中心議題：

• 討論比率測量法的優(yōu)點(diǎn)
• 介紹運(yùn)用感應(yīng)耦合比率臂和差動式電容位移傳感器設(shè)計的高精度微小位移測量系統(tǒng)
• 給出了一種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計例子和主要的測試結(jié)果

解決方案：

• 采用比率測量法，減小誤差
• 測量電容量的變動，確定物體位移的大小
• 采用差動式結(jié)構(gòu)，提高輸出靈敏度，減小非線性
• 用感應(yīng)耦合比率臂來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量傳感器相應(yīng)的位移

各種物理量（如溫度、壓力、位移、振動、速度、流量與扭矩）或者是濃度、酸堿度等化學(xué)量，一般都需要用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鲗⑵滢D(zhuǎn)換為電學(xué)量后才便于檢測和控制。常用的電氣測量方法有很多種，依據(jù)測量誤差與測量方法相關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，可以將現(xiàn)有的各種測量方法分為如下三大類：
    （1）直接測量法：直接測量未知量的數(shù)值；
    （2）差值測量法：測量未知量與已知量之差，間接獲得被測量的值；
    （3）比率測量法：測量未知量與已知量之比值，間接獲得被測量的值。

測量的過程就是要在未知量和已知量間建立起一定的關(guān)系，最后獲得被測量的大小。在采用上述不同的測量方法時，測量裝置和過程引入的誤差是不一樣的。如在直接測量法中，因?yàn)闇y量時間與環(huán)境的變化會引入一個系統(tǒng)誤差；而采用差值測量法時，由于兩個被比較的元件的外界條件相同，檢測它們的差值可在很大程度上消除上述系統(tǒng)誤差，尤其是利用零偏法時，差值測量可以獲得相當(dāng)精確的結(jié)果，不過所測得的兩個量之差值仍隨著外部條件的變動而變化。采用比率測量法能夠顯著減小在一級近似下被測量中依賴于外界條件以乘積因子形式出現(xiàn)的誤差項(xiàng)，從而具有優(yōu)于差值測量法的抗干擾性能。

比率測量法
一個物理量f，其值取決于外界因素如t(溫度)、u（電壓）……等，其一階展開式為：
    
為簡化數(shù)學(xué)運(yùn)算，只考慮存在一個干擾因素的情況，參考量f1與被測量f2可以分別寫作：f1=f01(1+β1Δt)和 且有β1Δt<<1，β2Δt<<1。容易求出在上述三種方法中的相對測量誤差各為：
     
     
 圖1表示取L=1.5時相對誤差隨元件值的分布情況?？梢钥闯?，比率測量法在很寬的測量范圍內(nèi)均具有良好的抗干擾能力。當(dāng)存在多個影響因素或者在分析由上述方法組合成的測量裝置時，可根據(jù)疊加原理按系統(tǒng)誤差的理論綜合評定其精度。
 

電容位移傳感器與比率測量
電容式微小位移測量系統(tǒng)是近年來發(fā)展最快的位移測量技術(shù)之一。眾所周知，用兩塊平行的金屬板就可以構(gòu)成一個電容位移傳感器，其電容量由極板的相對有效面積、極板間距以及填充的介質(zhì)特性所決定。只要被測物體位置的移動改變了電容器上述任何一個結(jié)構(gòu)參數(shù)，傳感器的電容量就會發(fā)生變化，通過測量電容量的變動即可精確地知道物體位移的大小。

電容位移傳感器的三種基本類型如圖2所示。其具體結(jié)構(gòu)可視實(shí)際運(yùn)用的場合靈活多變，電容極板可以是平面的或者球面的；運(yùn)動電極可以采用水銀等導(dǎo)電液體。圖2所示的三種基本類型均可組成差動式結(jié)構(gòu)，如各分類中下部圖形所示。采用差動式結(jié)構(gòu)能夠提高傳感器線路的輸出靈敏度，減小非線性，還能在一定程度上抑制由靜電吸引帶來的誤差。當(dāng)要求測量系統(tǒng)具有很高的分辨力時，一般是保持極板面積相對固定而使電容傳感器極板間隙隨被測位移改變，即如圖2（a）所示的結(jié)構(gòu)。反之，采用保持間隙恒定而讓極板相對面積可變的結(jié)構(gòu)，則可以在相當(dāng)大的動態(tài)范圍內(nèi)獲得線性的響應(yīng)[1]。
 

一般情況下，電阻、電感和電容等電子元件均被看作雙端元件。兩端電容器的等效電路示如圖3（a）。由于各端鈕對附近導(dǎo)電物體的分布電容C1G、C2G是變化的， 如果電容式位移傳感器設(shè)計成這種簡單的結(jié)構(gòu)，外界干擾會很大。為了消除上述分布參數(shù)的影響，必須對電容傳感器進(jìn)行完善的靜電屏蔽，形成如圖3（b）的結(jié)構(gòu)，稱之為三端電容器。這樣的三端電容元件中，由極板形成的直接電容C12是確定的，但是C13、C23仍受引線芯屏間電容的影響。如何排除三端電容中分布參數(shù)的影響？怎樣準(zhǔn)確測量與位移相關(guān)的直接電容的大小呢？

