專利名稱：電容感應(yīng)式坐標(biāo)儀自動(dòng)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種電容比遙測(cè)裝置，它由單片機(jī)控制，對(duì)大壩體內(nèi)電容感應(yīng)式座標(biāo)儀位移變化進(jìn)行遙測(cè)，從而達(dá)到對(duì)壩體安全監(jiān)測(cè)的目的。
用于壩體撓度觀測(cè)的座標(biāo)儀是大壩安全監(jiān)測(cè)的重要儀器。早期的光學(xué)座標(biāo)儀靠人工觀測(cè)，誤差大，勞動(dòng)強(qiáng)度大。后來(lái)的步進(jìn)馬達(dá)光電跟蹤座標(biāo)儀，精度提高，但需要平行光或激光，系統(tǒng)較復(fù)雜，在壩中高濕度環(huán)境下可靠性較差。近幾十年來(lái)，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了感應(yīng)式座標(biāo)儀，如電容感應(yīng)式座標(biāo)儀，由中間極板和一對(duì)平行極板構(gòu)成某一方向的一對(duì)電容，極板用屏蔽線接入測(cè)量電路，其技術(shù)先進(jìn)，性能可靠。但是，這種座標(biāo)儀的測(cè)量有三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，(1)、由于座標(biāo)儀采用變間隙結(jié)構(gòu)，極板與中間極之間起始電容量很小，僅1微微法左右，而極板變化范圍大于25毫米，要求測(cè)量裝置的接收靈敏度達(dá)到0.01毫米，因此小信號(hào)、高靈敏度的矛盾，是第一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，(2)、由于座標(biāo)儀的電容量極小，因此容抗很大，橋路輸出阻抗很高，使得測(cè)量裝置抗干擾能力很差，(3)、座標(biāo)儀安裝在壩體內(nèi)，必須用長(zhǎng)達(dá)1000米的長(zhǎng)電纜將信號(hào)傳送到檢測(cè)儀表，長(zhǎng)電纜上分布電容很大，使弱信號(hào)在長(zhǎng)電纜傳輸中衰減較大，影響測(cè)量靈敏度。
本實(shí)用新型的目的是為電容感應(yīng)式座標(biāo)儀提供測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、不受長(zhǎng)電纜影響的高靈敏度自動(dòng)測(cè)量裝置。
本實(shí)用新型由控制電路、功率源、檢測(cè)電路三大部分組成，控制電路包括單片微處理器、地址鎖存器、模擬開(kāi)關(guān)、鍵盤(pán)、顯示器，檢測(cè)電路包括電容平衡橋路、前置放大器、主放大器、極性判別器，功率源包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、橋壓變壓器，功率源為電容平衡橋路提供電壓，控制電路連接功率源、電容平衡橋路、極性判別電路，對(duì)信號(hào)檢測(cè)進(jìn)行控制，其特征是(1)、電容平衡橋路采用高精度(10－6)感應(yīng)分壓器為比率臂，且采用加屏蔽線的電容三端測(cè)量電路，(2)、在電容平衡橋路輸出與前置放大器輸入電路之間接入11阻抗匹配電纜驅(qū)動(dòng)放大器，(3)、在主放大器輸出與極性判別電路輸入電路之間接入相敏檢測(cè)器，4、功率源信號(hào)發(fā)生器由鎖相環(huán)器件、JK觸發(fā)器組成的分頻器、50周電網(wǎng)檢波器和階梯信號(hào)形成器組成。
下面參照附圖并結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述。


圖1為本實(shí)用新型框圖。
圖2為本實(shí)用新型檢測(cè)電路電原理示意圖。
圖3為電容平衡橋路中加屏蔽線的電容三端測(cè)量電路示意圖。
圖4為本實(shí)用新型功率源電原理示意圖。
如圖1所示，上方虛線框內(nèi)為本實(shí)用新型檢測(cè)電路，下方虛線框內(nèi)為本實(shí)用新型控制電路。
