新型容栅式位移测量系统研究

摘要

该文首先简要介绍了几种典型的容栅式位移测量系统的组成结构和工作原理,对调相式、调幅式、逐次逼近式等容栅式位移测量系统的性能特点进行了分析比较.在此基础上提出了具有自主知识产权的全数字式容栅位移测量系统并对容栅传感器及其测量电路进行了深入的研究.容栅式位移测量系统的输出特性主要由栅尺电极的型式和几何参数决定,该文采用解析法分析了栅尺极板参数与传感器的输出特性和灵敏度的关系,并推导出了相应的函数表达式.环境因素的变化会严重影响电容传感器的性能,该研究设计的通过测量电容和参考电容进行比较获得位置输出的方法,可完全消除外界环境因素的影响.基于全数字原理的测量电路,大大降低了专用集成电路(ASIC)的设计难度,该文给出了容栅位移测量ASIC的设计流程.对三组不同几何参数的栅尺极板进行了输出特性实验,在分析实验数据的基础上,对容栅式位移测量系统的误差来源进行了初步探讨.

目录

文摘

英文文摘

原创性声明和使用授权书

第一章绪论

1.1.容栅位移传感器

1.2.容栅式位移测量系统的发展历史和现状

1.3.课题研究的内容和意义

1.4.论文内容编排

第二章容栅式位移测量系统的工作原理

2.1.容栅位移传感器和容栅式位移测量系统

2.2.容栅式位移测量系统的组成和基本概念

2.3.容栅式位移测量系统的分类

2.4.几种常用容栅式位移测量系统的工作原理

2.4.1.调相式容栅位移测量系统

2.4.2.调幅式容栅位移测量系统

2.4.3.基于三积分A/D的电荷平衡式容栅位移测量系统

2.4.4.逐次逼近式容栅位移测量系统

2.5. 本章小结

第三章全数字式容栅位移传感器性能分析

3.1.引言

3.2.容栅传感器极板参数的分析与设计

3.2.1.系统工作原理

3.2.2.参考电容和测量电容

3.2.3.理想情况下的传感器电容

3.2.4.实际情况下的传感器电容

3.2.5.容栅传感器的极限工作速度分析

3.2.6.容栅栅尺几何参数的最优化设计思路

3.3. 有限元法对容栅传感器的分析计算

3.3.1.容栅传感器栅尺的二维电场模型

3.3.2.静电场的变分

3.3.3.静电场的电位插值函数

3.3.4.元素能量分析

3.3.5.有限元方程的生成

3.3.6.采用LDLT法求解有限元方程

3.3.7.容栅栅尺有效测量电容的计算

3.3.8.容栅传感器栅尺的有限元分析结果

3.4. 本章小结

第四章全数字式容栅位移测量系统的设计实现

4.1.引言

4.2.基于周期测量的全数字式容栅位移测量系统

4.2.1.信号发生单元--多谐振荡器

4.2.2.双通道模拟开关

4.2.3.可编程分频器

4.2.4.基于CPLD的粗计数电路

4.2.5.基于单片机89C2051的精计数电路

4.2.6.液晶显示接口

4.2.7.非易失性存储器接口

4.2.8.系统软件流程

4.3. 基于全数字原理的容栅位移测量专用集成电路设计流程

4.4. 本章小结

第五章实验数据与误差分析

5.1.实验数据

5.2. 容栅式位移测量系统误差分析

5.3. 本章小结

第六章总结与展望

6.1.本文工作总结

6.2.研究工作展望

参考文献

附录1 用于测量方波周期的单片机源代码

附录2 全数字式容栅位移测量系统CPLD源代码

附录3 全数字式容栅传感器输出特性实验数据

致谢

攻读学位期间撰写和发表的学术论文