[实用新型]双频激励的电容位移精密测量装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种电气方法检测设备，具体是一种双频激励的电容位移精密测量装置。

背景技术

随着现代工业和科学技术的迅猛发展，精密及超精密测量在精密机械技术、微电子技术、超精密加工技术等领域的应用越来越广泛。位移的精密测量是几何测量中的最主要的研究方向之一，随着加工精度的提高促使着更高精度的测量技术和方法的创新，实际应用中已经有利用光栅、磁栅、激光等方法的测量仪器，极大地丰富了测量的手段，同时也推动着位移测量技术往高精度、大量程、多维位移测量的方向发展。目前工业和生活中应用较多的精密位移测量技术手段主要有：差动变压器式位移传感器、双频激光干涉仪、激光位移传感器、光栅尺、显微镜测试技术和电容式位移传感器等。

目前的精密位移测量领域，电容式位移传感器尤其是通过极板间距变化导致静电电容量变化的电容效应位移传感器，因具有结构简单、动态响应好、成本低、稳定性好、测量精度高、能实现非接触式测量等特点而被广泛应用于各个领域。由于电容传感器两极板间的静电电容值较小，随着激励信号频率的不断提高，耦合信号不仅衰减严重、易受干扰，且前端电路的线性度很难保证。采用低频激励时，驱动信号强度虽然较大，但对动态位移，特别是振动信号的响应速度很难满足要求；采用恒定电流驱动方式，可以提高位移响应速度和精度，但输出信号中含有较大直流偏置；采用双电极模型可减小信号偏置和漂移，提高信噪比，但检测电路抗干扰性能较差；采用高频驱动方式虽可提高有效输出信号的灵敏度，但位移测量范围受限。上述因素使得目前的电容位移精密测量装置在总量庞大的一般性生产装备和各种日用装置中应用受限。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种方案灵活、测量精度高，抗干扰能力强，应用简便的双频激励电容位移精密测量装置。

本实用新型的技术方案如下：

一种双频激励的电容位移精密测量装置，其特征在于：在一绝缘基板底面制备发射电极，发射电极为一圆形电极，电极中心通过一过孔至正面与主线相连；在另一绝缘基板上制备接收电极，同时为了减小干扰以及电场边缘效应对测量结果的影响，接收电极被一等位环结构紧密包围，两者之间保持电气绝缘，接收电极与等位环的整体尺寸与发射电极尺寸一致；在绝缘基板发射电极和接收电极的另一表面制备屏蔽层，屏蔽层完整覆盖下表面的全部电极；进行位移精密测量时，将发射电极绝缘基板安装在固定参照物上，将接收电极绝缘基板安装在移动物体上，保持接收电极绝缘基板与发射电极绝缘基板平行、发射电极与接收电极中心对齐，发射电极与接收电极之间有一空气间隙，用幅值相等的高频、低频两种正弦电压源混合叠加后激励发射电极，将接收电极中心通过过孔引出的主线连接至电压信号检测电路，通过DSP计算分析接收电极两路输出位移调制电压信号得出被测量物体相对固定参照物的位移、动态响应以及检测分辨率。

本实用新型的发射电极接入两个幅值一致的高频、低频正弦交流电压源叠加信号；接收电极在正对发射电极上方竖直移动时，接收电极耦合的高频、低频正弦交流电压信号，其幅值随上下移动的距离变化而产生变化，通过相应的C/V转换电路，可得到距离与电压的对应关系。

本实用新型将高频激励信号、低频激励信号叠加后共用一个电极发射信号，通过接收电极端解耦电路将信号还原为与原信号相同频率的高频、低频滤波信号。通过后续放大电路、精密整流电路可得到两路不同的直流信号。高频激励方式能在响应速度上体现优势；低频激励方式在位移分辨率、测量范围、线性度、抗干扰等指标上性能较优。

本实用新型的接收电极尺寸设计适中，保证了输出信号的强度；发射电极与接收电极之间为空气间隙，位移测量过程是非接触工作方式，测量过程不发生机械摩擦和损耗。

本实用新型的接收绝缘基板与发射绝缘基板之间气隙大小、介电常数变化导致的接收电极与发射电极耦合电容发生变化时，接收电极输出的高频、低频电压信号的幅值同步变化，通过判断两组电压信号幅值的相对关系即可精确计算接收电极相对发射电极的位移、运动速度和运动方向。

本实用新型的位移测量过程不依赖接收电极单路输出信号的瞬时幅值；本实用新型方案灵活，测量精度高，传感原件安装精度要求低，易于在低成本自动化装置中推广应用。

附图说明

图1为本实用新型示意图。

图2为发射电极绝缘基板的上表面1示意图。

图3为发射电极绝缘基板的下表面7示意图。

图4为接收电极绝缘基板的上表面9示意图。

图5为接收电极绝缘基板的下表面17示意图。

具体实施方式