如圖2所示，電容感應(yīng)式座標(biāo)儀的差動(dòng)電容C1、C2分別通過(guò)屏蔽電纜線接到高精度感應(yīng)分壓器T的比率臂上，組成電容平衡橋路，最后一級(jí)分壓比率臂抽頭接地，感應(yīng)分壓器的分壓比U1／U2與線圈匝數(shù)比N1／N2成正比，分壓比可以很高，加之比率臂采用高導(dǎo)磁坡鏌合金環(huán)形鐵芯繞制，漏磁通幾乎為零，因此分壓精度高達(dá)10－6，保證比率測(cè)量精度為10－4的要求。
加屏蔽線的電容三端測(cè)量電路原理如圖3所示。C11、C12、C21、C22為加屏蔽線的長(zhǎng)電纜分布電容，C11、C21與感應(yīng)分壓器并聯(lián)，由于感應(yīng)分壓器的輸出阻抗很低，約1歐姆左右，因此它的負(fù)載能力很強(qiáng)，C11、C21的影響甚微，可以忽略不計(jì)。當(dāng)橋路平衡時(shí)，a、d間端電壓為零，C12、C22中無(wú)電流通過(guò)，因此C12、C22與橋路平衡條件無(wú)關(guān)，不影響測(cè)量結(jié)果。因此可知，加屏蔽線的電容三端測(cè)量電路使電容引線上分布的雜散不穩(wěn)定電容變成固定的屏蔽線電容，利用感應(yīng)分壓器低電阻的恒壓特性，巧妙地消除了長(zhǎng)電纜屏蔽線分布電容的影響。
仍如圖2所示，電容平衡橋路輸出信號(hào)經(jīng)約200米屏蔽電纜，接到位于集線箱中的11射級(jí)跟隨器A1的輸入端，將屏蔽線接到A1的反相輸入端，A1作為阻抗匹配電纜驅(qū)動(dòng)放大器，由于A1是一全反饋放大器，具有很高的輸入阻抗，很低的輸出阻抗，對(duì)于高阻輸出的橋路起到了匹配作用，同時(shí)，信號(hào)線與屏蔽線處于等電位狀態(tài)，消除了屏蔽電纜對(duì)信號(hào)靈敏度的衰減，加之A1具有較強(qiáng)的負(fù)載能力，因此既使使用1000米長(zhǎng)的屏蔽電纜對(duì)信號(hào)測(cè)量靈敏度也基本無(wú)影響，使微伏量級(jí)弱信號(hào)的有效測(cè)量滿足測(cè)量靈敏度0.01毫米的要求。A1的輸出經(jīng)前置放大器A2和主放大器A3接入相敏檢測(cè)器A4(AD630)輸入端16，其輸入端9來(lái)自功率源橋壓變壓器T1(參見(jiàn)圖4)的同步信號(hào)，只有當(dāng)同步信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)同相位時(shí)，相位差為零，此時(shí)檢測(cè)靈敏度最高，由于相敏檢測(cè)器的窄帶特性，使其它干擾信號(hào)難以通過(guò)，有效地提高檢測(cè)靈敏度及抗干擾能力。A4的輸出經(jīng)直流檢測(cè)器A5送到光電耦合器MCT6，經(jīng)R12送入雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器S，由BG2的C端輸出極性判別信號(hào)。
如圖4所示，功率源信號(hào)發(fā)生器包括鎖相環(huán)器件CD4046、6片雙JK觸發(fā)器組成的分頻器、50周電網(wǎng)檢波器A6，和BG3～BG9組成的階梯信號(hào)形成器。積分放大器A7、A8和BG10、BG11組成功率放大器，T1為電容平衡橋路橋壓變壓器。鎖相環(huán)器件CD4046產(chǎn)生的1兆赫茲頻率信號(hào)經(jīng)其4腳接入由6片雙JK觸發(fā)器組成的分頻器JK1～JK12，50周電網(wǎng)檢波器A6輸出接入鎖相環(huán)器件14腳，鎖相環(huán)CD4046能自動(dòng)地完成分頻信號(hào)與電網(wǎng)信號(hào)相位完全同步，同時(shí)，分頻器中JK4、JK5、JK6三個(gè)觸發(fā)器的輸出信號(hào)C、B、A經(jīng)與非門(mén)組合形成A、ABC、AB、ABC、ABC、ABC、BA方波信號(hào)，經(jīng)共基極的BG3～BG9組成的階梯波形成器，疊加成1.6千周的近似正弦波的階梯波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)A7、A8積分放大器積分放大后，得到平滑的正弦波，作為交流信號(hào)源經(jīng)BG10、BG11功放驅(qū)動(dòng)，再經(jīng)T1變壓，供給電容平衡橋路。功率源的設(shè)計(jì)，使單片機(jī)控制測(cè)量節(jié)拍周期為電網(wǎng)頻率的整數(shù)倍，而且信號(hào)功率源的放大倍數(shù)可自動(dòng)控制，從而提高弱信號(hào)的靈敏度及抗干擾能力，使裝置分辨率可達(dá)0.01毫米。
