基于DSP的栅电极电容位移测量系统研究

摘要

电容位移传感器具有结构简单、灵敏度高、能实现非接触测量等优势而被广泛应用于直线位移、角度位移以及空间位移等精密测量领域。但传统的电容位移传感器也存在着诸多问题，如变极距型电容位移传感器量程较小、线性度差;栅电极电容位移传感器的电容变化信号耦合因素多、缺少方向鉴别功能等。研究结构简单、线性度好、精度高、量程大的电容位移测量系统具有重要现实意义。
　　为此，对现有电容位移传感器结构及信号处理方式进行了系统分析，并基于传统栅电极结构，提出了一种新型大量程电容位移测量方案，包括一对相互交叉的发射电极和具有电气正交特性的双通道接收电极。通过等幅、反相位的高频正弦电压源分别激励交叉发射电极，可在其表面形成连续分布的相位交变电场，双通道接收电极通过电容耦合效应将发射电极与接收电极间的相对位移转换成一对正交调幅信号输出。
　　文中首先采用ANSOFT MAXWELL软件构建了发射电极与接收电极的仿真模型，模拟了电容耦合特性，推导了单通道接收电极的调制函数，并在此基础上分析了双通道间输出信号幅值与相位的相对关系，从理论上证明了本方案具有近似标准正余弦增量位移信号输出特性，表明其具有位移测量细分及位移方向鉴别能力。针对接收电极与发射电极间气隙变化与单通道输出信号幅值的耦合干扰，提出采用双通道瞬时输出信号实现幅值归一化处理的算法，有效抑制了气隙波动对位移测量的负面影响。
　　继而采用高速数字信号处理芯片(DSP) TMS320F28335设计了双通道接收电极的信号处理系统，通过对电极耦合信号的带通滤波、信号放大、幅值解调、数据采集和分析，实现了位移实时测量。并基于精密微动工作台及位移测量参考元件搭建了系统测试平台，评估了交叉发射电极、双通道接收电极电容位移测量系统的综合性能。
　　在0.2～1.1mm的气隙条件下，该测量系统分辨率范围为82.3～4.2nm，灵敏度范围为3.6～72.6mV/μm，非线性误差＜2‰，整脉冲位移测量重复精度为±1μm，连续位移检测重复精度＞2μm，量程为100mm。试验结果表明，该方案整脉冲重复精度高，位移检测的细分及方向鉴别处理便捷，对气隙波动的干扰抑制强，在精密位移检测领域具有良好应用前景。

目录

论文说明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 精密位移测量技术国内外现状

1．2．1 光学式精密位移测量

1．2．2 磁栅式位移测量

1．2．3 电感式位移测量

1．2．4 电容位移传感器现状

1．2．5 传统电容位移传感器存在的问题

1．3 本文研究的主要内容

第2章 电容位移测量系统原理与分析

2．1 电容位移传感器基础理论

2．1．1 变极距型电容位移传感器

2．1．2 变面积型电容位移传感器

2．1．3 容栅位移传感器

2．1．4 传感器等效电路

2．2 电容位移传感器检测电路原理

2．2．1 AC桥路式测量电路

2．2．2 调频式测量电路

2．2．3 差动脉冲调宽式测量电路

2．2．4 运算放大器式测量电路

2．2．5 本文选择电路方案

2．3 本章小结

第3章 新型栅电极电容位移传感器

3．1 新型栅电极电容位移传感器理论建模

3．2 单通道接收电极调制函数推导

3．3 气隙对单通道幅值调制函数的影响

3．4 方向鉴别功能的实现

3．5 双通道瞬时输出信号幅值归一化处理

3．6 本章小结

第4章 接收电极信号处理系统设计

4．1 电极耦合信号处理电路

4．1．1 放大电路

4．1．2 无源滤波器

4．1．3 精密整流电路

4．2 DSP数据采集电路

4．2．1 TMS320F28335芯片性能

4．2．2 DSP外设电路

4．2．3 AD7606外设电路

4．2．4 比较电路和逻辑电路

4．3 CCS软件设计

4．3．1 主程序

4．3．2 eQEP位移采样子程序

4．3．3 AD电压采样子程序

4．4 系统干扰分析及解决

4．5 本章小结

第5章 测量系统试验及数据分析

5．1 系统试验平台搭建

5．1．1 栅电极PCB板的制作

5．1．2 DSP数据采集板设计

5．1．3 系统测试平台

5．2 实验过程及结果分析

5．2．1 整脉冲位移重复检测精度

5．2．2 单通道信号的气隙响应特性

5．2．3 双通道信号的幅值波动补偿

5．2．4 分辨率、灵敏度、线性度测试

5．2．5 连续位移重复检测精度

5．3 误差来源分析

5．4 系统达到的技术性能指标

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果

声明