基于电容法的微位移测量技术的研究

摘要

电容式微位移测量技术作为非接触式测量技术的主要手段，广泛用于精密加工、高精度定位与精密测量等领域。传统的电容式位移传感器多采用平行极板的结构形式，在实际测量中由于对中问题，操作困难，难以实现准确测量，并且电容检测电路多采用大量滤波器、运算放大器等分立元器件，电路结构复杂，易受环境影响，测试精度与稳定性难以保证。这些因素都严重制约了传感器的发展。
　　本文设计的球型极板电容位移传感器具有各向同性的特性，从原理上有效解决了传感器的对中问题，并在对常用微电容检测电路基本测量原理进行研究分析的基础上，设计了以电容数字转换芯片为核心的微电容检测电路，有效解决了传统电容检测系统稳定性差，易受环境影响的问题。具体研究工作为:首先，对传感器探头的结构尺寸进行了设计，并利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对所设计探头电场分布进行研究，验证其设计的合理性。其次，在对常用微电容检测电路基本工作原理进行分析对比的基础上，提出以AD7747电容数字转换芯片作为检测电路的设计方案，并以CY7C68013A单片机作为硬件电路控制器，设计了包括外部存储电路、通讯接口电路、电源电路及滤波电路的电容检测硬件控制系统。再次，利用镜像法与分离变量法对球型极板电容位移传感器的电容特性进行理论分析与计算，并利用Mathematica9.0软件编程得到其电容特性关系曲线。最后，利用所设计的位移标定试验台，完成了传感器的静态标定实验，采用最小二乘法多项式拟合方法对实验数据进行拟合处理，得到了电容值随位移变化的关系。并对实验结果与理论计算值间存在的误差进行了分析。
　　结果表明:球型极板电容位移传感器能够有效避免边缘效应的影响;所设计传感器稳定性好，重复精度高，四种不同直径的探头稳定性最低为0.002pF/20min，最大重复性误差为0.953％;传感器的灵敏度随着探头直径的增大而提高，并且通过对实验数据的分析与计算，发现所设计的四种不同直径传感器在0.5～10μm测量范围内分辨力能够达到20nm。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 常见的几种位移测量技术

1．2．2 电容传感器研究现状

1．2．3 传统电容式位移传感器存在的主要问题

1．3 本文主要研究内容

第2章 球型极板电容位移传感器测量原理及检测方案设计

2．1 平行极板式电容传感器的工作原理

2．1．1 变极距型电容传感器

2．1．2 变面积型电容传感器

2．1．3 变介电常数型电容传感器

2．2 球型极板式电容位移传感器的基本工作原理

2．3 几种测微电路的基本测量原理

2．3．1 调频式微电容检测技术

2．3．2 充放电式微电容检测技术

2．3．3 运算放大式微电容检测技术

2．3．4 电桥式微电容检测技术

2．4 球型极板式电容传感器检测方案设计

2．4．1 传感器电容检测方案设计

2．4．2 传感器电容数字化检测原理

2．5 球型极板电容传感器电容检测硬件控制系统

2．5．1 CY7C68013控制器

2．5．2 CY7C68013控制电路

2．5．3 通讯接口

2．5．4 电源电路

2．6 本章小结

第3章 球型极板电容位移传感器探头结构尺寸设计

3．1 电容传感器的等效电路

3．2 传感器探头结构设计

3．2．1 探头的外屏蔽层设计

3．2．2 电容的边缘效应带来的影响

3．2．3 避免边缘效应的措施

3．2．4 传感器探头结构最终设计方案

3．3 传感器探头尺寸设计

3．4 电容传感器的设计要点

3．4．1 选材与加工

3．4．2 减小寄生电容的方法

3．5 传感器电场仿真分析

3．6 本章小结

第4章 球型极板电容位移传感器电容信号的计算

4．1 镜像法求解电容

4．2 分离变量法求解电容

4．3 镜像法与分离变量法求解电容结果对比

4．4 本章小结

第5章 传感器静态测试实验与误差分析

5．1 静态标定实验设备及原理

5．2 实验步骤

5．3 数据拟合处理

5．4 实验结果与性能分析

5．5 实验误差来源及分析

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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