簧片扭摆弱力测量系统的设计的论文

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1、簧片扭摆弱力测量系统的设计的论文　　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法有静电力方

2、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.hon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.ne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

3、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)mm。扭摆的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

4、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×(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、

5、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，

6、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，再经过比例－积分－微分控制环节（pid），利用一个通道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，同时用另一个通道将反馈电压vf通过a/d转换器将模拟信号转化成数字信号进入信号采集系统。　　1.3静电弱力测量　　　　2误差来源及改进措施　　影响该簧片扭摆弱力测量系统的主要误差来源有：扭摆的机械热噪声（布朗噪声）、扭摆机械结构引起的误差、电容传感器的电路噪声及外界环境引起的噪声（如温度、湿度和地面震动的影响）等。下面对各种噪声分别进行讨论。　　2.1簧片扭摆弱力测量系统的机械噪声（布朗

7、噪声）　　扭摆的热噪声是由于构成振子和检测质量的微粒之间的相互碰撞，即通常我们所说的布朗运动而引起的，它对弱力的测量有一定影响。　　一维简谐振子的角位移功率谱密度为　　2.2微位移电容传感器的电路噪声　　由于电容传感电路采用的是高频信号，所以可以忽略1/f噪声的影响，那么剩下的主要是电路的噪声和寄生电容的影响。电路噪声主要由交流桥路的噪声、电荷放大器的噪声和电容损耗引起的噪声构成。电容