供低噪 聲的100曲Z調(diào)制信號。利用如金絲等良好導(dǎo)電體將載波信號產(chǎn)生單元115產(chǎn)生的頻率為 100曲Z，幅值為0. 1V-100V的正弦調(diào)制信號注入到動極板1上。高頻載波將低頻段的差分 電容信號調(diào)制在100曲Z頻率處，通過交流放大單元112減小外部干擾提高電路信噪比，經(jīng) 過后期解調(diào)單元113和低通濾波單元114處理得到與差分電容信號C1-C2直接相關(guān)的低頻 電壓信號Vi;同樣可W測量與C3-C迫接相關(guān)的低頻電壓信號V2。數(shù)據(jù)采集12選用NI公 司16位型號為USB-6341的數(shù)據(jù)采集卡，對溫度傳感及控制信號和位移傳感電壓信號Vi和 V2進(jìn)行10曲Z采樣，并做濾波和抽取等處理，最終將數(shù)據(jù)降采樣為IHz，此時電壓V1和V2的 共模能得到動極板1相對定極板框架3的平動信息V1+V2,電壓Vi和V2的差模能得 到動極板1相對定極板框架3的扭轉(zhuǎn)信息V"t=V1-V2。
[0038] 激光干設(shè)測距模塊由隔離透鏡5、屏蔽框架6、分光鏡7、反射鏡8、光電傳感器9 和激光器10組成；激光器10可W選用波長為633nm的艦穩(wěn)頻激光器，其穩(wěn)定性可達(dá)10^1; 分光鏡7由厚薄和折射率都很均勻的玻璃鍛膜而成；反射鏡8可W為一個精密磨光的平面 鏡；隔離透鏡5可W是一個厚薄均勻的玻璃板；光電傳感器9對干設(shè)條紋進(jìn)行檢測，如圖4 所示，它主要包含光電轉(zhuǎn)換單元91和驅(qū)動運(yùn)算單元92,能將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電信 號。由激光器10發(fā)射出的光束經(jīng)過分光鏡7被分為強(qiáng)度差不多相等的兩束光，一束光通過 隔離透鏡5達(dá)到動極板表面1經(jīng)反射回到分光鏡7,另一束光經(jīng)過平面鏡8反射回到分光鏡 7,該兩束光在分光鏡7處發(fā)生干設(shè)，干設(shè)條紋由光電傳感器9檢測。合理的調(diào)節(jié)位置使動 極板1、隔離透鏡5、分光鏡7和激光器10中屯、一致，保證產(chǎn)生正常的干設(shè)條紋。根據(jù)波的 疊加和相干原理，當(dāng)動極板1隨著微位移臺2移動A/2時，兩束光的光程差發(fā)生變化并在 光電傳感器9形成周期性的光強(qiáng)極大和極小的正弦干設(shè)條紋，該些干設(shè)條紋是等光程差點 的軌跡，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理能夠提取動極板1的位移信息Ax，其測量精度達(dá)到納米量級。
[0039] 激光干設(shè)測距是根據(jù)干設(shè)條紋數(shù)目來得到對應(yīng)的移動距離，第n個干設(shè)條紋對應(yīng) 動極板1的距離為= ，另一方面通過數(shù)據(jù)采集單元（12)記錄電容測微模塊平動輸出 電壓Vaut(與動極板位移成線性關(guān)系）可表示為Vwt=K*AD+Vbhs。W平動方向為例，激 光干設(shè)測距測量動極板1平動位移Ax，電容測微模塊輸出電壓Vtf。。，Vt""=K?Ax+Vbhs; 形成多組數(shù)據(jù)（Ax,VtfJ，在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進(jìn)行去粗大誤差、平滑、最小二乘擬合等數(shù)據(jù) 處理，最終得到格值系數(shù)K。
[0040]如圖5所示，溫度控制模塊13包含侶制機(jī)械框架131、固定在導(dǎo)熱性良好的機(jī)械框 架131內(nèi)壁利用熱敏電阻G10K4D372組成的溫度檢測橋路132、實現(xiàn)溫度到電壓轉(zhuǎn)換的溫度 傳感電路133、PI控制器電路134、由=極管和運(yùn)算放大器組成的溫度驅(qū)動電路135和固連 在機(jī)械框架外側(cè)的加熱帶136。當(dāng)侶制機(jī)械框架131內(nèi)部溫度發(fā)生變化時導(dǎo)致熱敏電阻阻 值發(fā)生變化，溫度檢測橋路132將不再平衡，此時溫度傳感電路133的輸出電壓直接與框架 內(nèi)部溫度變化相關(guān)，經(jīng)過PI控制器134運(yùn)算得到反饋電壓信號通過驅(qū)動電路135施加在加 熱帶136上，對機(jī)械框架131加熱，使框架內(nèi)部溫度重新穩(wěn)定。溫度控制模塊13將其內(nèi)部 溫度穩(wěn)定在lOmKW內(nèi)（即波動小于0.ore)，為電容測微模塊和激光干設(shè)測距模塊提供一 個良好的恒溫工作環(huán)境。
[0041] 當(dāng)需要對差分電容位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定時，將對應(yīng)的機(jī)械敏感探頭和電路安裝在 該裝置中。利用相同長度的屏蔽電纜連接機(jī)械敏感探頭和測量電路，能夠極大的削減外部 寄生電容對格值系數(shù)的影響，使格值系數(shù)更接近真實值。該裝置采用屏蔽連接電纜、屏蔽框 架屏蔽外部電磁場波動，溫度控制系統(tǒng)將測量環(huán)境溫度穩(wěn)定在0.ore,該樣標(biāo)定得到的格 值系數(shù)重復(fù)性高、穩(wěn)定性好、受外部環(huán)境擾動小。另外，在立方體動極板各自由度安裝激光 干設(shè)測距模塊能夠同時測量其各個自由度相對定極板的位移信息，因此通過該裝置能同時 對動極板各個自由度的格值系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。
