本实用新型专利技术公开了一种多自由度差分电容位移传感器标定装置，包括差分电容位移传感模块、激光干涉测距模块、温度控制模块和数据处理模块；所述差分电容位移传感模块包括机械敏感探头和差分电容传感电路；机械敏感探头包括动极板、多自由度微位移台、定极板和绝缘基座；激光干涉测距模块包括激光器、屏蔽框架和N个分布在平动自由度方向的干涉条纹单元；温度控制模块用来屏蔽外部环境温度扰动；干涉测距模块测量动极板相对于定极板的位移，差分电容位移传感模块输出电压信号，数据采集与处理系统对数据进行处理得到动极板平动自由度位移到差分电容位移传感模块输出电压的格值系数，从而精确评价量程在微米量级的高精度差分电容位移传感模块的分辨率水平。
【技术实现步骤摘要】
本技术属于高精度电容位移传感标定领域，更具体设及一种多自由度差分电 容位移传感器标定装置。
技术介绍
电容位移传感器作为一种传统非接触式传感器，主要应用于位移、角度、振动、加 速度、压力等方面测量。采用差分电容结构能大大提高传感器的分辨率水平，减小寄生电容 的影响，但是它作为一种相对测量传感器需要准确标定其格值系数后才能用于测量位移信 号，而传统机械标定方法与标定装置无法满足该种高分辨率和小量程的差分电容位移传感 模块的需求指标。 差分电容位移传感器是一种典型的高精度位移传感器，其基本原理是利用良好导 电体为动极板注入频率为10曲Z-100曲Z、幅值为0. 1V-100V的交流调制信号。动极板与定 极板形成多对差分电容，对与差分电容对应的输出电压信号进行共模得到与平动位移相关 的传感电压Vtt。。，差模得到与扭转位移相关的传感电压V"t(胡明，etal.基于八对差分电 容极板的静电悬浮加速度计的设计；大地测量与地球动力学，2012, 32巧）：154-159)。另有 美国专利详细讨论如何将该种类型的差分电容位移传感器应用于高精度静电悬浮加速度 计（AMBernardetal.Electrostaticaccelerometer,US4583404,1986)。 差分电容位移传感器的精度能直接影响高精度静电悬浮加速度计等精密仪器的 分辨率水平，该些精密仪器要求位移传感器的精度达到或者优于皮米量级，而此时位移传 感器量程将减小至微米量级甚至更低（V.J〇sselin，etal.Capacitivedetectionscheme forspaceaccelerometersapplication.SensorsandActuators，1999, 78:92-98)。利用 传统标定方法与标定装置将很难抑制寄生电容影响，准确标定该种类型高精度差分电容传 感器的格值系数。近些年来激光技术发展进入了一个崭新的时代，使用激光干设仪等方法 对包括探头在内的差分电容位移传感电路进行标定与校准，差分电容传感器格值系数准确 测量（段小艳etal.激光干设法微位移测量技术综述.计测技术，2012, 32化）：1-5)。激 光干设仪采用零差或者外差等原理实现微位移的测量心= /?!，其中A为激光波长，n为 干设条纹数。若使用633nm舰稳频激光器，其稳定性可达10^11。数据采集单元记录高精度 差分电容位移传感模块平动输出电压Vt"n，对数据组（Ax，VtfJ进行最小二乘拟合求取灵 敏度系数K。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种多自由度差分电容位移传感器标定装置，旨在解 决测量精度为皮米量级，量程为微米量级的高精度差分电容位移传感模块标定的技术问 题。 为了实现上述目的，本技术提供了一种多自由度差分电容位移传感器标定装 置，包括差分电容位移传感模块、激光干设测距模块、温度控制模块和数据处理模块；所述 差分电容位移传感模块包括机械敏感探头和差分电容传感电路；所述机械敏感探头包括动 极板、多自由度微位移台、定极板和绝缘基座；所述动极板通过所述绝缘基座固定在所述多 自由度微位移台上，所述动极板跟随所述微位移平台进行多自由度的平动；所述动极板与 所述定极板相互配合并构成多对差分电容；所述差分电容传感电路与所述动极板和所述定 极板连接，用于将动极板与定极板形成的差分电容转换为第一电压信号；所述激光干设测 距模块包括；激光器、屏蔽框架和N个分布在平动自由度方向的干设条纹单元；N为自由度 的个数，N为大于等于1且小于等于3 ;每一个干设条纹单元包括隔离透镜、分光镜、反射镜 和光电传感器；激光器发射的激光经过所述分光镜后被分成两束强度相等的光，一束光通 过隔离透镜透射至所述动极板的表面后反射回所述分光镜，并经所述分光镜再次反射后输 出第一光束；另一束经过反射镜反射回所述分光镜，并经所述分光镜透射后输出第二光束， 所述第一光束与所述第二光束发生干设后形成干设条纹；光电传感器用于将所述干设条纹 转换为第二电压信号；N个隔离透镜嵌入在所述屏蔽框架上，所述屏蔽框架用于抑制外部 电磁场噪声干扰；温度控制模块用于对多自由度差分电容位移传感器标定装置的工作环境 的温度进行控制，使得工作环境温度的波动小于0.ore;数据处理模块用于采集所述第一 电压信号和所述第二电压信号，并根据所述第二电压信号获得激光干设测距的位移Ax; 根据所述第一电压信号和所述位移获得动极板位移到第一电压信号的格值系数K。 