CN109341744A - 一种变面积式位移电容的检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种变面积式位移电容检测装置，包括：变面积式位移电容检测结构、驱动电压模块和电荷放大器；变面积式位移电容检测结构包括：检测电容和移动块；驱动电压模块产生用于位移电容检测的正负驱动载波且分别加载在所述检测电容上；电荷放大器包括：反馈电容、反馈电阻和运算放大器，电荷放大器用于将微小位移引起的差分电容变化与反馈电容作比并转化为电压信号；当对外界位移进行检测时，检测方向上的位移使检测电容的正对面积发生改变，从而使检测电容的大小发生变化，通过对由于面积变化产生的电容变化进行检测，实现位移检测的目的；消除了动定极板间距变化对差分电容的影响，提高了位移电容检测精度。

Description

一种变面积式位移电容的检测装置
技术领域
本发明属于位移测量领域，更具体地，涉及一种变面积式位移电容的检测装置。
背景技术
变面积式位移电容检测是位移检测的一种方式，在惯性传感、位移测量领域具有重要意义。电容式位移检测是利用检测平行极板电容的大小来对位移的变化进行检测的一种方式，按照平行极板电容的定义ε为极板间介质的介电常数，A为极板的正对面积，d为极板间间距。一般而言，电容极板间介质介电常数是不变的，因此电容检测方式可以分为两类：一类是变面积式位移电容检测，一类是变间距式位移电容检测。这两种检测方式依据自身特点在应用领域也各有侧重，对于变面积式位移电容检测，主要检测由于两电容极板正对面积的变化带来的差分电容的大小来对位移进行检测，排布的电容极板越多灵敏度就越高，而MEMS工艺可以在很小的尺度范围内在硅片上进行加工，可以对电容极板进行小型化、高密度式制作，因此变面积式位移电容检测主要用于MEMS领域；对于变间距式位移电容检测，主要检测由于电容极板间距变化造成的电容变化，不需要利用微机械技术在微尺度上进行加工，但需要高精度的装配，因此主要应用于传统机械加工领域。
基于变面积式位移电容检测装置的应用典型有英国帝国理工大学Pike等人研发的MEMS火星微震仪，其基本原理就是变面积式位移电容检测，所采用的方式是利用MEMS工艺在硅片上进行复杂加工而成，它体积小，灵敏度高，噪声分辨率达到
基于变间距式位移电容检测方式的应用代表有Guralp公司的CMG-5U等系列加速度计，通过高精度机械加工，设计装配而成，具有量程大、噪声水平低等特点，据其官方资料量程可达±2g，噪声为
当对外界进行位移或加速度检测时，检测方向上的位移或加速度使移动块与外框架(固定)发生相对位移x，相应的固定在移动块上的动极板与固定在外框上的电容定极板也产生相对位移x，从而产生电容极板正对面积的变化。在此过程中由面积变化产生的两电容的表达式可以表示为：
与
此时差分电容的大小可以表示为：其中ε为极板间介质的介电常数，C0为平衡状态下电容极板正对时的电容值，a为电容极板的宽度，b为两定极板之间的间距，l为电容极板的长度。由公式可以看出差分电容会随着动定极板正对面积及两极板的间距变化而变化。为了保证位移测量的准确性需要将其中关于间距的影响消去或者最小化。差分电容信号经过电荷放大器进行转换过程中，由于在带宽范围内反馈电阻的阻抗Rf远大于反馈电容的阻抗所以经过电荷放大器后的电压输出可以表示为：
由公式可以看出若间距d发生变化，则会对电压输出有直接影响。当d不变时，若Vp，l，Cf的值固定，电荷放大器输出V0与位移x成正比，通过对V0的测量可以推得位移x的大小，达到位移检测的目的。然而在实际过程中，间距d会因机械结构的不稳定及交叉抑制比太低而发生变化，最终影响位移检测的精度，因此需要将其中关于间距的因素消去来提高位移检测的精度。
发明内容
针对现有位移电容检测的不足，本发明提供了一种变面积式位移电容检测装置，旨在解决现有技术中电容极板间距变化对电容检测带来了影响导致位移的检测精度不高的问题。
本发明提供了一种变面积式位移电容的检测装置，包括：变面积式位移电容检测结构、驱动电压模块和电荷放大器；所述变面积式位移电容检测结构包括：检测电容和移动块；驱动电压模块产生用于位移电容检测的正负驱动载波且分别加载在所述检测电容上；电荷放大器包括：反馈电容、反馈电阻和运算放大器，运算放大器的正向输入端接地，运算放大器的反向输入端连接至反馈电容的一端，运算放大器的反向输入端还通过反馈电阻连接至运算放大器的输出端，反馈电容的另一端连接至运算放大器的输出端，电荷放大器用于将微小位移引起的差分电容变化与反馈电容作比并转化为电压信号；当对外界位移进行检测时，检测方向上的位移使检测电容的正对面积发生改变，从而使检测电容的大小发生变化，通过对由于面积变化产生的电容变化进行检测，实现位移检测的目的。
