[發(fā)明專利]一種變面積式位移電容的檢測裝置有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201811471282.8 | 申請日： | 2018-12-03 |
| 公開（公告）號： | CN109341744B | 公開（公告）日： | 2020-05-19 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 涂良成;嚴世濤;許強偉;伍文杰 | 申請（專利權(quán)）人： | 華中科技大學 |
| 主分類號： | G01D18/00 | 分類號： | G01D18/00 |
| 代理公司： | 華中科技大學專利中心 42201 | 代理人： | 廖盈春;曹葆青 |
| 地址： | 430074 湖北*** | 國省代碼： | 湖北;42 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 面積 位移 電容 檢測 裝置 | ||
本發(fā)明提供了一種變面積式位移電容檢測裝置，包括：變面積式位移電容檢測結(jié)構(gòu)、驅(qū)動電壓模塊和電荷放大器；變面積式位移電容檢測結(jié)構(gòu)包括：檢測電容和移動塊；驅(qū)動電壓模塊產(chǎn)生用于位移電容檢測的正負驅(qū)動載波且分別加載在所述檢測電容上；電荷放大器包括：反饋電容、反饋電阻和運算放大器，電荷放大器用于將微小位移引起的差分電容變化與反饋電容作比并轉(zhuǎn)化為電壓信號；當對外界位移進行檢測時，檢測方向上的位移使檢測電容的正對面積發(fā)生改變，從而使檢測電容的大小發(fā)生變化，通過對由于面積變化產(chǎn)生的電容變化進行檢測，實現(xiàn)位移檢測的目的；消除了動定極板間距變化對差分電容的影響，提高了位移電容檢測精度。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于位移測量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種變面積式位移電容的檢測裝置。
背景技術(shù)
變面積式位移電容檢測是位移檢測的一種方式，在慣性傳感、位移測量領(lǐng)域具有重要意義。電容式位移檢測是利用檢測平行極板電容的大小來對位移的變化進行檢測的一種方式，按照平行極板電容的定義ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為極板的正對面積，d為極板間間距。一般而言，電容極板間介質(zhì)介電常數(shù)是不變的，因此電容檢測方式可以分為兩類：一類是變面積式位移電容檢測，一類是變間距式位移電容檢測。這兩種檢測方式依據(jù)自身特點在應用領(lǐng)域也各有側(cè)重，對于變面積式位移電容檢測，主要檢測由于兩電容極板正對面積的變化帶來的差分電容的大小來對位移進行檢測，排布的電容極板越多靈敏度就越高，而MEMS工藝可以在很小的尺度范圍內(nèi)在硅片上進行加工，可以對電容極板進行小型化、高密度式制作，因此變面積式位移電容檢測主要用于MEMS領(lǐng)域；對于變間距式位移電容檢測，主要檢測由于電容極板間距變化造成的電容變化，不需要利用微機械技術(shù)在微尺度上進行加工，但需要高精度的裝配，因此主要應用于傳統(tǒng)機械加工領(lǐng)域。
基于變面積式位移電容檢測裝置的應用典型有英國帝國理工大學Pike等人研發(fā)的MEMS火星微震儀，其基本原理就是變面積式位移電容檢測，所采用的方式是利用MEMS工藝在硅片上進行復雜加工而成，它體積小，靈敏度高，噪聲分辨率達到
基于變間距式位移電容檢測方式的應用代表有Guralp公司的CMG-5U等系列加速度計，通過高精度機械加工，設(shè)計裝配而成，具有量程大、噪聲水平低等特點，據(jù)其官方資料量程可達±2g，噪聲為
當對外界進行位移或加速度檢測時，檢測方向上的位移或加速度使移動塊與外框架(固定)發(fā)生相對位移x，相應的固定在移動塊上的動極板與固定在外框上的電容定極板也產(chǎn)生相對位移x，從而產(chǎn)生電容極板正對面積的變化。在此過程中由面積變化產(chǎn)生的兩電容的表達式可以表示為：
與
此時差分電容的大小可以表示為：其中ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，C0為平衡狀態(tài)下電容極板正對時的電容值，a為電容極板的寬度，b為兩定極板之間的間距，l為電容極板的長度。由公式可以看出差分電容會隨著動定極板正對面積及兩極板的間距變化而變化。為了保證位移測量的準確性需要將其中關(guān)于間距的影響消去或者最小化。差分電容信號經(jīng)過電荷放大器進行轉(zhuǎn)換過程中，由于在帶寬范圍內(nèi)反饋電阻的阻抗Rf遠大于反饋電容的阻抗所以經(jīng)過電荷放大器后的電壓輸出可以表示為：
由公式可以看出若間距d發(fā)生變化，則會對電壓輸出有直接影響。當d不變時，若Vp，l，Cf的值固定，電荷放大器輸出V0與位移x成正比，通過對V0的測量可以推得位移x的大小，達到位移檢測的目的。然而在實際過程中，間距d會因機械結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定及交叉抑制比太低而發(fā)生變化，最終影響位移檢測的精度，因此需要將其中關(guān)于間距的因素消去來提高位移檢測的精度。
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有位移電容檢測的不足，本發(fā)明提供了一種變面積式位移電容檢測裝置，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中電容極板間距變化對電容檢測帶來了影響導致位移的檢測精度不高的問題。
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