本實(shí)用新型對(duì)座標(biāo)儀的測(cè)量過(guò)程如下先由單片機(jī)發(fā)出選通信號(hào)，將電容感應(yīng)式座標(biāo)儀接入測(cè)量單元，對(duì)橋路輸出信號(hào)進(jìn)行極性判別，判出失衡信號(hào)是過(guò)還是欠，再由單片機(jī)控制模擬開(kāi)關(guān)逐位接通比較，直至橋路平衡為止，即完成一次測(cè)量。
本實(shí)用新型測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，適合1000米內(nèi)長(zhǎng)距離自動(dòng)測(cè)量，適應(yīng)各種安裝環(huán)境，可對(duì)水電站、橋梁建筑、各種混凝土結(jié)構(gòu)建筑中的電容感應(yīng)式正、倒垂線、引張線座標(biāo)儀進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。
權(quán)利要求1.電容感應(yīng)式座標(biāo)儀自動(dòng)測(cè)量裝置，由控制電路、功率源，檢測(cè)電路三大部分組成，控制電路包括單片微處理器、地址鎖存器，模擬開(kāi)關(guān)、鍵盤(pán)、顯示器、檢測(cè)電路包括電容平衡橋路、前置放大器、橋壓變壓器，控制電路連接功率源，電容平衡橋路、極性判別電路，其特征是(1)電容平衡橋路采用高精度感應(yīng)分壓器為比率臂，且采用加屏蔽線的電容三端測(cè)量電路，(2)在電容平衡橋路輸出與前置放大器輸入電路之間接入1∶1阻抗匹配電纜驅(qū)動(dòng)放大器，(3)在主放大器輸出與極性判別電路輸入電路之間接入相敏檢測(cè)器，(4)功率源信號(hào)發(fā)生器由鎖相環(huán)器件、JK觸發(fā)器組成的分頻器、50周電網(wǎng)檢波器和階梯信號(hào)形成器組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容感應(yīng)式座標(biāo)儀自動(dòng)測(cè)量裝置，其特征是橋路輸出信號(hào)經(jīng)屏蔽電纜接到11阻抗匹配電纜驅(qū)動(dòng)放大器A1的輸入端，屏蔽線接到A1的反相輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容感應(yīng)式座標(biāo)儀自動(dòng)測(cè)量裝置，其特征是相敏檢測(cè)器一輸入端來(lái)自主放大器輸出信號(hào)，另一輸入端來(lái)自功率源橋壓變壓器的同步信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容感應(yīng)式座標(biāo)儀自動(dòng)測(cè)量裝置，其特征是功率源信號(hào)發(fā)生器中鎖相環(huán)器件為CD4046，分頻器由6片雙JK觸發(fā)器組成，其中JK4、JK5、JK6三個(gè)觸發(fā)器的輸出C、B、A經(jīng)與非門(mén)組合形成A、ABC、
、ACB、
、BA方波信號(hào)接入由共基極的晶體管BG3～BG9組成的階梯波形成器。
專利摘要電容感應(yīng)式坐標(biāo)儀自動(dòng)測(cè)量裝置，包括由單片機(jī)組成的控制電路、由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、橋壓變壓器組成的功率源以及由電容平衡橋路1∶1阻抗匹配電纜驅(qū)動(dòng)放大器、相敏檢測(cè)器、極性判別器組成的測(cè)量電路，差動(dòng)電容信號(hào)傳輸電纜采用屏蔽電纜，測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)值不受長(zhǎng)電纜影響，穩(wěn)定性好，適應(yīng)各種安裝環(huán)境。
文檔編號(hào)G01R27/26GK2067411SQ90212050
公開(kāi)日1990年12月12日 申請(qǐng)日期1990年3月26日 優(yōu)先權(quán)日1990年3月26日
發(fā)明者王向陽(yáng), 潘普南 申請(qǐng)人:能源部南京自動(dòng)化研究所