该标定装置可W对高精度电容位移传感器的多个自由度格值系数同时进行精确 标定；其构成差分电容的机械敏感探头和高精度电容位移传感器采用一体化设计，调节方 便，能对皮米量级分辨率水平的位移传感器进行性能检测。 进一步优选地，所述动极板可W为立方体结构、可W为圆柱体结构或圆筒结构。当 动极板选用立方体时，能同时测量其相对定极板的多自由度位移信息；当动极板选用圆柱 体或圆筒时，动极板沿径向旋转的扰动不会影响输出电压信号。 进一步优选地，差分电容传感电路包括载波信号产生单元、W及依次连接的前置 运算放大单元、交流放大单元、解调单元和低通滤波单元；所述前置运算放大单元的输入端 用于连接所述定极板，所述低通滤波单元的输出端用于连接所述数据处理模块；所述载波 信号产生单元的输出端用于连接所述动极板，并为所述动极板提供频率为10曲Z-100曲Z、 幅值为0. 1V-100V的交流调制信号。 进一步优选地，动极板、所述隔离透镜、所述分光镜和所述激光器的中屯、均设置在 同一条直线上。该样方便对它们的相对位置进行微调，形成高质量的干设条纹信号。 本申请能够极大减小寄生电容影响，直接对测量精度在皮米量级，量程在微米量 级的高精度电容位移传感模块进行多自由度格值系数标定。 本技术与现有技术比较，具有W下优点和效果： (1) 一般装置对电容传感器进行标定，其格值系数极易受到对地寄生电容的影响， 该标定装置通过差分机械敏感探头结构能极大减小寄生电容的影响，该为分辨率水平高达 皮米量级的差分电容位移传感器提供了一种准确的格值系数标定方法； (2)通过激光干设测距模块能够同时测量动极板相对定极板各个自由度的位移信 息，因此该标定装置能同时实现差分电容位移传感器的多自由度格值系数标定； (3)机械敏感探头采用低温度系数、高稳定性材料并包含在屏蔽框架内，且温度控 制系统能为标定过程提供一个0.ore的恒温环境，因此利用该装置进行灵敏度系数标定重 复度高、稳定性好、受外部环境干扰小。 (4)该装置能够灵活适应不同结构的机械敏感探头，不仅仅适用于标定立方体式 差分电容，也适用于圆柱体、圆筒、球体等类型的差分电容。【附图说明】 图1是本技术实施例提供的多自由度差分电容传感器标定装置的结构示意 图； 图2是本技术实施例提供的机械敏感探头的结构示意图，其中（a)为立方体 结构的机械敏感探头的结构示意图；化）为圆柱体结构的机械敏感探头的结构示意图； 图3是本技术实施例提供的差分电容传感电路的结构示意图； 图4是本技术实施例提供的光电传感器转换器的结构示意图； 图5是本技术实施例提供的温度控制模块的结构示意图。【具体实施方式】 为了使本技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多自由度差分电容位移传感器标定装置，其特征在于，包括差分电容位移传感模块、激光干涉测距模块、温度控制模块(13)和数据处理模块(12)；所述差分电容位移传感模块包括机械敏感探头和差分电容传感电路(11)；所述机械敏感探头包括动极板(1)、多自由度微位移台(2)、定极板(3)和绝缘基座(4)；所述动极板(1)通过所述绝缘基座(4)固定在所述多自由度微位移台(2)上，所述动极板(1)跟随所述微位移平台(2)进行多自由度的平动；所述动极板(1)与所述定极板(3)相互配合并构成多对差分电容；所述差分电容传感电路(11)与所述动极板(1)和所述定极板(3)连接，用于将动极板与定极板形成的差分电容转换为第一电压信号；所述激光干涉测距模块包括：激光器(10)、屏蔽框架(6)和N个分布在平动自由度方向的干涉条纹单元；N为自由度的个数，N为大于等于1且小于等于3；每一个干涉条纹单元包括隔离透镜(5)、分光镜(7)、反射镜(8)和光电传感器(9)；激光器(10)发射的激光经过所述分光镜(7)后被分成两束强度相等的光，一束光通过隔离透镜(5)透射至所述动极板(1)的表面后反射回所述分光镜(7)，并经所述分光镜(7)再次反射后输出第一光束；另一束经过反射镜(8)反射回所述分光镜(7)，并经所述分光镜(7)透射后输出第二光束，所述第一光束与所述第二光束发生干涉后形成干涉条纹；光电传感器(9)用于将所述干涉条纹转换为第二电压信号；N个隔离透镜(5)嵌入在所述屏蔽框架(6)上，所述屏蔽框架(6)用于抑制外部电磁场噪声干扰；所述温度控制模块(13)对多自由度差分电容位移传感器标定装置的工作环境的温度进行控制，使得工作环境温度的波动小于0.01℃；所述数据处理模块(12)采集所述第一电压信号和所述第二电压信号，并根据所述第二电压信号获得激光干涉测距的位移Δx；根据所述第一电压信号和所述位移获得动极板位移到第一电压信号的格值系数K。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：胡明，钟敏，田蔚，涂海波，
申请(专利权)人：中国科学院测量与地球物理研究所，
类型：新型
国别省市：湖北;42
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