高精度電容測微系統電路設計研究范文

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摘要：

為了能夠進一步提高重力儀電容測微系統的測量精度與動態特性，本文對高精度電容測微系統相關電路設計進行了具體研究，而這一研究使得電容測微系統具備了更便利的操作性以及更強的數據處理、分析功能，由此就可以看出本文研究的可行性。

關鍵詞：

高精度電容位移傳感器；重力儀電容測微系統；電路設計

在我國當下的許多技術場合中，重力儀電容測微系統都發揮著非常重要的作用，這主要是由于重力儀電容測微系統具備的微小位移測試能力所致，而為了能夠進一步提高重力儀電容測微系統的測量精度，對高精度電容測微系統相關電路設計的研究，就有著很強的現實意義。

1重力儀電容測微系統概述

在當下的科學研究中，重力儀電容測微類儀器在資源勘探、軍事、大地測量與地球物理等領域都有著極為重要的應用，而其本身測量能力的實現，主要源于高精度電容位移傳感器，這一傳感器能夠對垂直懸掛的零長彈簧秤受重力變化而引起的長度微小位移進行測量，并將測量得到的位移信號轉換成電信號，這一電信號會通過一系列的放大、濾波、檢波等處理過程，通過外部輸出設備實現具體數值的顯示，這樣就能夠很好的支持相關科學研究的較好展開。在傳統的重力儀電容測微類儀器的電路設計中，采用運算放大器及二極管構成的模擬電路來產生穩幅振蕩激勵源是當下較為常見的電路設計模式，但這種電路設計模式存在著幅值穩定性不高，頻率穩定性也不夠等缺點，這就使得其不能夠較好的實現科學研究所需的高精度重力儀電容測微需要，而這種問題的出現則主要是由于穩幅振蕩器輸出的交流信號用于調幅載波、模擬電路的采用限制等電路設計所致，為了能夠較好的解決這一問題，本文選擇了直接數字合成(DDS)技術，這種先進的數字處理理論與方法，能夠較好的提高重力儀電容測微類儀器的測量精度，對于我國科學發展將起到不俗的輔助作用。

2高精度電容位移傳感器

由于科學研究中所使用的重力儀電容測微類儀器往往重力變化所引起的質量位移較小，而其對于精確與穩定性的要求則較高，一般來說其所能夠實現的位移分辨率為10-4μm，而為了能夠進一步提高重力儀電容測微類儀器的測量精度，就必須為提高這一儀器對垂直懸掛的零長彈簧秤長度的微小變化的分辨率，而本研究所使用的高精度電容位移傳感器，就能夠很好的實現這一要求。在高精度電容位移傳感器的應用中，其本身具備的靈敏度高、精度高、長期穩定性好、性能可靠等優點，能夠在對垂直懸掛的零長彈簧秤的測量中，較為精準的捕捉其位移，并通過電路系統將位移信號轉換成電信號，最終以模擬或數字的形式顯示、記錄和處理觀測數據。在這一高精度電容位移傳感器中，其本身由三塊金屬板組成，中間為活動板，兩邊為固定板，所以其也被稱為三片式差動位移傳感器。

3激勵信號源

在傳統的重力儀電容測微類儀器中，這類儀器一般會選擇文氏橋振蕩電路為其核心，這種核心的選擇也使得傳統的重力儀電容測微類儀器不能夠較好的對自身產生的信號頻率和相位進行調整，這自然就會對重力儀電容測微類儀器的測量精度造成影響。在本文所進行的研究中，筆者提出了一種交流差分激勵源來抑制噪聲干擾，提高力儀電容測微系統精度的方式，不過一般差分變壓器存在著體積較大的缺點，為此筆者選擇了AD4937差分放大器芯片，并在兩個差分輸出端分別加有一級由OP77構成的放大電路，圖1是這一差分激勵信號源電路的設計圖，由該圖我們就能夠看出這一設計圖所能夠實現的較高測量精度。

4數字相敏檢波器設計

在本文所研究的重力儀電容測微系統電路的設計中，相敏檢波器也是這一系統電路設計的重要組成部分，通過對開關型相敏檢波器與數字相敏檢波器的對比，筆者最終選擇了具備諧波抑制能力強、無直流漂移影響、對數據能進行后期處理等優點的數字相敏檢波器。而在數字相敏檢波器的設計中，筆者將這一設計重心放在了信號的幅值檢測及相位檢測方面。在這一數字相敏檢波器設計的實際電路中，由于電路傳輸相移的存在，這就使得電路相移一旦過大就很容易導致相位誤判問題的出現，最終影響這一高精度電容測微系統的測量精度，為此筆者采用了C8051F020這一8位及12位A/D轉換的單片機，其A/D最高采樣速率可達500ksps，這一特性使得其較好的杜絕了相位誤判問題發生的可能，并較好的保證了本文所研究的高精度電容測微系統本身的測量精度。

5結論

為了能夠實現高精度重力儀電容測微系統的相關電路設計，本文就高精度電容位移傳感器、激勵信號源與數字相敏檢波器的完成了具體的重力儀電容測微系統電路設計。在對這一高精度重力儀電容測微系統的反復測試中，我們得到了高對稱差分激勵源差分輸出對稱精度可達10-7這一測量結果，而數字相敏檢波器在線仿真結果精度也滿足了整個系統的需求，并增加了自動補償電路相移的功能，整個精度重力儀電容測微系統的檢測精度優于20μV，通過這一結果我們就可以看出本文進行的精度重力儀電容測微系統電路設計的可行性，希望這一研究能夠對我國高精度重力儀電容測微系統的相關發展帶來一定幫助。

參考文獻：

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作者:李文萍 單位:湖南工學院數理科學與能源工程學院