其中，变面积式位移电容检测结构还包括：外框架，所述检测电容固定在所述外框架上。
更进一步地，反馈电容以动极板和定极板的形式设置在移动块上，且在量程范围内运动时始终保持极板的正对面积不变。
更进一步地，反馈电容中定极板设置在所述外框架上，所述反馈电容中动极板设置在移动块上，且在初始位置时所述反馈电容中动极板与定极板处于同一条中垂线上。
其中，反馈电容中定极板的长度大于动极板的长度。
在本发明实施例中，电荷放大器的反馈电容是以电容极板的形式制作在结构中，运动过程中极板正对面积保持不变，反馈电容的变化只与动定极板的间距变化有关。电荷放大器将差分电容与反馈电容作比，将在位移检测过程中由于非检测方向上位移带来的间距因素消去，从而消除了运动过程中间距变化对电容检测的影响。
更进一步地，移动块与外框架连接。
其中，移动块可以与外框架之间通过弹簧或滑动杆连接。也可以通过其他滑动形式与外框架进行连接，当对外界位移进行检测时，检测方向上的位移使检测电容的正对面积发生改变，从而使检测电容的大小发生变化，通过对由于面积变化产生的电容变化进行检测，可以达到位移检测的目的。
更进一步地，检测电容包括：第一定极板、第二定极板和动极板；所述第一定极板、第二定极板以平行且交错的等间距阵列形式设置，所述动极板设置在移动块上，且与所述第一定极板、所述第二定极板成对称的错位状排布，动极板与所述第一定极板组成第一电容，所述动极板与所述第二定极板组成第二电容，所述第一电容和所述第二电容构成差分电容。
在本发明实施例中，电容极板可以通过溅射沉积或者机械加工制成；可以做成单个或多个成阵列式排布来使差分电容信号得到放大。
本发明还提供了一种加速度计，包括：机械表头部分和电路部分；机械表头部分的电容检测为上述的变面积式位移电容的检测装置；当加速度计的敏感轴方向感受到外界加速度a时，内部的检验质量块与外框架产生相对位移x，使得动定极板的正对面积发生改变，引起电容的变化ΔC，通过对变化电容ΔC的测量实现对加速度的测量，将差分电容信号放大的过程中，电荷放大器将差分电容与反馈电容作比，将其中对电容检测有影响的间距因素消去，降低了非敏感轴方向的加速度对电容检测的影响，提高加速度检测的精度与交叉抑制比。
其中，电路部分采用调制解调技术将想要的信号调制在高频载波附近，利用带通滤波将低频噪声和其他高频噪声滤去，再通过解调技术将我们想要信号解调出来，这样可以有效避免低频噪声和高频噪声带来的影响，提高信噪比。
本发明将电荷放大器中的反馈电容以极板的形式制作在位移电容检测结构中，且反馈电容两极板的长度满足在量程范围内运动时始终保持正对面积不变，这样反馈电容的大小只与两电容极板间的间距变化有关，而且在运动过程中反馈电容的极板间距变化与检测极板的间距变化相同，这样在经过电荷放大器转化为电压的过程中，能够将其中的间距因素消去，有效避免了由于电容极板间距变化对电容检测带来的影响，提高了电容检测的精度，最终实现位移的精确测量，同时不增加额外工艺，使结构尽量简单。
附图说明
图1是采用本发明的变面积式位移电容检测结构示意图；
图2是间距变化对变面积式位移电容检测结构影响的示意图；
图3是一种加速度计3D示意图及其对应的剖面图；
在所有附图中，X轴为水平敏感轴方向，y轴表示水平摆轴方向，Z轴表示垂直水平面方向。相同的附图标记用来表示相同的原件或结构，其中：1为驱动电压模块，2为外框架，31为第一定极板，32为第二定极板，4为动极板，5为移动块，6为反馈电容，7为反馈电阻，8为运算放大器，9为滑动杆或弹簧结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
从以上的分析可以看出，已有的电容-位移检测方式容易受到间距变化带来的影响，会影响我们的检测精度，带来误差。为了消去间距变化的影响，本发明将反馈电容以极板的形式设计在结构中时，使反馈电容的值为：
其中Af为反馈电容在极板中的正对面积且在运动过程中保持不变，并且此时反馈电容的大小只与间距有关，因此通过电荷放大器将差分电容ΔC与反馈电容Cf作比后得到的输出表达式为：
