一種多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于高精度電容位移傳感標(biāo)定領(lǐng)域，更具體設(shè)及一種多自由度差分電 容位移傳感器標(biāo)定裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 電容位移傳感器作為一種傳統(tǒng)非接觸式傳感器，主要應(yīng)用于位移、角度、振動(dòng)、加 速度、壓力等方面測(cè)量。采用差分電容結(jié)構(gòu)能大大提高傳感器的分辨率水平，減小寄生電容 的影響，但是它作為一種相對(duì)測(cè)量傳感器需要準(zhǔn)確標(biāo)定其格值系數(shù)后才能用于測(cè)量位移信 號(hào)，而傳統(tǒng)機(jī)械標(biāo)定方法與標(biāo)定裝置無(wú)法滿足該種高分辨率和小量程的差分電容位移傳感 模塊的需求指標(biāo)。
[0003] 差分電容位移傳感器是一種典型的高精度位移傳感器，其基本原理是利用良好導(dǎo) 電體為動(dòng)極板注入頻率為10曲Z-100曲Z、幅值為0. 1V-100V的交流調(diào)制信號(hào)。動(dòng)極板與定 極板形成多對(duì)差分電容，對(duì)與差分電容對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行共模得到與平動(dòng)位移相關(guān) 的傳感電壓Vtt。。，差模得到與扭轉(zhuǎn)位移相關(guān)的傳感電壓V"t(胡明，etal.基于八對(duì)差分電 容極板的靜電懸浮加速度計(jì)的設(shè)計(jì)；大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2012, 32巧）：154-159)。另有 美國(guó)專利詳細(xì)討論如何將該種類型的差分電容位移傳感器應(yīng)用于高精度靜電懸浮加速度 計(jì)（AMBernardetal.Electrostaticaccelerometer,US4583404,1986)。
[0004] 差分電容位移傳感器的精度能直接影響高精度靜電懸浮加速度計(jì)等精密儀器的 分辨率水平，該些精密儀器要求位移傳感器的精度達(dá)到或者優(yōu)于皮米量級(jí)，而此時(shí)位移傳 感器量程將減小至微米量級(jí)甚至更低（V.J〇sselin，etal.Capacitivedetectionscheme forspaceaccelerometersapplication.SensorsandActuators，1999, 78:92-98)。利用 傳統(tǒng)標(biāo)定方法與標(biāo)定裝置將很難抑制寄生電容影響，準(zhǔn)確標(biāo)定該種類型高精度差分電容傳 感器的格值系數(shù)。近些年來(lái)激光技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，使用激光干設(shè)儀等方法 對(duì)包括探頭在內(nèi)的差分電容位移傳感電路進(jìn)行標(biāo)定與校準(zhǔn)，差分電容傳感器格值系數(shù)準(zhǔn)確 測(cè)量（段小艷etal.激光干設(shè)法微位移測(cè)量技術(shù)綜述.計(jì)測(cè)技術(shù)，2012, 32化）：1-5)。激 光干設(shè)儀采用零差或者外差等原理實(shí)現(xiàn)微位移的測(cè)量心= /?!，其中A為激光波長(zhǎng)，n為 干設(shè)條紋數(shù)。若使用633nm艦穩(wěn)頻激光器，其穩(wěn)定性可達(dá)10^11。數(shù)據(jù)采集單元記錄高精度 差分電容位移傳感模塊平動(dòng)輸出電壓Vt"n，對(duì)數(shù)據(jù)組（Ax，VtfJ進(jìn)行最小二乘擬合求取靈 敏度系數(shù)K。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置，旨在解 決測(cè)量精度為皮米量級(jí)，量程為微米量級(jí)的高精度差分電容位移傳感模塊標(biāo)定的技術(shù)問 題。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝 置，包括差分電容位移傳感模塊、激光干設(shè)測(cè)距模塊、溫度控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；所述 差分電容位移傳感模塊包括機(jī)械敏感探頭和差分電容傳感電路；所述機(jī)械敏感探頭包括動(dòng) 極板、多自由度微位移臺(tái)、定極板和絕緣基座；所述動(dòng)極板通過(guò)所述絕緣基座固定在所述多 自由度微位移臺(tái)上，所述動(dòng)極板跟隨所述微位移平臺(tái)進(jìn)行多自由度的平動(dòng)；所述動(dòng)極板與 所述定極板相互配合并構(gòu)成多對(duì)差分電容；所述差分電容傳感電路與所述動(dòng)極板和所述定 極板連接，用于將動(dòng)極板與定極板形成的差分電容轉(zhuǎn)換為第一電壓信號(hào)；所述激光干設(shè)測(cè) 距模塊包括；激光器、屏蔽框架和N個(gè)分布在平動(dòng)自由度方向的干設(shè)條紋單元；N為自由度 的個(gè)數(shù)，N為大于等于1且小于等于3 ;每一個(gè)干設(shè)條紋單元包括隔離透鏡、分光鏡、反射鏡 和光電傳感器；激光器發(fā)射的激光經(jīng)過(guò)所述分光鏡后被分成兩束強(qiáng)度相等的光，一束光通 過(guò)隔離透鏡透射至所述動(dòng)極板的表面后反射回所述分光鏡，并經(jīng)所述分光鏡再次反射后輸 出第一光束；另一束經(jīng)過(guò)反射鏡反射回所述分光鏡，并經(jīng)所述分光鏡透射后輸出第二光束， 所述第一光束與所述第二光束發(fā)生干設(shè)后形成干設(shè)條紋；光電傳感器用于將所述干設(shè)條紋 轉(zhuǎn)換為第二電壓信號(hào)；N個(gè)隔離透鏡嵌入在所述屏蔽框架上，所述屏蔽框架用于抑制外部 電磁場(chǎng)噪聲干擾；溫度控制模塊用于對(duì)多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置的工作環(huán)境 的溫度進(jìn)行控制，使得工作環(huán)境溫度的波動(dòng)小于0.ore;數(shù)據(jù)處理模塊用于采集所述第一 電壓信號(hào)和所述第二電壓信號(hào)，并根據(jù)所述第二電壓信號(hào)獲得激光干設(shè)測(cè)距的位移Ax; 根據(jù)所述第一電壓信號(hào)和所述位移獲得動(dòng)極板位移到第一電壓信號(hào)的格值系數(shù)K。
