簧片扭摆弱力测量系统的设计.doc

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1、簧片扭摆弱力测量系统的设计　　摘要：基于静电力测量原理，设计了一种簧片扭摆弱力测量系统，它主要由扭摆、信号检测系统和信号采集系统组成。该系统最大的优点是扭摆可以整体加工制作，框架、簧片、连接杆和检验质量是一个统一的整体，所以它们相互之间没有滑动，没有摩擦，具有很高的灵敏度。根据设计参数，如果系统的输出电压噪声为10mV，那么在140?N的动态范围内，所设计的簧片扭摆弱力测量系统的测量精度能够达到1.4nN。　　关键词：弱力测量；簧片扭摆；电容传感器　　　　随着现代工业化社会的发展，10-6N量级和10-9N量级等弱力的测量变得越来越重要。度量弱力基准常用的方

2、法有静电力方法和重力方法，重力方法可以追溯到质量基准的度量。质量基准一般采用有形物体铂铱合金来度量，由于人工制作的质量基准会随时间的推移而发生变化，所以人们试图将质量基准和基本自然常数联系在一起，目前采用基本自然常数度量质量基准最常用的方法有瓦特天平法和原子计数法。1994年，S.T.Smith和L.P.Howard采用静电力方法度量弱力基准，在100mN的动态范围内，其分辨率为70nN/Hz1/2。2001年，在美国国家标准技术研究所，通过施加质量为0.5mg的物体产生了5μN的力。2003年，DavidB.Newell等人采用静电力方法度量弱力基准，在300μN的动态范围

3、内，实现的弱力测量精度约为15nN。基于静电力方法，从2004年开始，我们使用微位移电容传感技术开展了簧片扭摆弱力测量装置的设计研究。　　　　1系统的描述　　　　簧片扭摆弱力测量系统主要由扭摆、信号检测系统和信号采集系统组成。它与其他弱力测量系统的不同是用簧片作为扭转轴，有效地降低了系统的机械灵敏度，增强了系统的稳定性，其测量原理如图1所示。　　　　簧片扭摆弱力测量系统的基本测量原理可以表述为：当一个微弱的外力信号（标准力）作用在扭摆上，使得检验质量偏离其初始平衡位置，造成检验质量和相应方向电极间的电容变化。通过差动式位移电容传感器后，再经过比例－积分－微分控制环节（P

4、ID），给该方向的电容极板施加相应的反馈电压，利用静电力使检验质量达到新的平衡位置，反馈电压的大小正好反映了外界在该方向所施加的力的大小。　　1.1一维机械扭摆　　这里设计的机械扭摆主要由框架、簧片、2个质量相同的连接杆和2个质量相同的检验质量m组成，其结构如图2所示。　　　　2003年，V.Iafolla等人利用这种扭摆测量引力常数G，现在我们用此种扭摆构成簧片扭摆弱力测量系统进行弱力测量研究。扭摆（铍青铜材料）可以通过线切割机（切割精度为0.02mm）切割制成，其尺寸为(250.00±0.02)mm×(60.00±0.02)mm×(9.00±0.02)3mm。扭摆的

5、一个检验质量和周围两个平行的电容极板形成两对电容极板，构成微位移电容传感器的机械结构，用于检测扭摆绕扭转轴的运动情况。感受重力作用的检验质量，其尺寸为(40.00±0.02)mm×(40.00±0.02)mm×(9.00±0.02)mm，质量m为(0.12±0.01)kg。电容极板由绝缘材料并在其表面镀银制成，其表面积S为(40.00±0.02)mm×(40.00±0.02)mm，它与检验质量之间的初始间距d0为(1.00±0.02)mm，电容极板处于初始平衡位置时的电容C0为(14.2±0.1)pF。连接杆的尺寸为(66.00±0.02)mm×(6.00±0.02)mm×(

6、9.00±0.02)mm，其质量mb为(0.03±0.01)kg。两个检验质量的质心到扭转轴的距离相等(L=86mm)。簧片采用工字形结构，如图1所示，它的长、宽和厚分别为(20.00±0.02)mm、(1.00±0.02)mm和(1.00±0.02)mm。该系统主要优点有：第一、扭摆可以整体加工制作，框架、簧片连接杆和检验质量是一个统一的整体，所以它们相互之间没有滑动，没有间隙，没有摩擦，避免了机械安装引起的误差。第二、整个扭摆在设计上具有很好的对称性，具有很高的灵敏度，精密小巧。　　1.2信号的检测系统　　信号检测部分是采用差动式电容检测系统来测量扭摆扭转产生的微小位

7、移，电路原理图如图3所示。　　　　信号发生器产生的高频正弦波（频率为10kHz）加载在电容极板上，中间的检验质量上会感应出相应的正弦信号，如果检验质量有微小的位移Dd，就会引起极板间电容大小的变化，形成差动电容（Δ=C2-C1=2εSΔd/d20，式中ε为真空介电常数）。这时，交流桥路的平衡被破坏，检验质量上产生的微小低频信号被调制到高频正弦信号中。这些信号通过前置放大器和交流放大器进行放大，再与标准载波信号进行相关检测，解调后，通过滤波器滤除高频部分，得到的低频直流电压信号经过放大后