由最终的输出电压表达式可以看出，其中的间距因素会被消去，提高了位移电容检测的精度。
本发明提供的变面积式位移电容检测装置包括：驱动电压模块1、外框架2、第一定极板31、第二定极板32、动极板4、移动块5、反馈电容6、反馈电阻7、运算放大器8、滑动杆或弹簧结构9；驱动电压模块1产生用于位移电容检测的正负驱动载波，分别加载在所述第一定极板31、第二定极板32上；第一定极板31、第二定极板32以平行且交错的等间距阵列形式固定在外框架2上，与外框架2固联。
作为本发明的一个实施例，动、定极板可以通过溅射沉积或者机械加工而成；可以做成单个或多个成阵列式排布来使差分电容信号得到放大。
动极板4制作在移动块5上，且与所述第一定极板31、第二定极板32的间距成正对状排布，与所述第一定极板31、第二定极板32组成差分电容。
电荷放大器包括：反馈电容6、反馈电阻7、运算放大器8，反馈电容6、反馈电阻7以并联形式与运算放大器8进行连接。反馈电容6以动定极板的形式制作在外框架2和移动块5上，移动块5通过滑动杆或弹簧结构9与外框架2连接在一起。电荷放大器用于将微小位移引起的差分电容变化与反馈电容作比并转化为电压信号，反馈电容以动定极板的形式制作在变面积式位移电容检测结构中，反馈电容的大小决定着我们电荷放大器的放大倍数，因此两极板的长度关系需要根据具体条件具体分析，但可以确定的是在量程范围内运动时始终保持极板的正对面积不变，只与间距的变化有关，通过导线与反馈电阻以并联形式连接。
电荷放大器将差分电容与反馈电容作比，将在位移检测过程中由于非检测方向上位移带来的对电容检测有影响的间距因素消去，从而消除了运动过程中间距变化对电容检测的影响。
在本发明实施例中，反馈电容6以动定极板的形式制作在外框架2和移动块5上，且在量程范围内运动时始终保持极板的正对面积不变，电荷放大器将差分电容与反馈电容作比，将其中对电容有影响的间距的因素消去，从而保证了电容检测的精度。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的变面积式位移电容检测，现结合附图以及具体实例详述如下：
本发明实施例提供了一种变面积式位移电容检测装置的结构如图1所示；包括：驱动电压模块1、外框架2、第一定极板31、第二定极板32、动极板4、移动块5、反馈电容6、反馈电阻7、运算放大器8、滑动杆或弹簧结构9。驱动电压模块1产生正负反向的两路载波加载在对应的第一定极板31、第二定极板32上，动极板4连接在运算放大器8的负相端，将差分电容信号接入运算放大器中。反馈电容6以极板的形式制作在外框架2和移动块5上，通过连线与反馈电阻7并联，移动块5通过滑动杆或弹簧结构9与外框架2连接在一起。x轴为水平检测方向，y轴表示水平摆轴方向，z轴表示垂直水平面方向。
驱动电压模块1用于产生特定频率的正负驱动载波，加载在第一定极板31、第二定极板32上。
外框架2为变面积式位移电容检测的外框架，用于保护整个结构及承载第一定极板31、第二定极板32的作用。
动极板4与第一定极板31、第二定极板32组成差分电容，与移动块5制作在一起，当动极板与外框架发生相对位移时，动定极板的正对面积就会发生改变，会产生差分电容信号，通过对差分电容信号进行检测可以达到位移检测的目的。
反馈电容6以电容极板的形式制作在变面积式位移电容检测结构中，当没有外界加速度输入时，动极板与定极板处于同一条中垂线上，当有外界加速度输入只引起敏感轴方向的振动时，由于极板的长度满足在量程范围内振动时始终保持正对面积不变，因此反馈电容的大小保持不变，当非敏感轴方向的加速度引起极板间距变化时，由于检测电容极板和反馈电容极板同时检测到间距变化，经过电荷放大器将电容的变化转化为电压的过程中能够将检测到的间距变化消去，只剩下敏感轴方向上的位移带来的电容变化，从而提高了位移检测精度。
所述运算放大器8与反馈电容6和反馈电阻7组成电荷放大器，在运算过程中将反馈电容6与差分电容作比，使得对电容检测有影响的间距因素消去。
在第一实施例的基础上，将反馈电容以极板的形式制作在加速度计的机械表头部分，可以达到消除间距对电容检测的影响，提高加速度计位移电容检测的精度及交叉抑制比。