[0007] 該標(biāo)定裝置可W對(duì)高精度電容位移傳感器的多個(gè)自由度格值系數(shù)同時(shí)進(jìn)行精確 標(biāo)定；其構(gòu)成差分電容的機(jī)械敏感探頭和高精度電容位移傳感器采用一體化設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)方 便，能對(duì)皮米量級(jí)分辨率水平的位移傳感器進(jìn)行性能檢測(cè)。
[0008] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述動(dòng)極板可W為立方體結(jié)構(gòu)、可W為圓柱體結(jié)構(gòu)或圓筒結(jié)構(gòu)。當(dāng) 動(dòng)極板選用立方體時(shí)，能同時(shí)測(cè)量其相對(duì)定極板的多自由度位移信息；當(dāng)動(dòng)極板選用圓柱 體或圓筒時(shí)，動(dòng)極板沿徑向旋轉(zhuǎn)的擾動(dòng)不會(huì)影響輸出電壓信號(hào)。
[0009] 進(jìn)一步優(yōu)選地，差分電容傳感電路包括載波信號(hào)產(chǎn)生單元、W及依次連接的前置 運(yùn)算放大單元、交流放大單元、解調(diào)單元和低通濾波單元；所述前置運(yùn)算放大單元的輸入端 用于連接所述定極板，所述低通濾波單元的輸出端用于連接所述數(shù)據(jù)處理模塊；所述載波 信號(hào)產(chǎn)生單元的輸出端用于連接所述動(dòng)極板，并為所述動(dòng)極板提供頻率為10曲Z-100曲Z、 幅值為0. 1V-100V的交流調(diào)制信號(hào)。
[0010] 進(jìn)一步優(yōu)選地，動(dòng)極板、所述隔離透鏡、所述分光鏡和所述激光器的中屯、均設(shè)置在 同一條直線上。該樣方便對(duì)它們的相對(duì)位置進(jìn)行微調(diào)，形成高質(zhì)量的干設(shè)條紋信號(hào)。
[0011] 本申請(qǐng)能夠極大減小寄生電容影響，直接對(duì)測(cè)量精度在皮米量級(jí)，量程在微米量 級(jí)的高精度電容位移傳感模塊進(jìn)行多自由度格值系數(shù)標(biāo)定。
[0012] 本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)比較，具有W下優(yōu)點(diǎn)和效果：
[0013] (1) 一般裝置對(duì)電容傳感器進(jìn)行標(biāo)定，其格值系數(shù)極易受到對(duì)地寄生電容的影響， 該標(biāo)定裝置通過(guò)差分機(jī)械敏感探頭結(jié)構(gòu)能極大減小寄生電容的影響，該為分辨率水平高達(dá) 皮米量級(jí)的差分電容位移傳感器提供了一種準(zhǔn)確的格值系數(shù)標(biāo)定方法；
[0014] (2)通過(guò)激光干設(shè)測(cè)距模塊能夠同時(shí)測(cè)量動(dòng)極板相對(duì)定極板各個(gè)自由度的位移信 息，因此該標(biāo)定裝置能同時(shí)實(shí)現(xiàn)差分電容位移傳感器的多自由度格值系數(shù)標(biāo)定；
[0015] (3)機(jī)械敏感探頭采用低溫度系數(shù)、高穩(wěn)定性材料并包含在屏蔽框架內(nèi)，且溫度控 制系統(tǒng)能為標(biāo)定過(guò)程提供一個(gè)0.ore的恒溫環(huán)境，因此利用該裝置進(jìn)行靈敏度系數(shù)標(biāo)定重 復(fù)度高、穩(wěn)定性好、受外部環(huán)境干擾小。
[0016] (4)該裝置能夠靈活適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)的機(jī)械敏感探頭，不僅僅適用于標(biāo)定立方體式 差分電容，也適用于圓柱體、圓筒、球體等類型的差分電容。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的多自由度差分電容傳感器標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0018] 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的機(jī)械敏感探頭的結(jié)構(gòu)示意圖，其中（a)為立方體 結(jié)構(gòu)的機(jī)械敏感探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；化）為圓柱體結(jié)構(gòu)的機(jī)械敏感探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的差分電容傳感電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的光電傳感器轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的溫度控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實(shí)施 例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋 本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0023] 本實(shí)用新型提供的多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置適用于資源勘探、空間 物理等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的高精度電容位移傳感器的性能測(cè)量。
[0024] 本實(shí)用新型提供的多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置能同時(shí)對(duì)多自由度電 容位移傳感器的格值系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；其結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了便于說(shuō)明，僅示出了與本實(shí)用 新型實(shí)施例相關(guān)的部分，詳述如下：
[0025]多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置包括差分電容位移傳感模塊、激光干設(shè)測(cè) 距模塊、溫度控制模塊13和數(shù)據(jù)處理模塊12 ;其中，差分電容位移傳感模塊包括機(jī)械敏感 探頭和差分電容傳感電路11 ;機(jī)械敏感探頭包括動(dòng)極板1、多自由度微位移臺(tái)2、定極板3 和絕緣基座4 ;動(dòng)極板1通過(guò)所述絕緣