用于微位移测量的石英晶体电容传感器

论文摘要

微位移测距广泛应用于多个领域,如精密测量,精密定位,微细加工,微电子制造等。用于微位移测量的传感器包括电感式,光学式,电容式等,均有各自的优缺点。其中,电容微位移传感器因其低成本,高分辨率,结构简单等特点被广泛应用。本文提出一种用于微位移测量的新型石英晶体电容传感器,围绕这种新型传感器,开展了一系列理论研究和实验分析,其主要内容包括：（1）在分析讨论石英晶体谐振器和平面电容的工作原理和特点的基础上,设计了一种采用石英晶体电容传感器测量微位移的检测方案。这种传感器是由平面电容与石英晶体谐振器串联构成,平面电容因被测物的位移改变而产生电容值变化,从而影响石英晶体谐振器的谐振频率。该传感器具有灵敏度高、稳定性好、体积小,测试方便、成本低、且容易实现数字化信号输出的优点。（2）采用有限元分析法构建石英晶体谐振器模型,通过仿真分析石英晶体谐振器的谐振响应,初步分析了电极厚度对石英晶体谐振器谐振频率的影响。（3）分析了石英晶体电容传感器的等效电路,导出了该传感器的串联谐振频率与并联谐振频率,并通过分析讨论得到被测物的微位移与外部串联电容以及石英晶体电容传感器的串联谐振频率的关系。（4）通过石英晶体电容传感器测量微位移的一系列实验,验证了这种新型石英晶体电容传感器测量微位移的可行性。被测物为铜、铝等金属时,传感器的串联谐振频率对微位移的响应曲线呈现分段线性,在区间20μm-1000μm内,传感器的串联谐振频率随位移的减小而变小,超过1000μm之后,串联谐振频率变化趋向稳定,并且传感器的灵敏度随位移的减小而增大。被测物为介质材料时,传感器的灵敏度较金属偏低,而且与材料的介电常数关系较大。传感器的品质因数随着位移的减小而增加,这表明传感器在小量程测量时更可靠、更稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 微位移传感器
• 1.2 电容式微位移传感器的研究现状
• 1.2.1 电容式传感器的研究现状
• 1.2.2 平面电容式微位移传感器的研究现状
• 1.3 电容式传感器的检测电路的研究现状
• 1.4 课题的提出以及主要工作
• 第2章 石英晶体电容传感器的工作原理
• 2.1 石英晶体谐振器
• 2.1.1 理论基础
• 2.1.2 石英晶体的结构与振动模式
• 2.1.3 石英晶体的材料常数矩阵
• 2.1.4 石英晶体谐振器的工作原理
• 2.2 电容敏感元件
• 2.2.1 电容及电容传感器的分类
• 2.2.2 平面电容
• 2.2.3 叉指电极式电容
• 2.3 石英晶体电容传感器的工作原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 石英晶体谐振器的有限元分析
• 3.1 有限元分析法构建石英晶体谐振器
• 3.1.1 有限元法
• 3.1.2 构建石英晶体谐振器模型的步骤
• 3.2 仿真结果分析
• 3.2.1 石英晶体谐振器的谐振响应
• 3.2.2 电极厚度对石英晶体谐振器的频率响应的分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 石英晶体电容传感器的等效电路
• 4.1 石英晶体谐振器的等效电路与谐振频率
• 4.1.1 石英晶体谐振器的等效电路
• 4.1.2 石英晶体谐振器的谐振频率
• 4.1.3 石英晶体谐振器的谐振频率的比较
• 4.2 石英晶体电容传感器的等效电路与谐振频率
• 4.3 本章小结
• 第5章 石英晶体电容传感器测量微位移实验
• 5.1 石英晶体电容传感器的实验装置
• 5.2 石英晶体电容传感器测微位移的实验结果
• 5.2.1 石英晶体电容传感器测微位移的频率响应
• 5.2.2 石英晶体电容传感器与石英晶体谐振器频率响应的比较
• 5.2.3 不同基频石英晶体电容传感器谐振响应的比较
• 5.2.4 采用不同材料的被测物时石英晶体电容传感器谐振响应的比较
• 5.3 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文