一種多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于高精度電容位移傳感標(biāo)定領(lǐng)域，更具體設(shè)及一種多自由度差分電 容位移傳感器標(biāo)定裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 電容位移傳感器作為一種傳統(tǒng)非接觸式傳感器，主要應(yīng)用于位移、角度、振動、加 速度、壓力等方面測量。采用差分電容結(jié)構(gòu)能大大提高傳感器的分辨率水平，減小寄生電容 的影響，但是它作為一種相對測量傳感器需要準(zhǔn)確標(biāo)定其格值系數(shù)后才能用于測量位移信 號，而傳統(tǒng)機(jī)械標(biāo)定方法與標(biāo)定裝置無法滿足該種高分辨率和小量程的差分電容位移傳感 模塊的需求指標(biāo)。
[0003] 差分電容位移傳感器是一種典型的高精度位移傳感器，其基本原理是利用良好導(dǎo) 電體為動極板注入頻率為10曲Z-100曲Z、幅值為0. 1V-100V的交流調(diào)制信號。動極板與定 極板形成多對差分電容，對與差分電容對應(yīng)的輸出電壓信號進(jìn)行共模得到與平動位移相關(guān) 的傳感電壓Vtt。。，差模得到與扭轉(zhuǎn)位移相關(guān)的傳感電壓V"t(胡明，etal.基于八對差分電 容極板的靜電懸浮加速度計的設(shè)計；大地測量與地球動力學(xué)，2012, 32巧）：154-159)。另有 美國專利詳細(xì)討論如何將該種類型的差分電容位移傳感器應(yīng)用于高精度靜電懸浮加速度 計（AMBernardetal.Electrostaticaccelerometer,US4583404,1986)。
[0004] 差分電容位移傳感器的精度能直接影響高精度靜電懸浮加速度計等精密儀器的 分辨率水平，該些精密儀器要求位移傳感器的精度達(dá)到或者優(yōu)于皮米量級，而此時位移傳 感器量程將減小至微米量級甚至更低（V.J〇sselin，etal.Capacitivedetectionscheme forspaceaccelerometersapplication.SensorsandActuators，1999, 78:92-98)。利用 傳統(tǒng)標(biāo)定方法與標(biāo)定裝置將很難抑制寄生電容影響，準(zhǔn)確標(biāo)定該種類型高精度差分電容傳 感器的格值系數(shù)。近些年來激光技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了一個嶄新的時代，使用激光干設(shè)儀等方法 對包括探頭在內(nèi)的差分電容位移傳感電路進(jìn)行標(biāo)定與校準(zhǔn)，差分電容傳感器格值系數(shù)準(zhǔn)確 測量（段小艷etal.激光干設(shè)法微位移測量技術(shù)綜述.計測技術(shù)，2012, 32化）：1-5)。激 光干設(shè)儀采用零差或者外差等原理實現(xiàn)微位移的測量心= /?!，其中A為激光波長，n為 干設(shè)條紋數(shù)。若使用633nm艦穩(wěn)頻激光器，其穩(wěn)定性可達(dá)10^11。數(shù)據(jù)采集單元記錄高精度 差分電容位移傳感模塊平動輸出電壓Vt"n，對數(shù)據(jù)組（Ax，VtfJ進(jìn)行最小二乘擬合求取靈 敏度系數(shù)K。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 本實用新型的目的在于提供一種多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置，旨在解 決測量精度為皮米量級，量程為微米量級的高精度差分電容位移傳感模塊標(biāo)定的技術(shù)問 題。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝 置，包括差分電容位移傳感模塊、激光干設(shè)測距模塊、溫度控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；所述 差分電容位移傳感模塊包括機(jī)械敏感探頭和差分電容傳感電路；所述機(jī)械敏感探頭包括動 極板、多自由度微位移臺、定極板和絕緣基座；所述動極板通過所述絕緣基座固定在所述多 自由度微位移臺上，所述動極板跟隨所述微位移平臺進(jìn)行多自由度的平動；所述動極板與 所述定極板相互配合并構(gòu)成多對差分電容；所述差分電容傳感電路與所述動極板和所述定 極板連接，用于將動極板與定極板形成的差分電容轉(zhuǎn)換為第一電壓信號；所述激光干設(shè)測 距模塊包括；激光器、屏蔽框架和N個分布在平動自由度方向的干設(shè)條紋單元；N為自由度 的個數(shù)，N為大于等于1且小于等于3 ;每一個干設(shè)條紋單元包括隔離透鏡、分光鏡、反射鏡 和光電傳感器；激光器發(fā)射的激光經(jīng)過所述分光鏡后被分成兩束強(qiáng)度相等的光，一束光通 過隔離透鏡透射至所述動極板的表面后反射回所述分光鏡，并經(jīng)所述分光鏡再次反射后輸 出第一光束；另一束經(jīng)過反射鏡反射回所述分光鏡，并經(jīng)所述分光鏡透射后輸出第二光束， 所述第一光束與所述第二光束發(fā)生干設(shè)后形成干設(shè)條紋；光電傳感器用于將所述干設(shè)條紋 轉(zhuǎn)換為第二電壓信號；N個隔離透鏡嵌入在所述屏蔽框架上，所述屏蔽框架用于抑制外部 電磁場噪聲干擾；溫度控制模塊用于對多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置的工作環(huán)境 的溫度進(jìn)行控制，使得工作環(huán)境溫度的波動小于0.ore;數(shù)據(jù)處理模塊用于采集所述第一 電壓信號和所述第二電壓信號，并根據(jù)所述第二電壓信號獲得激光干設(shè)測距的位移Ax; 根據(jù)所述第一電壓信號和所述位移獲得動極板位移到第一電壓信號的格值系數(shù)K。
