全数字式电容位移传感器的研制

论文摘要

由于具有结构简单、动态特性好、能实现非接触式测量等优点,电容位移传感器广泛应用于超精密加工、高精度定位、超精密测量等领域。现有电容位移传感器普遍采用测头与测量电路分立式设计,信号传输电缆的寄生电容等分布参数对传感器的分辨力、稳定性等性能影响显著,因此信号传输距离受到严重限制。如何保证电容模拟信号传输的稳定性以及减少漂移,就成了影响电容传感器性能的关键。本文对目前广泛应用的电容测量电路进行了较系统的归纳和分析。在此基础上,设计了以电容数字转换器为主的测量电路,采用将该测量电路完全内置于传感器测头的思想,研制出一种新型的全数字式电容位移传感器。其测量电容值的数字化过程全部在测头内部完成,由测头直接输出数字信号并由单片机进行处理,电路结构简单,整个电路中没有影响测量稳定性以及产生零点漂移的元器件,有效解决了传统电容传感器存在的稳定性差和漂移大的技术问题。具体研究工作如下:首先,根据课题需要达到的指标,对传感器测头的机械结构进行了设计,并给出了各部分尺寸结构的设计依据。其次,传感器采用MSP430F149单片机作为主控芯片,实现了整机的智能化,完成了集采集、处理、控制于一体的单片机系统设计,详细介绍了系统的软、硬件结构。再次,研制了基于CY7C68013A芯片的USB2.0接口模块,传输速度达到16Mb/s,完成了上位机应用程序的编写,实现了良好的人机接口。最后,采用PI公司的压电陶瓷微动台完成了对传感器的标定,并进行了精度比对实验。综上,本文完成了新型电容位移传感器的设计与制造,理论与实验结果表明:全数字式电容位移传感器具有分辨力高、稳定性好和漂移小的优点,10μm测量范围范围内分辨力达到1nm,线性度优于0.08%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.3 传统电容位移传感器存在的技术问题
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 全数字式电容位移传感器原理及设计方案
• 2.1 引言
• 2.2 全数字式电容位移传感器测微方法研究
• 2.2.1 单极板电容传感器工作机理
• 2.2.2 电容位移传感器测量方法对比
• 2.2.3 数字化方法的实现
• 2.3 传感器整体设计方案
• 2.3.1 传感器控制电路设计方案
• 2.3.2 传感器与计算机通信接口模块设计方案
• 2.4 本章小结
• 第3章 全数字式电容位移传感器研制
• 3.1 引言
• 3.2 传感器测头结构分析与确定
• 3.2.1 极板设计原则与尺寸确定
• 3.2.2 等位环结构
• 3.2.3 外壳结构与尺寸
• 3.3 内置测量电路
• 3.4 传感器信号处理与控制电路设计
• 3.4.1 基于MSP430F149 的主控电路结构
• 3.4.2 信号隔离技术与实现
• 3.4.3 液晶显示模块硬件电路设计
• 3.5 高速USB2.0 数据传输通信接口实现
• 3.5.1 EZ-USB FX2 接口芯片内部资源
• 3.5.2 USB2.0 通信接口的端点缓冲区配置
• 3.5.3 USB2.0 通信接口的接口模式配置
• 3.5.4 USB2.0 通信接口硬件电路设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 全数字式电容位移传感器软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 传感器主控电路软件设计
• 4.2.1 主程序模块功能
• 4.2.2 IIC时序模块子程序
• 4.2.3 数据处理模块子程序
• 4.2.4 USB数据传输模块子程序
• 4.3 USB2.0 通信接口固件程序开发
• 4.4 上位机应用程序设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 传感器测试实验与分析
• 5.1 引言
• 5.2 传感器的标定
• 5.2.1 标定平台构建
• 5.2.2 压电陶瓷微动台稳定性测试
• 5.2.3 数据拟合处理
• 5.3 线性度实验
• 5.4 分辨力实验
• 5.5 重复性实验
• 5.6 示值稳定性实验
• 5.7 影响传感器精度的因素分析
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