一种基于锁相放大的电容式位移测量装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于锁相放大的电容式位移测量装置及方法，包括超磁致伸缩致动装置、可编程电流源、恒压源、锁相放大单元；超磁致伸缩致动装置由底座、超磁致伸缩材料棒、励磁线圈组成；底座上面设置两个电容极板；可编程电流源给励磁线圈通正弦电流信号，超磁致伸缩材料棒产生周期性形变，带动电容电极，周期振动，形成机械调制；恒压源给其中一块电容极板施加恒压激励，被测金属物体表面产生感应电荷，另一块电容电极上也产生感应电荷；将未接恒压源的电容极板上的电荷信号作为测试信号，送入锁相放大单元，将可编程电流源输出的信号作为参考信号，对测试信号进行处理，得到被测位移值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于锁相放大的电容式位移测量装置与方法
本专利技术涉及电容式位移传感器的设计，新型智能材料的应用，以及信号处理领域，更具体的说，是涉及一种基于锁相放大的电容式位移测量装置与方法。
技术介绍
电容式位移传感器在测量过程中，使测量电极板端面接近被测金属物体的表面，平行或尽可能平行，调整初始间隙，外加一个稳定激励，位移导致极板间隙的变化，通过感应电荷的变化体现出来，再由感应装置采集电荷量的变化，通过信号处理放大装置提取信号，得到被测量。而反射式电容传感器的结构中，被测物体与整个测量装备不需要用硬件连接，而是通过测量装备上两块相互绝缘的极板获得目标信号，可以避免对被测物体的干扰，并且方便装置对不同物体进行测量。电容式位移测量作为一种非接触式测量，容易受到外界信号的干扰，所以信号的处理放大过程十分重要。而超磁致伸缩材料具有超磁致伸缩效应，具体表现为铁磁体在磁化过程中具有线度的伸长或缩短，且具有较高的磁致伸缩系数，可以实现电磁能和机械能的相互转化。超磁致伸缩材料具有机械响应快、耦合系数高、功率密度大等优点，并被广泛的应用于精密定位控制、机械制动器等方面。利用磁致伸缩效应，我们可以采用磁致伸缩材料(GMM)对被测信号进行机械调制。由于电容式传感器通常具有输出信号较小，容易被外界干扰，并且有参数分布等问题，所以使用锁相放大单元进行信号处理。锁相放大单元是一种基于相关检测技术的同步相干检测仪，是利用互相关原理，对检测信号和参考信号进行相关运算的设备。关键是要求参考信号的频率于输入信号的频率相关而与噪声信号的频率不相关，从而达到排除噪音信号提高信噪比的效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，利用新型智能材料和锁相放大单元提供一种除了具有一般非接触式仪器所共有的无磨擦、无损磨和无惰性特点外，还具有信噪比大，灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便等优点的电容式高精度微小位移测量方式，即一种基于锁相放大的电容式位移测量装置与方法，通过机械调制方式提高信噪比，可以实现高精度的微小位移测量。本专利技术的目的可通过以下技术方案实现。本专利技术基于锁相放大的电容式位移测量装置，包括超磁致伸缩致动装置、可编程电流源、恒压源、锁相放大单元；所述超磁致伸缩致动装置由底座、超磁致伸缩材料棒、励磁线圈组成，所述超磁致伸缩材料棒竖直放置于底座内部中心位置，所述励磁线圈环绕于超磁致伸缩材料棒和底座之间；所述底座上表面水平设置两个对称且彼此绝缘的电容极板，被测金属物体悬空位于电容极板的正上端，与两个电容极板构成一个反射式电容位移传感器；所述可编程电流源给励磁线圈通一定频率、幅值的正弦电流信号，超磁致伸缩材料棒产生按一定频率周期性变化的形变，带动电容电极，使其按一定频率周期振动，形成机械调制；所述恒压源给超磁致伸缩致动装置一端安装的两块相互隔离的电容电极中的一块施加一个恒压激励，在被测金属物体表面产生感应电荷，从而在相互隔离的另一块电容电极上也产生感应电荷；用导线将未接恒压源的电容极板上的电荷信号作为测试信号，送入锁相放大单元，同时将可编程电流源输出的信号作为参考信号，对测试信号进行锁相放大、滤除噪声，得到被测位移值。本专利技术的目的还可通过以下技术方案实现。本专利技术基于锁相放大的电容式位移测量方法，包括以下过程：第一步：超磁致伸缩致动装置输出端安装两个彼此绝缘的电容极板，被测金属物体悬空位于电容极板的正上端，两个电容极板与被测金属物体构成一个反射式电容位移传感器；第二步：通过可编程电流源给励磁线圈一个频率幅值一定的正弦电流信号，使超磁致伸缩材料棒产生周期性伸缩，带动电容电极与被测金属物体之间间距随之周期性变化，即被测位移产生一个机械调制；第三步：给反射式电容位移传感器其中一个电容极板施加一个恒压激励，被测金属物体上会产生感应信号，随着电容极板与被测金属物体间距变化，另一个电容极板会产生并输出调制信号；第四步：将反射式电容位移传感器的调制信号作为测试信号，将可编程电流源产生的电流信号作为参考信号，将测试信号和参考信号一起经过锁相放大单元，滤除杂波得到被测位移值。与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：本专利技术中两个电容极板与被测金属物体构成一个反射式电容位移传感器，这种反射式电容位移传感器结构可以避免被测金属物体与测量装置的硬件连接，一方面不会对被测物体产生干扰，另一方面可以方便装置对不同的被测物体进行测量。