基于感应耦合比率臂的高精度位移测量系统

用国产低膨胀合金4J32或4J36加工制作的，材料的线膨胀系数分别为α≤1.2～1.5×10 -6/℃或1.8×10 -6/℃。各部件加工后进行热处理以消除余应力，传感器组装完成后还要作时效老化处理。陶瓷绝缘材料在使用前应仔细烘干，以提高极板间的绝缘强度，降低损耗。在设计精密小位移测量传感器时要尽量采用整体结构。涉及零件装配问题时，注意设计合适的紧固螺钉位置，以期将传感器结构的蠕变减至最小。需要组合的部件，其接触面应进行研磨，从而达到稳定可靠的接触状态。 基于感应耦合比率臂的测量仪器原理框图如图5所示。为降低系统的电气噪声，一千赫兹点频信号源具有稳频、稳幅的特性。检测单元中前置放大器应尽量靠近传感器，这可以有效地提高电桥线路的输出信号电平与信噪比。一般情况下，噪声与放大器带宽成正比，故放大电路的通频带应限制到尽可能窄的程度，相敏检波技术能够足够跟踪信号源激励频率，并且保持极低的通频带。关于这方面的问题，在此不再讨论。

    所设计的测量系统有一个五级的感应耦合比率部件，通过调节感应耦合比率臂各档的开关位置，能够使变压器电桥系统达到或者接近平衡状态，这样可以获得较高的测量精度。但是在科学测量及生产过程中，有时需要监测位移在某个量值附近的连续变化，或者需要

监测某种低频微幅振动，如若采用手动调节、平衡读数的方法，就不能满足要求了。将相敏检波器的输出经放大后接到数据采集器输入端，记录测量系统偏离平衡点的电压大小能够达到此目的，使用微动测量台架标定传感器，测值稳定，复杂性好，所获得的10号传感器位移标定曲线示如图6。图中的直线是线性拟合的结果。 拟合方程显示在图中上部的方框图。从实验结果可看出，一微米位移可获得变压器电桥读数，变化为127.02，输出特性的非性线误差小于0.15%F.S。比率臂第五档变化一个数对应的位移量根据传感器结构的不同，一般在5～8纳米之间，末级的数据采集器可获得300多毫伏的输出，从数据采集器便能够分辨出0.02纳米的变化。在实验室环境下，传感器测值随着温度的变化会产生极大的漂移，用标准元件来检查变压器电桥测量系统的温度系数与稳定性，所得结果见图7。在28小时的实验期间测值等效变化仅为0.1纳米，环境温度变化为3～4℃。作者还曾将差动电容式位移传感器放到100米深的钻井底部，那里温度的年变化不到0.03℃，整个位移测量系统用漂移率仅为0.1纳米。 本文讨论的设计方案多年以来一直被应用于研制各种地球科学观测仪器中，有的测量系统已经在观测台站工作近二十年，获得了非常有价值的资料。该设计方案在诸如微机械加工、次声监测和精密仪器系统的设计领域有广泛的应用前景。

《基于感应耦合比率臂的高精度位移测量系统(第3页)》