高精度电容位移传感器电路设计研究范文

摘要：

为了能够进一步提高重力仪电容测微系统的测量精度与动态特性，本文对高精度电容测微系统相关电路设计进行了具体研究，而这一研究使得电容测微系统具备了更便利的操作性以及更强的数据处理、分析功能，由此就可以看出本文研究的可行性。

关键词：

高精度电容位移传感器重力仪电容测微系统电路设计在我国当下的许多技术场合中，重力仪电容测微系统都发挥着非常重要的作用，这主要是由于重力仪电容测微系统具备的微小位移测试能力所致，而为了能够进一步提高重力仪电容测微系统的测量精度，对高精度电容测微系统相关电路设计的研究，就有着很强的现实意义。

1重力仪电容测微系统概述

在当下的科学研究中，重力仪电容测微类仪器在资源勘探、军事、大地测量与地球物理等领域都有着极为重要的应用，而其本身测量能力的实现，主要源于高精度电容位移传感器，这一传感器能够对垂直悬挂的零长弹簧秤受重力变化而引起的长度微小位移进行测量，并将测量得到的位移信号转换成电信号，这一电信号会通过一系列的放大、滤波、检波等处理过程，通过外部输出设备实现具体数值的显示，这样就能够很好的支持相关科学研究的较好展开。在传统的重力仪电容测微类仪器的电路设计中，采用运算放大器及二极管构成的模拟电路来产生稳幅振荡激励源是当下较为常见的电路设计模式，但这种电路设计模式存在着幅值稳定性不高，频率稳定性也不够等缺点，这就使得其不能够较好的实现科学研究所需的高精度重力仪电容测微需要，而这种问题的出现则主要是由于稳幅振荡器输出的交流信号用于调幅载波、模拟电路的采用限制等电路设计所致，为了能够较好的解决这一问题，本文选择了直接数字合成(DDS)技术，这种先进的数字处理理论与方法，能够较好的提高重力仪电容测微类仪器的测量精度，对于我国科学发展将起到不俗的辅助作用。

2高精度电容位移传感器

由于科学研究中所使用的重力仪电容测微类仪器往往重力变化所引起的质量位移较小，而其对于精确与稳定性的要求则较高，一般来说其所能够实现的位移分辨率为10-4μm，而为了能够进一步提高重力仪电容测微类仪器的测量精度，就必须为提高这一仪器对垂直悬挂的零长弹簧秤长度的微小变化的分辨率，而本研究所使用的高精度电容位移传感器，就能够很好的实现这一要求。在高精度电容位移传感器的应用中，其本身具备的灵敏度高、精度高、长期稳定性好、性能可靠等优点，能够在对垂直悬挂的零长弹簧秤的测量中，较为精准的捕捉其位移，并通过电路系统将位移信号转换成电信号，最终以模拟或数字的形式显示、记录和处理观测数据。在这一高精度电容位移传感器中，其本身由三块金属板组成，中间为活动板，两边为固定板，所以其也被称为三片式差动位移传感器。

3激励信号源

在传统的重力仪电容测微类仪器中，这类仪器一般会选择文氏桥振荡电路为其核心，这种核心的选择也使得传统的重力仪电容测微类仪器不能够较好的对自身产生的信号频率和相位进行调整，这自然就会对重力仪电容测微类仪器的测量精度造成影响。在本文所进行的研究中，笔者提出了一种交流差分激励源来抑制噪声干扰，提高力仪电容测微系统精度的方式，不过一般差分变压器存在着体积较大的缺点，为此笔者选择了AD4937差分放大器芯片，并在两个差分输出端分别加有一级由OP77构成的放大电路，图1是这一差分激励信号源电路的设计图，由该图我们就能够看出这一设计图所能够实现的较高测量精度。

4数字相敏检波器设计

在本文所研究的重力仪电容测微系统电路的设计中，相敏检波器也是这一系统电路设计的重要组成部分，通过对开关型相敏检波器与数字相敏检波器的对比，笔者最终选择了具备谐波抑制能力强、无直流漂移影响、对数据能进行后期处理等优点的数字相敏检波器。而在数字相敏检波器的设计中，笔者将这一设计重心放在了信号的幅值检测及相位检测方面。在这一数字相敏检波器设计的实际电路中，由于电路传输相移的存在，这就使得电路相移一旦过大就很容易导致相位误判问题的出现，最终影响这一高精度电容测微系统的测量精度，为此笔者采用了C8051F020这一8位及12位A/D转换的单片机，其A/D最高采样速率可达500ksps，这一特性使得其较好的杜绝了相位误判问题发生的可能，并较好的保证了本文所研究的高精度电容测微系统本身的测量精度。

5结论

为了能够实现高精度重力仪电容测微系统的相关电路设计，本文就高精度电容位移传感器、激励信号源与数字相敏检波器的完成了具体的重力仪电容测微系统电路设计。在对这一高精度重力仪电容测微系统的反复测试中，我们得到了高对称差分激励源差分输出对称精度可达10-7这一测量结果，而数字相敏检波器在线仿真结果精度也满足了整个系统的需求，并增加了自动补偿电路相移的功能，整个精度重力仪电容测微系统的检测精度优于20μV，通过这一结果我们就可以看出本文进行的精度重力仪电容测微系统电路设计的可行性，希望这一研究能够对我国高精度重力仪电容测微系统的相关发展带来一定帮助。

参考文献：

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作者:李文萍 单位:湖南工学院数理科学与能源工程学院