极大的提高了测量的便捷程度和稳定程度，同时让测量效率更高。本专利技术通过利用GMM的磁致伸缩效应和锁相放大单元的结合利用，GMM驱动器产生机械调制，锁相放大单元滤除噪声，收集特定频率的信号，极大程度的滤除了环境噪声信号，提高了信噪比，减少了外界干扰对于电容式位移传感器输出信号的影响，提高了产品的稳定性和精确度。附图说明图1是本专利技术基于锁相放大的电容式位移测量装置示意图。图2是本专利技术中超磁致伸缩致动装置及电容极板的结构示意图。图3是本专利技术基于锁相放大的电容式位移测量方法流程图。附图标记：1被测金属物体，2电容极板，3超磁致伸缩材料棒，4底座，5励磁线圈，6恒压源，7可编程电流源，8锁相放大单元。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做出进一步的详细描述。需要说明的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。如图1和图2所示，本专利技术基于锁相放大的电容式位移测量装置，包括超磁致伸缩致动装置、可编程电流源7、恒压源6、锁相放大单元8。所述超磁致伸缩致动装置由底座4、超磁致伸缩材料棒3、励磁线圈5组成，所述超磁致伸缩材料棒3竖直放置于底座4内部中心位置，所述励磁线圈5环绕于超磁致伸缩材料棒3和底座4之间。所述底座4上表面水平设置两个对称且彼此绝缘的电容极板2，被测金属物体1悬空位于电容极板2的正上端，与两个电容极板2构成一个反射式电容位移传感器。所述可编程电流源7给励磁线圈5通一定频率、幅值的正弦电流信号，由于超磁致伸缩材料有磁致伸缩效应，因此超磁致伸缩材料棒3会产生按一定频率周期性变化的形变，带动超磁致伸缩致动装置一端安装的电容电极2，使其按一定频率周期振动，形成机械调制。所述恒压源6给超磁致伸缩致动装置一端安装的两块相互隔离的电容电极2中的一块施加一个恒压激励，在被测金属物体1表面产生感应电荷，从而在相互隔离的另一块电容电极2上也产生感应电荷，这就构成了反射式电容位移传感器，待测量的位移值大小通过感应电荷的大小反应。用导线将未接恒压源6的电容极板2上的电荷信号作为测试信号，送入锁相放大单元8，同时将可编程电流源7输出的信号作为参考信号，送入锁相放大单元8，对测试信号进行前级放大、带通滤波、AC放大等处理，最终可以得到信噪比较高的输出信号，即被测位移值。本专利技术基于锁相放大的电容式位移测量方法，如图3所示，具体实现过程如下：第一步：超磁致伸缩致动装置输出端安装两个彼此绝缘的电容极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于锁相放大的电容式位移测量装置，其特征在于，包括超磁致伸缩致动装置、可编程电流源(7)、恒压源(6)、锁相放大单元(8)；/n所述超磁致伸缩致动装置由底座(4)、超磁致伸缩材料棒(3)、励磁线圈(5)组成，所述超磁致伸缩材料棒(3)竖直放置于底座(4)内部中心位置，所述励磁线圈(5)环绕于超磁致伸缩材料棒(3)和底座(4)之间；所述底座(4)上表面水平设置两个对称且彼此绝缘的电容极板(2)，被测金属物体(1)悬空位于电容极板(2)的正上端，与两个电容极板(2)构成一个反射式电容位移传感器；/n所述可编程电流源(7)给励磁线圈(5)通一定频率、幅值的正弦电流信号，超磁致伸缩材料棒(3)产生按一定频率周期性变化的形变，带动电容电极(2)，使其按一定频率周期振动，形成机械调制；所述恒压源(6)给超磁致伸缩致动装置一端安装的两块相互隔离的电容电极(2)中的一块施加一个恒压激励，在被测金属物体(1)表面产生感应电荷，从而在相互隔离的另一块电容电极(2)上也产生感应电荷；用导线将未接恒压源(6)的电容极板(2)上的电荷信号作为测试信号，送入锁相放大单元(8)，同时将可编程电流源(7)输出的信号作为参考信号，对测试信号进行锁相放大、滤除噪声，得到被测位移值。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于锁相放大的电容式位移测量装置，其特征在于，包括超磁致伸缩致动装置、可编程电流源(7)、恒压源(6)、锁相放大单元(8)；
所述超磁致伸缩致动装置由底座(4)、超磁致伸缩材料棒(3)、励磁线圈(5)组成，所述超磁致伸缩材料棒(3)竖直放置于底座(4)内部中心位置，所述励磁线圈(5)环绕于超磁致伸缩材料棒(3)和底座(4)之间；所述底座(4)上表面水平设置两个对称且彼此绝缘的电容极板(2)，被测金属物体(1)悬空位于电容极板(2)的正上端，与两个电容极板(2)构成一个反射式电容位移传感器；
所述可编程电流源(7)给励磁线圈(5)通一定频率、幅值的正弦电流信号，超磁致伸缩材料棒(3)产生按一定频率周期性变化的形变，带动电容电极(2)，使其按一定频率周期振动，形成机械调制；所述恒压源(6)给超磁致伸缩致动装置一端安装的两块相互隔离的电容电极(2)中的一块施加一个恒压激励，在被测金属物体(1)表面产生感应电荷，从而在相互隔离的另一块电容电极(2)上也产生感应电荷；用导线将未接恒压源(6)的电容极板(2)上的电荷信号作为测试信号，送入锁相放大单元(8)，同...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄银国，聂晶晶，李潇，郑叶龙，赵美蓉，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12