高精度電容位移傳感器電路設(shè)計(jì)研究范文
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摘要：
為了能夠進(jìn)一步提高重力儀電容測(cè)微系統(tǒng)的測(cè)量精度與動(dòng)態(tài)特性，本文對(duì)高精度電容測(cè)微系統(tǒng)相關(guān)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體研究，而這一研究使得電容測(cè)微系統(tǒng)具備了更便利的操作性以及更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、分析功能，由此就可以看出本文研究的可行性。
關(guān)鍵詞：
高精度電容位移傳感器重力儀電容測(cè)微系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)在我國(guó)當(dāng)下的許多技術(shù)場(chǎng)合中，重力儀電容測(cè)微系統(tǒng)都發(fā)揮著非常重要的作用，這主要是由于重力儀電容測(cè)微系統(tǒng)具備的微小位移測(cè)試能力所致，而為了能夠進(jìn)一步提高重力儀電容測(cè)微系統(tǒng)的測(cè)量精度，對(duì)高精度電容測(cè)微系統(tǒng)相關(guān)電路設(shè)計(jì)的研究，就有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
1重力儀電容測(cè)微系統(tǒng)概述
在當(dāng)下的科學(xué)研究中，重力儀電容測(cè)微類儀器在資源勘探、軍事、大地測(cè)量與地球物理等領(lǐng)域都有著極為重要的應(yīng)用，而其本身測(cè)量能力的實(shí)現(xiàn)，主要源于高精度電容位移傳感器，這一傳感器能夠?qū)Υ怪睉覓斓牧汩L(zhǎng)彈簧秤受重力變化而引起的長(zhǎng)度微小位移進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量得到的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這一電信號(hào)會(huì)通過一系列的放大、濾波、檢波等處理過程，通過外部輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)具體數(shù)值的顯示，這樣就能夠很好的支持相關(guān)科學(xué)研究的較好展開。在傳統(tǒng)的重力儀電容測(cè)微類儀器的電路設(shè)計(jì)中，采用運(yùn)算放大器及二極管構(gòu)成的模擬電路來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)幅振蕩激勵(lì)源是當(dāng)下較為常見的電路設(shè)計(jì)模式，但這種電路設(shè)計(jì)模式存在著幅值穩(wěn)定性不高，頻率穩(wěn)定性也不夠等缺點(diǎn)，這就使得其不能夠較好的實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究所需的高精度重力儀電容測(cè)微需要，而這種問題的出現(xiàn)則主要是由于穩(wěn)幅振蕩器輸出的交流信號(hào)用于調(diào)幅載波、模擬電路的采用限制等電路設(shè)計(jì)所致，為了能夠較好的解決這一問題，本文選擇了直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)，這種先進(jìn)的數(shù)字處理理論與方法，能夠較好的提高重力儀電容測(cè)微類儀器的測(cè)量精度，對(duì)于我國(guó)科學(xué)發(fā)展將起到不俗的輔助作用。
2高精度電容位移傳感器
由于科學(xué)研究中所使用的重力儀電容測(cè)微類儀器往往重力變化所引起的質(zhì)量位移較小，而其對(duì)于精確與穩(wěn)定性的要求則較高，一般來(lái)說(shuō)其所能夠?qū)崿F(xiàn)的位移分辨率為10-4μm，而為了能夠進(jìn)一步提高重力儀電容測(cè)微類儀器的測(cè)量精度，就必須為提高這一儀器對(duì)垂直懸掛的零長(zhǎng)彈簧秤長(zhǎng)度的微小變化的分辨率，而本研究所使用的高精度電容位移傳感器，就能夠很好的實(shí)現(xiàn)這一要求。在高精度電容位移傳感器的應(yīng)用中，其本身具備的靈敏度高、精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠在對(duì)垂直懸掛的零長(zhǎng)彈簧秤的測(cè)量中，較為精準(zhǔn)的捕捉其位移，并通過電路系統(tǒng)將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最終以模擬或數(shù)字的形式顯示、記錄和處理觀測(cè)數(shù)據(jù)。在這一高精度電容位移傳感器中，其本身由三塊金屬板組成，中間為活動(dòng)板，兩邊為固定板，所以其也被稱為三片式差動(dòng)位移傳感器。