本发明还提供了一种加速度计，包括：机械表头部分和电路部分；机械表头部分的电容检测方式为上述的变面积式位移电容检测，即反馈电容以极板的形式制作在机械表头结构中。当加速度计的敏感轴方向感受到外界加速度a时，内部的检验质量块会与外框架产生相对位移x，使得动定极板的正对面积发生改变，引起电容的变化ΔC，通过对变化电容ΔC的检测可以达到测量加速度a的目的，在将差分电容信号放大的过程中，电荷放大器将差分电容与反馈电容作比，将其中对电容检测有影响的间距因素消去，降低了非敏感轴方向的加速度对电容检测的影响，提高加速度检测的精度与交叉抑制比。电路部分采用的是调制解调技术，通过调制技术将我们想要的信号调制在高频载波附近，利用带通滤波等手段将低频噪声和其他高频噪声滤去，之后在通过解调技术将我们想要信号解调出来，这样可以有效避免低频噪声和高频噪声带来的影响，提高信噪比。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变面积式位移电容的检测装置，其特征在于，包括：变面积式位移电容检测结构、驱动电压模块和电荷放大器；
所述变面积式位移电容检测结构包括：检测电容和移动块(5)；
所述驱动电压模块产生用于位移电容检测的正负驱动载波且分别加载在所述检测电容上；
所述电荷放大器包括：反馈电容(6)、反馈电阻(7)和运算放大器(8)，所述运算放大器(8)的正向输入端接地，所述运算放大器(8)的反向输入端连接至所述反馈电容(6)的一端，所述运算放大器(8)的反向输入端还通过所述反馈电阻(7)连接至所述运算放大器(8)的输出端，所述反馈电容(6)的另一端连接至所述运算放大器(8)的输出端，所述电荷放大器用于将微小位移引起的差分电容变化与反馈电容作比并转化为电压信号；当对外界位移进行检测时，检测方向上的位移使检测电容的正对面积发生改变，从而使检测电容的大小发生变化，通过对由于面积变化产生的电容变化进行检测，实现位移检测的目的。
2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述变面积式位移电容检测结构还包括：外框架，所述检测电容固定在所述外框架上。
3.如权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于，所述反馈电容以动极板和定极板的形式设置在所述移动块(5)上，且在量程范围内运动时始终保持极板的正对面积不变。
4.如权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述反馈电容中定极板设置在所述外框架上，所述反馈电容中动极板设置在所述移动块(5)上，且在初始位置时所述反馈电容中动极板与定极板处于同一条中垂线上。
5.如权利要求3或4所述的检测装置，其特征在于，所述反馈电容中定极板的长度大于动极板的长度。
6.如权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述移动块(5)与所述外框架连接。
7.如权利要求6所述的移动块检测装置，其特征在于，所述移动块(5)与所述外框架之间通过弹簧或滑动杆连接。
8.如权利要求1-7任一项所述的移动块检测装置，其特征在于，所述检测电容包括：第一定极板、第二定极板和动极板(4)；
所述第一定极板、第二定极板以平行且交错的等间距阵列形式设置，所述动极板(4)设置在移动块上，且与所述第一定极板、所述第二定极板成对称的错位状排布，所述动极板(4)与所述第一定极板组成第一电容，所述动极板(4)与所述第二定极板组成第二电容，所述第一电容和所述第二电容构成差分电容。
9.一种加速度计，其特征在于，包括：机械表头部分和电路部分；机械表头部分的电容检测为权利要求1所述的变面积式位移电容的检测装置；当加速度计的敏感轴方向感受到外界加速度a时，内部的检验质量块与外框架产生相对位移x，使得动定极板的正对面积发生改变，引起电容的变化ΔC，通过对变化电容ΔC的测量实现对加速度的测量，将差分电容信号放大的过程中，电荷放大器将差分电容与反馈电容作比，将其中对电容检测有影响的间距因素消去，降低了非敏感轴方向的加速度对电容检测的影响，提高加速度检测的精度与交叉抑制比。
10.如权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述电路部分采用调制解调技术将想要的信号调制在高频载波附近，利用带通滤波将低频噪声和其他高频噪声滤去，再通过解调技术将我们想要信号解调出来，这样可以有效避免低频噪声和高频噪声带来的影响，提高信噪比。
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