[0007] 該標(biāo)定裝置可W對高精度電容位移傳感器的多個自由度格值系數(shù)同時進(jìn)行精確 標(biāo)定；其構(gòu)成差分電容的機(jī)械敏感探頭和高精度電容位移傳感器采用一體化設(shè)計，調(diào)節(jié)方 便，能對皮米量級分辨率水平的位移傳感器進(jìn)行性能檢測。
[0008] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述動極板可W為立方體結(jié)構(gòu)、可W為圓柱體結(jié)構(gòu)或圓筒結(jié)構(gòu)。當(dāng) 動極板選用立方體時，能同時測量其相對定極板的多自由度位移信息；當(dāng)動極板選用圓柱 體或圓筒時，動極板沿徑向旋轉(zhuǎn)的擾動不會影響輸出電壓信號。
[0009] 進(jìn)一步優(yōu)選地，差分電容傳感電路包括載波信號產(chǎn)生單元、W及依次連接的前置 運算放大單元、交流放大單元、解調(diào)單元和低通濾波單元；所述前置運算放大單元的輸入端 用于連接所述定極板，所述低通濾波單元的輸出端用于連接所述數(shù)據(jù)處理模塊；所述載波 信號產(chǎn)生單元的輸出端用于連接所述動極板，并為所述動極板提供頻率為10曲Z-100曲Z、 幅值為0. 1V-100V的交流調(diào)制信號。
[0010] 進(jìn)一步優(yōu)選地，動極板、所述隔離透鏡、所述分光鏡和所述激光器的中屯、均設(shè)置在 同一條直線上。該樣方便對它們的相對位置進(jìn)行微調(diào)，形成高質(zhì)量的干設(shè)條紋信號。
[0011] 本申請能夠極大減小寄生電容影響，直接對測量精度在皮米量級，量程在微米量 級的高精度電容位移傳感模塊進(jìn)行多自由度格值系數(shù)標(biāo)定。
[0012] 本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)比較，具有W下優(yōu)點和效果：
[0013] (1) 一般裝置對電容傳感器進(jìn)行標(biāo)定，其格值系數(shù)極易受到對地寄生電容的影響， 該標(biāo)定裝置通過差分機(jī)械敏感探頭結(jié)構(gòu)能極大減小寄生電容的影響，該為分辨率水平高達(dá) 皮米量級的差分電容位移傳感器提供了一種準(zhǔn)確的格值系數(shù)標(biāo)定方法；
[0014] (2)通過激光干設(shè)測距模塊能夠同時測量動極板相對定極板各個自由度的位移信 息，因此該標(biāo)定裝置能同時實現(xiàn)差分電容位移傳感器的多自由度格值系數(shù)標(biāo)定；
[0015] (3)機(jī)械敏感探頭采用低溫度系數(shù)、高穩(wěn)定性材料并包含在屏蔽框架內(nèi)，且溫度控 制系統(tǒng)能為標(biāo)定過程提供一個0.ore的恒溫環(huán)境，因此利用該裝置進(jìn)行靈敏度系數(shù)標(biāo)定重 復(fù)度高、穩(wěn)定性好、受外部環(huán)境干擾小。
[0016] (4)該裝置能夠靈活適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)的機(jī)械敏感探頭，不僅僅適用于標(biāo)定立方體式 差分電容，也適用于圓柱體、圓筒、球體等類型的差分電容。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本實用新型實施例提供的多自由度差分電容傳感器標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0018] 圖2是本實用新型實施例提供的機(jī)械敏感探頭的結(jié)構(gòu)示意圖，其中（a)為立方體 結(jié)構(gòu)的機(jī)械敏感探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；化）為圓柱體結(jié)構(gòu)的機(jī)械敏感探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖3是本實用新型實施例提供的差分電容傳感電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖4是本實用新型實施例提供的光電傳感器轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖5是本實用新型實施例提供的溫度控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0022] 為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實施 例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋 本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0023] 本實用新型提供的多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置適用于資源勘探、空間 物理等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的高精度電容位移傳感器的性能測量。
[0024] 本實用新型提供的多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置能同時對多自由度電 容位移傳感器的格值系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；其結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了便于說明，僅示出了與本實用 新型實施例相關(guān)的部分，詳述如下：
[0025]多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置包括差分電容位移傳感模塊、激光干設(shè)測 距模塊、溫度控制模塊13和數(shù)據(jù)處理模塊12 ;其中，差分電容位移傳感模塊包括機(jī)械敏感 探頭和差分電容傳感電路11 ;機(jī)械敏感探頭包括動極板1、多自由度微位移臺2、定極板3 和絕緣基座4 ;動極板1通過所述絕緣