3激勵(lì)信號(hào)源
在傳統(tǒng)的重力儀電容測(cè)微類儀器中，這類儀器一般會(huì)選擇文氏橋振蕩電路為其核心，這種核心的選擇也使得傳統(tǒng)的重力儀電容測(cè)微類儀器不能夠較好的對(duì)自身產(chǎn)生的信號(hào)頻率和相位進(jìn)行調(diào)整，這自然就會(huì)對(duì)重力儀電容測(cè)微類儀器的測(cè)量精度造成影響。在本文所進(jìn)行的研究中，筆者提出了一種交流差分激勵(lì)源來(lái)抑制噪聲干擾，提高力儀電容測(cè)微系統(tǒng)精度的方式，不過一般差分變壓器存在著體積較大的缺點(diǎn)，為此筆者選擇了AD4937差分放大器芯片，并在兩個(gè)差分輸出端分別加有一級(jí)由OP77構(gòu)成的放大電路，圖1是這一差分激勵(lì)信號(hào)源電路的設(shè)計(jì)圖，由該圖我們就能夠看出這一設(shè)計(jì)圖所能夠?qū)崿F(xiàn)的較高測(cè)量精度。
4數(shù)字相敏檢波器設(shè)計(jì)
在本文所研究的重力儀電容測(cè)微系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)中，相敏檢波器也是這一系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的重要組成部分，通過對(duì)開關(guān)型相敏檢波器與數(shù)字相敏檢波器的對(duì)比，筆者最終選擇了具備諧波抑制能力強(qiáng)、無(wú)直流漂移影響、對(duì)數(shù)據(jù)能進(jìn)行后期處理等優(yōu)點(diǎn)的數(shù)字相敏檢波器。而在數(shù)字相敏檢波器的設(shè)計(jì)中，筆者將這一設(shè)計(jì)重心放在了信號(hào)的幅值檢測(cè)及相位檢測(cè)方面。在這一數(shù)字相敏檢波器設(shè)計(jì)的實(shí)際電路中，由于電路傳輸相移的存在，這就使得電路相移一旦過大就很容易導(dǎo)致相位誤判問題的出現(xiàn)，最終影響這一高精度電容測(cè)微系統(tǒng)的測(cè)量精度，為此筆者采用了C8051F020這一8位及12位A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)，其A/D最高采樣速率可達(dá)500ksps，這一特性使得其較好的杜絕了相位誤判問題發(fā)生的可能，并較好的保證了本文所研究的高精度電容測(cè)微系統(tǒng)本身的測(cè)量精度。
5結(jié)論
為了能夠?qū)崿F(xiàn)高精度重力儀電容測(cè)微系統(tǒng)的相關(guān)電路設(shè)計(jì)，本文就高精度電容位移傳感器、激勵(lì)信號(hào)源與數(shù)字相敏檢波器的完成了具體的重力儀電容測(cè)微系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。在對(duì)這一高精度重力儀電容測(cè)微系統(tǒng)的反復(fù)測(cè)試中，我們得到了高對(duì)稱差分激勵(lì)源差分輸出對(duì)稱精度可達(dá)10-7這一測(cè)量結(jié)果，而數(shù)字相敏檢波器在線仿真結(jié)果精度也滿足了整個(gè)系統(tǒng)的需求，并增加了自動(dòng)補(bǔ)償電路相移的功能，整個(gè)精度重力儀電容測(cè)微系統(tǒng)的檢測(cè)精度優(yōu)于20μV，通過這一結(jié)果我們就可以看出本文進(jìn)行的精度重力儀電容測(cè)微系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的可行性，希望這一研究能夠?qū)ξ覈?guó)高精度重力儀電容測(cè)微系統(tǒng)的相關(guān)發(fā)展帶來(lái)一定幫助。
參考文獻(xiàn)：
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作者:李文萍 單位:湖南工學(xué)院數(shù)理科學(xué)與能源工程學(xué)院