电容式位移振动测量仪

摘要

一种电容式位移振动测量仪，主要用于精密机械行业和仪器工程中。本发明主要由讯号源、电源、电容测头、整流器、指示电路以及测量电路组成，本发明的特征，是采用运算补偿驱动式测量电路。本发明的线性测量范围宽，测量精度高，同时结构简单、整机稳定性好。

说明书

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本发明涉及一种电容式位移振动测量仪，主要用于精密机械行业和仪器工程中。

二十世纪以来，利用非接触电容式传感器，通过测量电容测头的极板到被测平面间电容的变化，实现位移振动测量的仪器按仪器的核心部分-测量电路来分类的话，大致有：调频式、脉冲调宽式、电桥式、运算式。就测量精度，线性范围而言，运算式电容位移振动测量仪较为先进。如英国Wayne    Kenr    Co生产的电容测微仪就属于运算驱动式电容位移振动测量仪。该仪器主要由讯号源、电源、电容测头、整流器、指示器以及核心部分测量电路-运算驱动式测量电路组成，该电路实现了输出电压与待测位移之间的线性关系，线性测量范围较大，测量精度较高，为减小园柱测头端面边缘电力线的弯曲所带来的不良影响，采用了驱动电缆技术。但在此测量电路中，线路地与机壳大地不能共地这不仅使整机结构复杂，而且测量电路的输出通过测量电缆的内、外屏蔽层间的电缆电容和机壳地与线路之间的杂散电容形成寄生耦合正回授，从而限制了线性测量范围的扩大和测量精度的提高。

本发明是一种电容式位移振动测量仪，主要由讯号源、整流器、指示电路、电容测头、电源、测量电路组成，采用驱动电缆技术，其特征是测量电路为运算补偿驱动式电路，即：把测量电缆的内、外屏蔽层间的电缆电容和其他杂散电容C₀接在运算放大器的负输入端;运算放大器的正输入端接入并联的固定电容器C₂和半可变电容器或压控变容二极管电容C_P。

本发明的测量电路设计方案参见图1。

设运算放大器K为理想放大器，则由图1所示的符号有：

(V₀-V_A)/(R₂)>A)/(R₁)>A·SC₀

(V₀-V_B)/(R₄)>S-V_B)/(R₃)>B·S(C_T+C_P+C₂)

化简整理后有：

V₀＝>SR₄(R₁+R₂+SR₁R₂C₀))/((R₁R₄-R₂R₃)+SR₁R₃[R₄(C_T+C_P+C₂)-R₂C₀])

令R₁R₄＝R₂R₃，R₁＝R₃＝R，R₂＝R₄＝nR

其中n为正整数的倒数，R为一确定的电阻值

则

V₀＝>S(n+1+SnRC₀))/(SR(C_T+C_P+C₂-C₀))

调节C_P使C₂+C_P＝C₀且C_T＝>0-S₀)/(h)>

V₀＝>S(1+n+SnRC₀))/(SRε₀S₀)>

其中：S₀为测头极板面积，ε₀为空气介电常数，h为待测面到测头端面间的距离，S为复频率。

由上式可见用本发明的设计方案实现了输出电压与被测位移h成线性关系。电容测头具有保护环，测量电缆为双层屏蔽电缆，整个电路共地。在测量电路中把测量电缆的内外屏蔽层间的电缆电容和其他杂散电容C₀接在运算放大器的负输入端，从而根本上消除了运算驱动式测量电路中输出端通过C₀到运算放大器正输入端的寄生回授。为了消除C₀对测量电路的有害影响，在运算放大器的正输入端接入并联的固定电容器C₂和半可变电容器或压控变容二极管电容C_P。调节C_P使R₄（C₂+C_P）＝R₂C₀，实现全补偿，消除了C₀的影响，使测量电路的输出仅仅与所测位移的电容C_T有关。为了使直流工作稳定，在测量电路R₁支路中接入隔直电容C₄或对讯号源频率起陷波作用的LC电路。

在运算补偿驱动式测量电路中，测量电缆的内、外屏蔽层间的电缆电容和其他杂散电容C₀也可接在运算放大器的正输入端;并联固定电容器C₂和半可变电容器或压控变容二极管电容C_P也可接在运算放大器的负输入端，同样能达到本发明的效果。

本发明由于采用了运算补偿驱动式测量电路，从根本上消除了运算驱动式测量电路中寄生耦合正回授的形成，因此本发明的线性测量范围宽，测量精度高，是运算驱动式电容位移振动测量仪所不及的。另外本发明实现了整机一点接地，从而使本发明结构简单，降低了成本，提高了性能价格比。这点也是运算驱动式电容位移振动测量仪所不及的。本发明还具有整机稳定性好，开机予热时间短等优点。

附图：图1是运算补偿驱动式测量电路图。

其中：C₀-测量电缆内、外屏蔽层间电容及杂散电容;

C_P-补偿电容可变部分即：半可变电容或压控变容二极管电容;

C₁-隔直电容，C₂-补偿电容固定部分即：固定电容;

C_T-电容测头极板端面到被测平面的电容，R₁、R₂、R₃、

R₄-电阻，V_S-讯号源幅值，V₀-输出电压，K-运算放大器，V_A-A点电压，V_B-B点电压。

图2是电容式位移振动测量仪整机方块图。

1-讯号源，2-电源，3-电容测头，4-测量电路，5-整流器，6-指示电路。

实施例：

例1、本发明由讯号源、电源、电容测头、整流器、指示电路、测量电路组成，在测量电路（如图1所示）中，取R₁＝R₃＝99KΩ，R₂＝R₄＝5KΩ，它们都是精密绕线电阻，运算放大器选用CA3140;C₂为一只75pf的云母电容器，C_P为一只压控变容二极管2CC13A，以实现对C₀的全补偿;在R₁支路中接入隔直电容器C＝20μF+0.47μF，讯号源选用10KHZ晶体振荡器定势源;由4位半交流数字电压表指示测量电路的输出，所得测量结果为：

线性测量范围：200μm;

整机稳定性：0.005μm/小时;

开机予热时间：半小时;

振动测量频率响应范围：0～1KHZ。

例2、除C_P为一只半可变电容器（C＝0～20PF）外，其余条件均与例1相同，则也可得到例1结果。

例3、除在R₁支路中用讯号源频率的LC（L＝1mH，C＝0.253μf）陷波电路代替隔直电容器C₁外，其余条件同例1相同，则也可得到例1结果。