上世紀(jì)五十年代在電工學(xué)和計量學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新型的電壓比率器件——感應(yīng)耦合比率臂，它的突出特點(diǎn)是分壓精度高，可達(dá)10-8量級以上；輸出阻抗低，能做到10mΩ以下；長期穩(wěn)定性非常好，年漂移率保持在10-9的水平。其后，感應(yīng)分壓器的理論與工藝日臻完善，極大地提高了電工測量和標(biāo)準(zhǔn)計量的精度，實(shí)現(xiàn)了對小電容的高精度測量，進(jìn)而以計算電容與感應(yīng)分壓器為基準(zhǔn)導(dǎo)出了電阻、電感等的計量標(biāo)準(zhǔn)[2]。這一成就也對精密測量領(lǐng)域產(chǎn)生了積極的推動作用。

如果將兩個三端電容串接起來，分別用兩個信號源供電，就形成了如圖4所示的等效電路，其中，Y12=jωC12，Y′12=jωC′12。在公共點(diǎn)D與接地端之間連接一個檢流計，調(diào)節(jié)兩個外加電壓的幅值和相位，使通過兩個直接電容流向D點(diǎn)的電流大小相等、方向相反，直道檢流計指零，便可得到下面的關(guān)系式：
  

可見，只要知道了兩個電壓之比也就知道了兩個三端電容的直接電容之比，于是就可以準(zhǔn)確測量傳感器相應(yīng)的位移。兩個電壓源如果用感應(yīng)耦合比率臂來實(shí)現(xiàn)，端鈕對屏蔽的導(dǎo)納對測量結(jié)果將沒有明顯的影響，因?yàn)閅23、Y′23在電路不平衡時只影響靈敏度，而當(dāng)線路達(dá)到平衡狀態(tài)時就沒有影響了。至于Y13、Y′13引起的分壓誤差，則可以得到極大的降低，只要信號源的內(nèi)阻足夠小即可。如前所述，感應(yīng)耦合比率臂正好具有這一優(yōu)良特性。

現(xiàn)以設(shè)計一個測量微小位移的系統(tǒng)為例來說明上述測量方法的應(yīng)用。首先，用高導(dǎo)磁率環(huán)形鐵芯繞制出感應(yīng)耦合比率臂，再設(shè)計適當(dāng)?shù)目勺冮g距三電極差動式電容位移傳感器的結(jié)構(gòu)，并采用比率測量線路，就有如圖5所示的微位移測量系統(tǒng)原理框圖。對雙極板電容傳感器，不考慮電場的邊緣效應(yīng)，兩個直接電容為：C12= 不失一般性，對兩個差動電容器可假定極板相對面積相等，即A1=A2=A（cm2）。極板間介質(zhì)的介電常數(shù)也有ε1=ε2=ε（譬如均為空氣）。d1、d2(cm)分別為兩傳感器的極板間距。N1、N2系感應(yīng)分壓器兩部分電壓對應(yīng)的匝數(shù)，N1+N2=N0。將兩個電容表示式代入（5）式，可得：
    d1=KN1                                            （6）
    d2=K(N0-N1)                                       （7）

式中，K=（d1+d2）/N1+N2為測量系統(tǒng)的靈敏度系數(shù)，表示比率臂單位讀數(shù)變化所對應(yīng)的傳感器中心電極的位移?，F(xiàn)估算一下這個測量系統(tǒng)可能達(dá)到的指標(biāo)。感應(yīng)耦合比率臂的總的分壓比不難做到1/N0=10-7，兩個傳感器極板間距之和是個常量，取d1+d2=1mm，則位移靈敏度系數(shù)K=10-8cm，只有0.1納米。N1為儀器面板上的讀數(shù)，其變化范圍為從0到N0。    
 
 

從最后獲得的極板位移與比率變壓器讀數(shù)的關(guān)系式（6）可知，讀數(shù)隨中心電極的位移呈線性變化。實(shí)際完成的系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)的不完善性，在接近量程的兩端會出現(xiàn)一定程度的非線性，如果采取等電位屏蔽等措施，可以把輸出特性的非線性降低到可以忽略的程度?？梢?，將差動式電容位移傳感器與比率測量方法結(jié)合起來，設(shè)計的測量系統(tǒng)既有很高的分辨能力及較強(qiáng)的抗干擾能力，也能夠獲得很好的線性響應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
在設(shè)計之初，一般要考慮下述幾個方面的問題：量程、靈敏度、精度與校準(zhǔn)、線性、長期穩(wěn)定性、頻率響應(yīng)與環(huán)境變化的影響系數(shù)等。結(jié)合地球科學(xué)觀測的需要，按照第三節(jié)中提出的設(shè)計方案研制了不同用途的多種測量系統(tǒng)。譬如研制了一個位移測量系統(tǒng)，量程為±0.3毫米，分辨力可達(dá)0.02納米，輸出線性度優(yōu)于0.5%，系統(tǒng)穩(wěn)定度好于0.1納米/日。下面簡要介紹傳感器與測量儀器的設(shè)計和構(gòu)成以及主要的測試結(jié)果。

