基于可调电容器的微角度测量系统的制作方法

本发明涉及一种基于可调电容器的角度测量系统，尤其是微角度测量方面成效显著。

背景技术：

分光仪又称分光计,是用来准确测量光线偏折角度的仪器。为便于讲解此处引用分光仪的一个具体实验。利用分光仪测量平板玻璃折射率是一个新颖的分光仪应用实验。该实验巧妙地利用分光仪的结构组成多光束干涉光路，令学生仅仅利用分光仪本身和调整中用到的平面反射镜即可完成干涉测量实验。

然而在实际的实验操作中，会遇到实验后期精准操作难度明显增大以及读数精度降低的问题。以上都是分光仪测量微角度时出现的典型问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术中分光仪测量微角度时操作困难、精度不高等缺陷，本发明提供一种基于可调电容器的角度测量系统，利用可变电容器来提高测量精度，增加手动旋转的减速系统以提高实验操作性，最终利用手机等电子设备实现集中处理，从而避免视觉疲劳造成的影响。

在这个方案中要解决的关键问题，首先是自制电容器的搭建；其次是机械结构的搭建与调试，要求机械结构能够实现减速和传动的效果；最后是准确的信息处理模块，需使用合理的方法，实现自动读取电路的各项参数，并将所读取的数据转化为对应的分光仪的角位移传输到手机等客户端进行显示。

1.自制电容器的搭建

电容器1以六角柱固定半圆形极板，电容器极板可作全周旋转；半圆形极板各向半径一致，理论上具有较好的线性性。

2.机械减速系统的搭建

采用蜗轮-蜗杆减速机构。将蜗轮2固定在刻度盘主轴3附近的凸起处。以分光仪尺寸结构的限制以及减速比的需求确定蜗轮的尺寸。具体安装方案为在刻度盘主轴3附近的凸起处固定一有凸键的环带，配合蜗轮内环的键槽起到固定作用。

蜗杆4通过一长轴5与一锥齿轮6连接，锥齿轮6与电容器轴上同齿数锥齿轮7配合，以改变转动方向；电容器轴延伸以作手柄8。这样减速比可达150:1。

考虑到分光仪可供夹持的部分很小，选择将电容器1挂载于望远镜臂9下，传动系统以钳式抱夹于蜗轮2两侧。钳之一臂为蜗杆轴5，另一臂末端为一对自由齿轮，自由齿轮与蜗杆配合，将传动系统与蜗轮相连接，且易于安装拆卸。

3.信息处理模块

选定所用电容器之后，需要直接或间接获得自制电容器电容值的改变量，再进行分光仪的角位移与电容值之间的拟合。为了便于后期的测量与转换，此处选测电压值。选用电阻分压的形式，采用简单的rc串联电路，是在输入端加入一个交流信号，将电容与一个电阻串联起来，测量电阻上的分压，其分压满足这样的一个表达式：

为了使所测得电压与电容的接入量之间成近似线性的反馈关系，需要接入一个合适的大电阻进行测量，实测中选用的是3.3兆欧的电阻。

之后需要对信息进行处理和传输，主要完成的工作是使用单片机实现电压值的自动测量、结合蓝牙模块及进行的信息传输以及实时反馈角位移数据在手机端的显示。在之前的试验中，已经测量出了在特定角位移时对应的电压有效值读数，此处需要实现对此数据的自动读取。这里搭建了峰值跟踪电路，以便于单片机读取电压值，然后结合蓝牙模块进行信息实时传输。最终的结果在手机端显示。如果有必要，也可以使用液晶屏进行同步实时输出。

使用自制电容器搭建的微角度测量装置，实现了对微小角位移的测量，并且成功测得实验数据。一方面，使用自制的电容器，降低了操作的难度，使得实验的可操作性大大提高。另一方面，自制电容器的精度较高，通过观测最终峰值电路输出的抖动并进行计算，可以得到最终输出的信号误差应小于1’。

附图说明

图1为本发明示意图。

图2为利用分光仪测量平板玻璃折射率实验的实验装置示意图。

图3为自制电容器示意图。

图4为机械减速装置示意图。

图5为电子电路示意图。

图6为客户端软件界面示意图。

图中1.电容器，2.蜗轮，3.刻度盘主轴，4.蜗杆，5.长轴，6.锥齿轮，7.锥齿轮，8.手柄，9.望远镜臂，10.钠光灯，11.偏振片，12.平行光管，13.载物平台，14.平面镜，15.望远镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1-6所示，本发明一种基于可调电容器的微角度测量系统，其特征在于，包括：(1)电容器，(2)蜗轮，(3)刻度盘主轴，(4)蜗杆，(5)长轴，(6)锥齿轮，(7)锥齿轮，(8)手柄，(9)望远镜臂，(10)钠光灯，(11)偏振片，(12)平行光管，(13)载物平台，(14)平面镜，(15)望远镜。以六角柱固定半圆形极板，电容器极板可作全周旋转；半圆形极板各向半径一致，理论上具有较好的线性性。蜗轮(2)固定在刻度盘主轴(3)附近的凸起处；以分光仪尺寸结构的限制以及减速比的需求确定蜗轮的尺寸；具体安装方案为在刻度盘主轴(3)附近的凸起处固定一有凸键的环带，配合蜗轮内环的键槽起到固定作用。蜗杆(4)通过一长轴(5)与一锥齿轮(6)连接，锥齿轮(6)与电容器轴上同齿数锥齿轮7配合，以改变转动方向；电容器轴延伸以作手柄(8)；这样减速比可达150:1。考虑到分光仪可供夹持的部分很小，选择将电容器(1)挂载于望远镜臂(9)下，传动系统以钳式抱夹于蜗轮(2)两侧；钳之一臂为蜗杆轴(5)，另一臂末端为一对自由齿轮，自由齿轮与蜗杆配合，将传动系统与蜗轮相连接，且易于安装拆卸。

具体实现是在此干涉实验中引入自制的可调电容器，再加入减速机械装置使电容器和分光仪转盘结合。操作电容器上相关旋钮，可以改变极板间的正对面积s，而又根据电容的决定式，使接入电路的电容值产生变化，而同时机械装置又带动分光仪转盘慢速平稳地转动。使电容值和分光仪所转的角度相关联，从而间接得到微角度的数值。最终利用手机等电子设备实现集中处理，在手机等客户端进行显示。

技术特征：

技术总结
本发明一种基于可调电容器的微角度测量系统，使用自制电容器搭建微角度测量装置，实现了对微小角位移的测量。一方面，使用自制的电容器，降低了操作的难度，使得实验的可操作性大大提高；另一方面，自制电容器的精度较高，通过观测最终峰值电路输出的抖动并进行计算，可以得到最终输出的信号误差应小于1’。该项目的创新点在于利用常见的实验器材，巧妙设计并自制电容器，将需测量的角位移转化为更易测得的电学量，并通过程序开发最终实现实时地自动取样读数与客户端显示，提高整个实验的可操作性。

技术研发人员：鲍乙乙
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2018.10.23
技术公布日：2019.03.26