据权利要求2所述的新型电平衡式差动电容测微仪，其特征是：基准电容C₂的参考极板接LabVIEW装置中的信号调理电路，并经测量电路和电荷放大器接中心极板，动极板接测杆。

4、根据权利要求1、2或3所述的新型电平衡式差动电容测微仪，其特征是：LabVIEW装置由信号调理电路、信号采集电路和显示器组成。

5、根据权利要求1、2或3所述的新型电平衡式差动电容测微仪，其特征是：电荷放大器中有一个反相运算放大器，其反相输入端接至中心极板。

6、根据权利要求1、2或3所述的新型电平衡式差动电容测微仪，其特征是：测量电路中采用集成仪器放大器。

Images