首先選擇合適的材料。除彈簧片與絕緣材料外，電容位移傳感器的所有部件均是用國產(chǎn)低膨脹合金4J32或4J36加工制作的，材料的線膨脹系數(shù)分別為α≤1.2～1.5×10-6/℃或1.8×10-6/℃。各部件加工后進(jìn)行了熱處理以消除殘余應(yīng)力，傳感器組裝完成后還要作時效老化處理。陶瓷絕緣材料在使用前應(yīng)仔細(xì)烘干，以提高極板間的絕緣強(qiáng)度，降低損耗。在設(shè)計精密小位移測量傳感器時要盡量采用整體結(jié)構(gòu)。涉及零件裝配問題時，注意設(shè)計合適的緊固螺釘位置，以期將傳感器結(jié)構(gòu)的蠕變減至最小。需要組合的部件，其接觸面應(yīng)進(jìn)行研磨，從而達(dá)到穩(wěn)定可靠的接觸狀態(tài)。

基于感應(yīng)耦合比率臂的測量儀器原理框圖如圖5所示。為降低系統(tǒng)的電氣噪聲，一千赫茲點(diǎn)頻信號源具有穩(wěn)頻、穩(wěn)幅的特性。檢測單元中前置放大器應(yīng)盡量靠近傳感器，這可以有效地提高電橋線路的輸出信號電平與信噪比。一般情況下，噪聲與放大器帶寬成正比，故放大電路的通頻帶應(yīng)限制到盡可能窄的程度，相敏檢波技術(shù)能夠跟蹤信號源激勵頻率，并且保持極低的通頻帶。關(guān)于這方面的問題，在此不再討論。

所設(shè)計的測量系統(tǒng)有一個五級的感應(yīng)耦合比率部件，通過調(diào)節(jié)感應(yīng)耦合比率臂各檔的開關(guān)位置，能夠使變壓器電橋系統(tǒng)達(dá)到或者接近平衡狀態(tài)，這樣可以獲得較高的測量精度。但是在科學(xué)測量及生產(chǎn)過程中，有時需要監(jiān)測位移在某個量值附近的連續(xù)變化，或者需要監(jiān)測某種低頻微幅振動，如若采用手動調(diào)節(jié)、平衡讀數(shù)的方法，就不能滿足要求了。將相敏檢波器的輸出經(jīng)放大后接到數(shù)據(jù)采集器輸入端，記錄測量系統(tǒng)偏離平衡點(diǎn)的電壓大小能夠達(dá)到此目的。使用微動測量臺架標(biāo)定傳感器，測值穩(wěn)定，重復(fù)性好，所獲得的10號傳感器位移標(biāo)定曲線示如圖6。圖中的直線是線性擬合的結(jié)果。
 
 

擬合方程顯示在圖中上部的方框里。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，一微米位移可獲得變壓器電橋讀數(shù)，變化為127.02，輸出特性的非線性誤差小于0.15%F.S.。比率臂第五檔變化一個數(shù)對應(yīng)的位移量根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)的不同，一般在5～8納米之間，末級的數(shù)據(jù)采集器可獲得300多毫伏的輸出，從數(shù)據(jù)采集器便能夠分辨出0.02納米的變化。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，傳感器測值隨著溫度的變化會產(chǎn)生極大的漂移，用標(biāo)準(zhǔn)元件來檢查變壓器電橋測量系統(tǒng)的溫度系數(shù)與穩(wěn)定性，所得結(jié)果見圖7。在28小時的實(shí)驗(yàn)期間測值等效變化僅為0.1納米，環(huán)境溫度變化為3～4℃。作者還曾將差動電容式位移傳感器放到100米深的鉆井底部，那里溫度的年變化不到0.03℃，整個位移測量系統(tǒng)月漂 移率僅為0.1納米[3]。

本文討論的設(shè)計方案多年以來一直被應(yīng)用于研制各種地球科學(xué)觀測儀器中，有的測量系統(tǒng)已經(jīng)在觀測臺站工作近二十年，獲得了非常有價值的資料。該設(shè)計方案在諸如微機(jī)械加工、次聲監(jiān)測和精密儀器系統(tǒng)的設(shè)計等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。