[0042] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，W上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不 用W限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改 進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置，其特征在于，包括差分電容位移傳感 模塊、激光干涉測距模塊、溫度控制模塊（13)和數(shù)據(jù)處理模塊（12); 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（11);所述機(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);所述動極板 (1)通過所述絕緣基座（4)固定在所述多自由度微位移臺（2)上，所述動極板（1)跟隨所述 微位移平臺（2)進(jìn)行多自由度的平動；所述動極板（1)與所述定極板（3)相互配合并構(gòu)成 多對差分電容；所述差分電容傳感電路（11)與所述動極板（1)和所述定極板（3)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； 所述激光干涉測距模塊包括：激光器（10)、屏蔽框架（6)和N個分布在平動自由度方 向的干涉條紋單元；N為自由度的個數(shù)，N為大于等于1且小于等于3 ;每一個干涉條紋單元 包括隔離透鏡（5)、分光鏡（7)、反射鏡（8)和光電傳感器（9);激光器（10)發(fā)射的激光經(jīng) 過所述分光鏡（7)后被分成兩束強(qiáng)度相等的光，一束光通過隔離透鏡（5)透射至所述動極 板（1)的表面后反射回所述分光鏡（7)，并經(jīng)所述分光鏡（7)再次反射后輸出第一光束；另 一束經(jīng)過反射鏡（8)反射回所述分光鏡（7)，并經(jīng)所述分光鏡（7)透射后輸出第二光束，所 述第一光束與所述第二光束發(fā)生干涉后形成干涉條紋；光電傳感器（9)用于將所述干涉條 紋轉(zhuǎn)換為第二電壓信號；N個隔離透鏡（5)嵌入在所述屏蔽框架（6)上，所述屏蔽框架（6) 用于抑制外部電磁場噪聲干擾； 所述溫度控制模塊（13)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)境溫度的波動小于〇.ore; 所述數(shù)據(jù)處理模塊（12)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涉測距的位移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。
2. 如權(quán)利要求1所述的多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置，其特征在于，所述動 極板（1)為立方體結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求1所述的多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置，其特征在于，所述動 極板（1)為圓柱體結(jié)構(gòu)或圓筒結(jié)構(gòu)。
4. 如權(quán)利要求1所述的多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置，其特征在于，所述差 分電容傳感電路（11)包括載波信號產(chǎn)生單元（115)、以及依次連接的前置運(yùn)算放大單元 (111)、交流放大單元（112)、解調(diào)單元（113)和低通濾波單元（114); 所述前置運(yùn)算放大單元（111)的輸入端用于連接所述定極板（3)，所述低通濾波單元 (114)的輸出端用于連接所述數(shù)據(jù)處理模塊（12); 所述載波信號產(chǎn)生單元（115)的輸出端用于連接所述動極板（1)，并為所述動極板（1) 提供頻率為lOkHz-lOOkHz、幅值為0. 1V-100V的交流調(diào)制信號。
5. 如權(quán)利要求1所述的多自由度差分電容位移傳感器標(biāo)定裝置，其特征在于，所述動 極板（1)、所述隔離透鏡（5)、所述分光鏡（7)和所述激光器（10)的中心均設(shè)置在同一條直 線上。
【專利摘要】本實用新型公開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、激光干涉測距模塊、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；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；激光干涉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涉條紋單元；溫度控制模塊用來屏蔽外部環(huán)境溫度擾動；干涉測距模塊測量動極板相對于定極板的位移，差分電容位移傳感模塊輸出電壓信號，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到動極板平動自由度位移到差分電容位移傳感模塊輸出電壓的格值系數(shù)，從而精確評價量程在微米量級的高精度差分電容位移傳感模塊的分辨率水平。
【IPC分類】G01B7-02
【公開號】CN204404991
【申請?zhí)枴緾N201520113559
【發(fā)明人】胡明, 鐘敏, 田蔚, 涂海波
【申請人】中國科學(xué)院測量與地球物理研究所
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年2月14日