[發明專利]差動電容式儀器的測量裝置和方法

無效

• 申請號: 201210181639.5
• 申請日: 2012-06-04
• 公開（公告）號: CN102706383A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 毛良明;沈省三;江修
• 申請（專利權）人: 基康儀器（北京）有限公司
• 主分類號: G01D18/00
• 分類號: G01D18/00;G01D5/24
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 張濤

技術領域

本發明涉及巖土工程的健康監測技術領域，特別是巖土工程的安全監測儀器中的差動電容式儀器的測量裝置和方法。

背景技術

在巖土工程的安全監測領域中，差動電容式儀器是一種比較獨特的安全監測儀器類型，一般用于實現靜力水準系統的沉降測量、垂線位移測量、引張線位移測量、雙金屬標變形監測等物理量的監測，在安全監測工程中有較多的應用。

差動電容式儀器一般由一對參數對稱的配對電容（定義為C₁和C₂）作為傳感器的敏感元件，這對配對電容具有這樣的屬性，當被測物理量F發生變化時，假設變化量為△F，其中的一個電容C₁的容值將增加△C，與之相對應的是另一個電容C₂的容值變小△C，C₁與C₂的電容的變化差值為2△C，由于在測量范圍內△F與2△C存在線性關系，即△F是2△C的單一函數，故通過測量2△C就可以獲得被測物理量F的變化規律，從而分析判斷巖土工程的健康安全狀況。

從測量原理上講，差動電容式傳感器的測量電路非常簡單，是將交流信號轉化為直流信號，并使用歐姆定律通過電容兩端的直流輸出信號U₀與交流激勵信號U_0i之間的電壓幅度比值關系就能實現對電容值△C的直接測量。如但實際上由于△C的數值非常?。ㄒ话阍趲资甈F這個數量級），測量電路的任何環節引入的干擾都會導致測值不準確，如導線的分布電容、元器件的噪聲等。因此，差動電容式儀器的高精度、高可靠性測量是比較難以實現的。

巖土工程的健康安全狀況監測至關重要，確保測量結果的準確性和可靠性是首要任務。因此，很有必要針對差動電容式儀器的電氣特點，設計一種全新的測量系統或測量方法，以期獲得非常理想的測量靈敏度和測量精度。

發明內容

本發明針對現有的差動電容式儀器由于干擾因素的影響無法獲得高精度和高可靠性測量結果的問題，提供一種新型的差動電容式儀器的測量裝置，該裝置通過FFT技術能夠有效地克服各種干擾對差動電容儀器的測量結果的影響，確保差動電容式儀器獲得高精度測量結果。

本發明還涉及一種差動電容式儀器的測量方法。

本發明的技術方案如下：

一種差動電容式儀器的測量裝置，其特征在于，包括交變激勵信號發生器、線路選擇開關電路、AD轉換器和數字信號處理器，所述交變激勵信號發生器產生固定頻率固定幅度的交變激勵信號后通過線路選擇開關電路將所述交變激勵信號施加在差動電容式儀器的兩端實現對差動電容式儀器的正向激勵和反向激勵，差動電容式儀器的中間極板的輸出端依次連接AD轉換器和數字信號處理器，將正向激勵和反向激勵時差動電容式儀器的中間極板的輸出信號通過AD轉換器進行信號采集，再由數字信號處理器進行FFT頻譜分析并分別提取出幅度最大值，將正向激勵和反向激勵得到的幅度最大值做差后根據一定的線性關系得到差動電容式儀器的被測物理量的變化量，實現差動電容式儀器的測量。

所述交變激勵信號發生器包括微控制器和DA轉換器，所述微控制器輸出按一定規律編排的數值序列并控制DA轉換器輸出固定頻率固定幅度的交變激勵信號。

所述線路選擇開關電路包括由微控制器控制的電子切換開關，所述微控制器控制電子切換開關的狀態實現對差動電容式儀器的正向激勵和反向激勵。

還包括信號放大器和低通濾波器，所述差動電容式儀器的中間極板的輸出端先依次經過信號放大器和低通濾波器后再連接AD轉換器，以將正向激勵和反向激勵時差動電容式儀器的中間極板的輸出信號進行信號放大和低通濾波處理后再通過AD轉換器進行信號采集。

所述數字信號處理器與微控制器相連，所述數字信號處理器將FFT頻譜分析后分別提取出的幅度最大值輸入至微控制器，微控制器將正向激勵和反向激勵得到的幅度最大值做差后根據一定的線性關系得到差動電容式儀器的被測物理量的變化量，實現差動電容式儀器的測量；和/或所述微控制器為單片機；和/或所述AD轉換器為高精度高速AD轉換器。