[发明专利]电容式位移振动测量仪

说明书

_P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，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 KenrCo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。此测量电路实现了输出电压与待测位移的线性关系。为了消除电缆电容的影响，电容测头由双层屏蔽电缆分别接到运算驱动式测量电路的理想放大器的不同输入端，使电缆芯线与内屏蔽层同电位，从而消除了电缆芯线与内屏蔽层间的电容对测量的影响。这种技术措施就是所谓驱动电缆技术。为了减小园柱测头端面边缘电力线的弯曲所带来的非线性影响，在测头极板外面加一个保护环，它与极板电气绝缘，使它们同电位。在运算驱动式测量电路中，双层屏蔽电缆的内、外屏蔽层间的电缆电容和仪器的机壳大地与线路地之间的杂散电容之和相当于接在放大器的输出端与同相输入端之间，引入了寄生正反馈，从而限制了测量稳定性的进一步提高，测量精度的提高当然也受到了限制。在此测量电路中，线路地与机壳大地不能共地，使整机结构复杂。

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。如图2所示，其特征是如图1所示的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;测量电路中R₁、R₂、R₃、R₄满足下列关系：R₁R₄＝R₂R₃，R₁＝R₃＝R，R₂＝R₄＝nR，n为正整数的倒数，R为一确定的电阻值;在测量电路R₁支路接入隔直电容C₁或对测量讯号源频率起陷波作用的LC电路。

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：

化简整理后有：

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

调节C_p使C₂+C_P＝C₀且代入上式有：

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。