[發(fā)明專利]一種基于雙調(diào)制法的雙軸電容位移檢測裝置和方法

有效

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• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111811385B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許強(qiáng)偉;涂良成;嚴(yán)世濤;伍文杰
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G01B7/02
• 分類號: G01B7/02;G01B7/04
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 祝丹晴;李智

本發(fā)明屬于位移測量領(lǐng)域，公開了一種基于雙調(diào)制法的雙軸電容位移檢測裝置和方法。包括定極板；動極板；第一驅(qū)動電壓模塊，產(chǎn)生用于調(diào)制水平位移變化的正負(fù)驅(qū)動載波，加載于定極板上；第二驅(qū)動電壓模塊，產(chǎn)生用于調(diào)制間距變化方向的單路驅(qū)動載波，加載于定極板上，以頻分復(fù)用方式與第一驅(qū)動電壓模塊一起工作；電荷放大器，與動極板相連，用于將水平位移及間距變化引起的差分電容信號轉(zhuǎn)化為電壓；第一同步解調(diào)模塊和第二同步解調(diào)模塊，用于對電壓信號進(jìn)行解調(diào)，分別得到含有水平位移變化和間距變化的直流信號。本發(fā)明同時實現(xiàn)了水平和豎直方向電容位移檢測，相對于單軸電容位移檢測，可檢測非敏感軸方向的電容變化量，提高電容位移檢測精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于位移測量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于雙調(diào)制法的雙軸電容位移檢測裝置和方法。

背景技術(shù)

電容位移檢測是位移測量的一種常用方式，通過檢測兩物體間電容變化量就能夠得到其相對位置的變化量，相較于傳統(tǒng)的卡尺測量方式具有無接觸、精度高等優(yōu)點。由于檢測的是電容的變化量，因此根據(jù)電容公式可以看出引起電容C改變的量有兩測量物體之間介質(zhì)的介電常數(shù)ε、兩測量物體之間的正對面積A和兩測量物體之間的間距d。一般而言，檢測器件放置在固定環(huán)境中，因此介電常數(shù)ε為一定值，不作為待測量。所以可以通過檢測由于兩物體相對面積A的變化和相對間距d的變化所引起的電容變化來反映兩物體間的位置關(guān)系，分別為變面積式電容位移檢測和變間距式電容位移檢測。

對于變面積式電容位移檢測方式，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(jìn)行檢測，電容極板可以做得很小從而增加數(shù)量，這樣排布的電容極板越多差分電容的信號就越大，利于信號的檢測，因此主要用于微機(jī)械結(jié)構(gòu)中；對于變間距式電容位移檢測方式，主要檢測由于電容極板間距變化造成的電容變化，間距不能過大，不然會引入非線性的影響，造成測量誤差，因此需要高精度的裝配。

變面積式電容位移檢測主要檢測動定極板間正對面積變化造成的電容變化量。如圖1所示，當(dāng)檢測方向上的位移或加速度使動極板與定極板發(fā)生相對位移Δx，就會引起電容動定極板正對面積發(fā)生變化。在此過程中由面積變化產(chǎn)生的兩電容的表達(dá)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)，a為動極板和定極板的寬度，b為兩定極板之間的間距。經(jīng)過電荷放大器后的電壓輸出表達(dá)式為：

與參考信號V_P1sin(ω₁t)進(jìn)行同步解調(diào)后所得的電壓信號為：

變間距式電容位移檢測主要檢測動定極板間距變化引起的電容變化量。如圖2所示，當(dāng)動極板相對于定極板間距發(fā)生變化Δd時，就會引起動定極板間電容發(fā)生改變，此時電容變化表達(dá)式為：

當(dāng)Δd＜＜d時，

其中ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，l為動定極板正對面積部分的長，w為動定極板正對面積部分的寬，d為動定極板的間距。通過電荷放大器轉(zhuǎn)換后的電壓表達(dá)式為：

與參考信號V_P2 sin(ω₂t)進(jìn)行同步解調(diào)后所得的電壓信號為：

由電壓輸出公式V_o1和V_o2可以看出，水平方向的位移變化量Δx和豎直方向的間距變化量Δd都轉(zhuǎn)化成為電壓變化量，但是這兩種檢測方式都只能檢測其中一個變量，即單一方向的變量。

發(fā)明內(nèi)容