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静力水准系统(Hydrostatic Levelling System,简称HLS)作为实时监测观测点高程位置变化的装置,在大型建筑和大科学工程中得到广泛运用,尤其在对位置精度要求很高的粒子加速器上的应用显得越来越重要。本论文完成了电容式非接触静力水准传感器的可行性验证、设计、样机试制和测试实验等工作,主要内容如下:
在充分研究国内外高精度静力水准传感器的基础上,并基于商品级电容传感器进行测试研究后,设计了电容式非接触式静力水准传感器。钵体结构设计方面,在钵体底部配备温度传感器并加工三个细牙螺纹孔,具有温度检测和水平调节功能。液位检测技术方面采用带有保护环的变间隙式电容传感结构,选择热膨胀系数较低且相近的96%Al2O3陶瓷基片和钯银浆料电极材料,结合厚膜传感技术及丝网印刷、烧结工艺完成厚膜电容传感器的研制。对于电容信号检测电路,基于高精度、集成式电容数字转换器AD7747与集成USB2.0协议的微处理器CY7C68013,配合上位机,在实现对电容信号的测量、存储和处理的同时,也降低了静力水准传感器的开发周期和成本。温度信号的检测是采用三线制RTD,设计基于LabVIEW的程序实现对温度信号的采集。
温度、边缘效应和工作介质材料属性是几个影响电容式非接触静力水准传感器精度的重要因素,论文阐述了这些误差项的原因及应对措施,有效地减小误差并提高了静力水准传感器的测量精度。
搭建电容式非接触静力水准传感器的测试实验平台,完成了系统的零点校准、稳定性、重复性、线性度、分辨率、漂移和温度检测实验。结果表明:电容信号的平均输出零点偏差约为0.053pF,可通过AD7747的配置寄存器进行调整消除;四次稳定性实验的测量结果之间的标准差为0.00416mm,且最大偏差小于2.9%;三次重复性实验测量结果的极差小于单点100次测量值的标准差,最大点偏差为1.18%,体现系统很高的重复性;系统具有2.6%的线性度,0.01mm的分辨率和半小时内0.016pF的最大漂移量而产生的0.0313mm的偏移量。
通过以上多方面的工作,完成了电容式非接触静力水准传感器的研制,且测试实验的结果也满足了设计的要求,对国内电容式非接触静力水准传感器的研究具有重要意义。