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摘要：

為了能夠進(jìn)一步提高重力儀電容測微系統(tǒng)的測量精度與動態(tài)特性，本文對高精度電容測微系統(tǒng)相關(guān)電路設(shè)計進(jìn)行了具體研究，而這一研究使得電容測微系統(tǒng)具備了更便利的操作性以及更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、分析功能，由此就可以看出本文研究的可行性。

關(guān)鍵詞：

高精度電容位移傳感器；重力儀電容測微系統(tǒng)；電路設(shè)計

在我國當(dāng)下的許多技術(shù)場合中，重力儀電容測微系統(tǒng)都發(fā)揮著非常重要的作用，這主要是由于重力儀電容測微系統(tǒng)具備的微小位移測試能力所致，而為了能夠進(jìn)一步提高重力儀電容測微系統(tǒng)的測量精度，對高精度電容測微系統(tǒng)相關(guān)電路設(shè)計的研究，就有著很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。

1重力儀電容測微系統(tǒng)概述

在當(dāng)下的科學(xué)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(lǐng)域都有著極為重要的應(yīng)用，而其本身測量能力的實現(xiàn)，主要源于高精度電容位移傳感器，這一傳感器能夠?qū)Υ怪睉覓斓牧汩L彈簧秤受重力變化而引起的長度微小位移進(jìn)行測量，并將測量得到的位移信號轉(zhuǎn)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(shè)備實現(xiàn)具體數(shù)值的顯示，這樣就能夠很好的支持相關(guān)科學(xué)研究的較好展開。在傳統(tǒng)的重力儀電容測微類儀器的電路設(shè)計中，采用運算放大器及二極管構(gòu)成的模擬電路來產(chǎn)生穩(wěn)幅振蕩激勵源是當(dāng)下較為常見的電路設(shè)計模式，但這種電路設(shè)計模式存在著幅值穩(wěn)定性不高，頻率穩(wěn)定性也不夠等缺點，這就使得其不能夠較好的實現(xiàn)科學(xué)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(xiàn)則主要是由于穩(wěn)幅振蕩器輸出的交流信號用于調(diào)幅載波、模擬電路的采用限制等電路設(shè)計所致，為了能夠較好的解決這一問題，本文選擇了直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)，這種先進(jìn)的數(shù)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(xué)發(fā)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(xué)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(zhì)量位移較小，而其對于精確與穩(wěn)定性的要求則較高，一般來說其所能夠?qū)崿F(xiàn)的位移分辨率為10-4μm，而為了能夠進(jìn)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(xiàn)這一要求。在高精度電容位移傳感器的應(yīng)用中，其本身具備的靈敏度高、精度高、長期穩(wěn)定性好、性能可靠等優(yōu)點，能夠在對垂直懸掛的零長彈簧秤的測量中，較為精準(zhǔn)的捕捉其位移，并通過電路系統(tǒng)將位移信號轉(zhuǎn)換成電信號，最終以模擬或數(shù)字的形式顯示、記錄和處理觀測數(shù)據(jù)。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(tǒng)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(tǒng)的重力儀電容測微類儀器不能夠較好的對自身產(chǎn)生的信號頻率和相位進(jìn)行調(diào)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(jìn)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(tǒng)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(gòu)成的放大電路，圖1是這一差分激勵信號源電路的設(shè)計圖，由該圖我們就能夠看出這一設(shè)計圖所能夠?qū)崿F(xiàn)的較高測量精度。

4數(shù)字相敏檢波器設(shè)計

在本文所研究的重力儀電容測微系統(tǒng)電路的設(shè)計中，相敏檢波器也是這一系統(tǒng)電路設(shè)計的重要組成部分，通過對開關(guān)型相敏檢波器與數(shù)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(qiáng)、無直流漂移影響、對數(shù)據(jù)能進(jìn)行后期處理等優(yōu)點的數(shù)字相敏檢波器。而在數(shù)字相敏檢波器的設(shè)計中，筆者將這一設(shè)計重心放在了信號的幅值檢測及相位檢測方面。在這一數(shù)字相敏檢波器設(shè)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(dǎo)致相位誤判問題的出現(xiàn)，最終影響這一高精度電容測微系統(tǒng)的測量精度，為此筆者采用了C8051F020這一8位及12位A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)，其A/D最高采樣速率可達(dá)500ksps，這一特性使得其較好的杜絕了相位誤判問題發(fā)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(tǒng)本身的測量精度。

5結(jié)論

為了能夠?qū)崿F(xiàn)高精度重力儀電容測微系統(tǒng)的相關(guān)電路設(shè)計，本文就高精度電容位移傳感器、激勵信號源與數(shù)字相敏檢波器的完成了具體的重力儀電容測微系統(tǒng)電路設(shè)計。在對這一高精度重力儀電容測微系統(tǒng)的反復(fù)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(dá)10-7這一測量結(jié)果，而數(shù)字相敏檢波器在線仿真結(jié)果精度也滿足了整個系統(tǒng)的需求，并增加了自動補(bǔ)償電路相移的功能，整個精度重力儀電容測微系統(tǒng)的檢測精度優(yōu)于20μV，通過這一結(jié)果我們就可以看出本文進(jìn)行的精度重力儀電容測微系統(tǒng)電路設(shè)計的可行性，希望這一研究能夠?qū)ξ覈呔戎亓x電容測微系統(tǒng)的相關(guān)發(fā)展帶來一定幫助。

參考文獻(xiàn)：

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作者:李文萍 單位:湖南工學(xué)院數(shù)理科學(xué)與能源工程學(xué)院