高精度电容位移测量系统择优推荐

各种物理量（如温度、压力、位移、振动、速度、流量与扭矩）或者是浓度、酸碱度等化学量，一般都需要用适当的传感器将其转换为电学量后才便于检测和控制。常用的电气测量方法有很多种，依据测量误差与测量方法相关联的特点，可以将现有的各种测量方法分为如下三大类：

（1）直接测量法：直接测量未知量的数值；

（2）差值测量法：测量未知量与已知量之差，间接获得被测量的值；

（3）比率测量法：测量未知量与已知量之比值，间接获得被测量的值。

测量的过程就是要在未知量和已知量间建立起一定的关系，***获得被测量的大小。在采用上述不同的测量方法时，测量装置和过程引入的误差是不一样的。如在直接测量法中，因为测量时间与环境的变化会引入一个系统误差；而采用差值测量法时，由于两个被比较的元件的外界条件相同，检测它们的差值可在很大程度上消除上述系统误差，尤其是利用零偏法时，差值测量可以获得相当***的结果，不过所测得的两个量之差值仍随着外部条件的变动而变化。采用比率测量法能够显著减小在一级近似下被测量中依赖于外界条件以乘积因子形式出现的误差项，从而具有优于差值测量法的抗干扰性能。

电容式微小位移测量系统是近年来发展***快的位移测量技术之一。众所周知，用两块平行的金属板就可以构成一个电容位移传感器，其电容量由极板' title='极板'>极板的相对有效面积、极板间距以及填充的介质特性所决定。只要被测物体位置的移动改变了电容器上述任何一个结构参数，传感器的电容量就会发生变化，通过测量电容量的变动即可***地知道物体位移的大小。

现以设计一个测量微小位移的系统为例来说明上述测量方法的应用。首先，用高导磁率环形铁芯绕制出感应耦合比率臂，再设计适当的可变间距三电极差动式电容位移传感器的结构，并采用比率测量线路。对双极板电容传感器，不考虑电场的边缘效率，两个直接电容为:C12=[(εA1)/(3.6πd1)](pF),C’12=[(εA2)/(3.6πd1)](pF)。不失一般性，对两个差动电容器可假定极板相对面积相等，即A1=A2=A（cm2）。极板间介质的介电常数也有ε1=ε2=ε（譬如均为空气）。d1、d2(cm)分别为两传感器的极板间距。N1、N2系感应分压器两部分电压对应的匝数，N1+N2=N0。将两个电容表示式代入（5）式，可得： d1=KN1     (6) d2=K(N0-N1)     (7) 式中，K=(d1+d2)/N1+N2为测量系统的灵敏度系数，表示比率臂单位读数变化所对应的传感器中心电极的位移。现估算一下这个测量系统可能达到的指标。感应耦合比率臂的总的分压比不难做到1/N0=10 -7，两个传感器极板间距之和是个常量，取d1+d2=1mm，则位移灵敏度系数K=10 -8cm，只有0.4纳米。N1为仪器面板上的读数，其变化范围为从0到N0。从***获得的极板位移与比率变压器读数的关系式（6）可知，读数随中心电极的位移呈线性变化。实际完成的系统由于结构的不完善性，在接近量程的两端会出现一定程度的非线性，如果采取等电位屏蔽等措施，可以把输出特性的非线性降低到可以忽略的程度。可见，将差动式电容位移传感器与比率测量方法结合起来，设计的测量系统既有很高的分辨能力及较强的抗干扰能力，也能够获得很好的线性响应。