基于感應(yīng)耦合比率臂的高精度位移測(cè)量系統(tǒng)

摘要：討論了比率測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)，介紹了運(yùn)用感應(yīng)耦合比率臂和差動(dòng)式電容位移傳感器設(shè)計(jì)的高精度微小位移測(cè)量系統(tǒng)。給出了一種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)例子和主要的測(cè)試結(jié)果，說明了該設(shè)計(jì)在小位移測(cè)量中的有效性。    關(guān)鍵詞：位移測(cè)量 感應(yīng)耦合比率臂 電容傳感器 納米測(cè)量各種物理量（如溫度、壓力、位移、振動(dòng)、速度、流量與扭矩）或者是濃度、酸堿度等化學(xué)量，一般都需要用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鲗⑵滢D(zhuǎn)換為電學(xué)量后才便于檢測(cè)和控制。常用的電氣測(cè)量方法有很多種，依據(jù)測(cè)量誤差與測(cè)量方法相關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，可以將現(xiàn)有的各種測(cè)量方法分為如下三大類：（1）直接測(cè)量法：直接測(cè)量未知量的數(shù)據(jù)；（2）差值測(cè)量法：測(cè)量未知量與已知量之差，間接獲得被測(cè)量的值；（3）比率測(cè)量法：測(cè)量未知量與已知量之比值，間接獲得被測(cè)量的值。測(cè)量的過程就是要在未知量和已知量間建立起一定的關(guān)系，最后獲得被測(cè)量的大小。在采用上述不同的測(cè)量方法的，測(cè)量裝置和過程引入的誤差是不一樣的。如在直接測(cè)量法中，因?yàn)闇y(cè)量時(shí)間與環(huán)境的變化會(huì)引入一個(gè)系統(tǒng)誤差；而采用差值測(cè)量法時(shí)，由于兩個(gè)被比較的元件的外界條件相同，檢測(cè)它們的差值可在很大程度上消除上述系統(tǒng)誤差，尤其是利用零偏法時(shí)，差值測(cè)量可以獲得相當(dāng)精確的結(jié)果，不過所測(cè)得的兩個(gè)量之差值仍隨著外部條件的變動(dòng)而變化。采用比率測(cè)量法能夠顯著減小在一級(jí)近似下被測(cè)量中依賴于外界條件以乘積因子形式出現(xiàn)的誤差項(xiàng)，從而具有優(yōu)于差值測(cè)量法的抗干擾性能。

1 比率測(cè)量法一個(gè)物理量f，其值取決于外界因素如t(溫度)、u(電壓)……等，其一階展開式為：f=f0+(аf/аt)0Δt+(аf/аu)0Δu+A    （1）為簡化數(shù)字運(yùn)算，只考慮存在一個(gè)干擾因素的情況，參考量f1與被測(cè)量f2可以分別寫作:f1=f01(1+β1Δt)和f2=f02(1+β2Δt)，此處β1=1/(f01)(аf1)/(аt)0, β2=1/(f02)[(аf2)/(аt)]0，且有β1Δt<<1,β2Δt<<1。容易求出上述三種方法中的相對(duì)測(cè)量誤差各為：а絕對(duì)=β2Δt=Lβ1ΔT     (2)а差值=[(f02β2-f01β1)Δt/(f02-f01)]=[(LK-1)/(K-1)]β1ΔT     (3)а比率=(β2-β1) Δt=(L-1)β1Δt     (4)

    其中L=(β2)/(β1),K=(f02)/(f01)。圖1表示取L=1.5時(shí)相對(duì)誤差隨元件值的分布情況�？梢钥闯�，比率測(cè)量法在很寬的測(cè)量范圍內(nèi)均具有良好的抗干擾能力。當(dāng)存在多個(gè)影響因素或者在分析由上述方法組合成的測(cè)量裝置時(shí)，可根據(jù)疊加原理按系統(tǒng)誤差的理論綜合評(píng)定其精度。2 電容位移傳感器與比率測(cè)量電容式微小位測(cè)量系統(tǒng)是近年來發(fā)展最快的位移測(cè)量技術(shù)之一。眾所周知，用兩塊平行的金屬板就可以構(gòu)成一個(gè)電容位移傳感器，其電容量由極板的相對(duì)有效面積、極板間距以及填充的介質(zhì)特性所決定。只要被測(cè)特體位置的移動(dòng)改變了電容器上述任何一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，傳感器的電容量就會(huì)發(fā)生變化，通過測(cè)量電容量的變動(dòng)即可精確地知道特體位移的大小。

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