精密电容式测微仪及其应用

　　在工业计量中有很多需要检测的参数与位移量的变化有关,如力、流量、温度、速度、振动、密度、粘度等。位移的机电变换方法有许多种,如电阻式、电感式、电容式、涡流式、超声式、光电式等,过去尤以电阻式、电感式应用较多。电容式应用较少的主要原因是其电容值小,易被寄生电容、电缆电容等杂散电容浸没。还有它的非线性限制了它的应用。

　　随着科学技术的发展,新技术、新材料的的应用,电容式测微仪器应用不断扩大,尤其是在动态和在线检测方面具有极广阔的应用前景。主要是电容式变换方法较其它方式具有更多的优越性,如它的输入能量极低,动态响应快,自热效应甚微,稳定性好,内磨损误差小。因此,特别适宜动态、在线检测。它的相对变化量大,能用在特殊环境下工作,如在强光照射下、在核辐射条件,过载冲击震动环境等。

　　1　测量原理

　　众所周知,对平行平板电容c与被测位移h之间具有非线性关系:

　　对利用电容方式制做的传感器测量电路有很多型式,而大多数机电变换测量原理有:电容电桥式调幅测量原理、电容调频式测量原理、电容脉冲调宽式测量原理、电容二极管检波式测量原理和运算电容式测量原理等。

　　为了消除或减小分布电容的影响,目前多采用等电位环屏蔽法、低电容双屏蔽电缆法、集成化以及电缆驱动技术等。现着重介绍采用驱动电缆技术的运算电容法测量原理。如图1所示,对运算放大器的输出电压V0与输入电压Vs和输入电容Cs及反馈电容CF之间的关系

　　若将传感器电容C代替CF,则有:

　　由上述测量原理公式可见,测量系统的输出与被测位移之间呈线性关系。因而消除了一般测量原理的非线性影响。仪器不仅充分发挥了电容式传感器高分辨力的优越,而且大大扩展了它的应用范围。

　　长期以来困扰着电容式传感器的另一个原因是它的测量电容非常小,很容易受杂散电容影响。例如对电容极板为Φ3mm,被测位移为0.5mm时,其电容值CF仅为0.125pF,而联接传感器的电缆电容少则也是每米达几十到几百pF,由此被测信息将被淹没,使实际应用受到影响。目前该仪器采用了先进的驱动电缆技术,即将屏蔽式电缆的屏蔽层经放大器使其电位与被测电极电位相等,从而使两者之间不存在容性电流,这样就等效地消除了分布电容的影响,大大地提高了检测精度。

　　运算电容法测量原理所获取的被测量信息是非常丰富的。因此需要根据不同的测量要求,采用不同的信号处理方式,经信号变换,接口电路和微机分析处理给出被测量信息的静态数据、动态信息,并以图形显示,记录方式输出,或提供控制系统的操作。