基于平面电容传感器的大量程、高精度二维位移直接解耦测量方法和系统研究

论文摘要

随着科学技术的迅速发展,精密检测技术得到了越来越广泛的应用。特别是位移检测技术,随着现代工业的发展,逐渐朝着高精度、大量程和多维位移直接测量的方向发展,同时要求检测系统能实现实时、在线测量。目前一维线位移测量已经能够达到毫米级以上量程、纳米级分辨率,但还存在量程小、测量多维位移时需要多套系统、系统成本高等诸多缺点。随着二维位移直接检测的需求不断加大,研究低成本、性能良好的高精度、大量程二维位移直接解耦测量系统就具有十分重要的意义。本文基于自行研制的平面电容传感器进行了相关的研究。论文基于电容传感器测量位移的基本原理,设计了实现二维位移直接解耦测量的平面电容传感器结构形式,提出了基于平面电容传感器的大量程、高精度二维位移直接解耦测量方法,并研制了二维位移直接解耦测量系统原型。论文的主要研究内容如下:第一章回顾了超精密位移检测技术的国内外研究现状及其发展趋势,介绍了现代科学技术的发展对超精密位移检测技术提出的新要求,分析了存在的问题,在此基础上提出了课题的研究目的、意义和论文的主要研究内容。第二章阐述了电容传感器检测位移的基本原理,提出了基于平面电容传感器的大量程、高精度二维位移直接解耦测量方法,在此基础上设计了可实现二维位移直接解耦测量的平面电容传感器结构形式,并进行了功能扩展。第三章研究了平面电容传感器的电容量和相应的灵敏度计算方法,并对平面电容传感器的结构形式进行了优化设计。第四章介绍基于平面电容传感器的二维位移直接解耦测量系统硬件研制。重点分析平面电容传感器信号的检出、调理硬件电路。介绍了常用的电容信号检出技术,并结合平面电容传感器的特点,设计了信号调理的各个单元电路,提出并实施了有效的抗干扰措施。第五章介绍二维位移直接解耦测量系统的信号处理算法与软件研制,研究了获取位移量信息所需的各软件功能模块和总体方案,设计并实现了基于LabVIEW和数据采集卡的测试方案,还提出了便于控制系统集成的基于DSP的实时处理方案。第六章通过实验测试了硬件电路输入输出信号的稳定性,并对测量系统的主要性能指标进行了测定,根据实验数据对实验结果进行了分析。第七章对全文的研究内容进行了总结,并对进一步的研究工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 超精密位移测量技术研究的背景
• 1.2 超精密位移测量技术的国内外研究现状
• 1.3 超精密二维位移测量技术的现状与发展趋势
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 1.5 论文的主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 基于平面电容传感器的二维位移直接解耦测量原理
• 2.1 引言
• 2.2 基于电容传感器的位移测量原理
• 2.3 基于平面电容传感器的二维位移直接解耦测量原理
• 2.3.1 二维位移直接解耦测量的原理
• 2.3.2 辨向功能扩展
• 2.4 本章小结
• 第三章 平面电容传感器的结构参数优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 PCS电容量的计算
• 3.2.1 基于电容量定义的计算法
• 3.2.2 基于麦克斯韦电磁理论的计算法
• 3.2.3 基于有限元分析的计算法
• 3.3 PCS灵敏度的确定
• 3.3.1 单组极板的灵敏度
• 3.3.2 PCS灵敏度和结构参数的确定
• 3.4 本章小结
• 第四章 二维位移直接解耦测量系统硬件研制
• 4.1 引言
• 4.2 硬件电路设计
• 4.2.1 电容信号检出
• 4.2.2 检出信号交流放大
• 4.2.3 放大信号锁相检测
• 4.3 抗干扰技术
• 4.3.1 干扰的来源
• 4.3.2 抗干扰的设计和实施
• 4.4 本章小结
• 第五章 二维位移直接解耦测量系统的信号处理与软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 信号处理算法
• 5.2.1 运动辨向
• 5.2.2 1/4周期计数
• 5.2.3 相位细分
• 5.2.4 位移量整合计算
• 5.3 基于LabVIEW的测量系统软件设计
• 5.3.1 LabVIEW平台简介
• 5.3.2 基于LabVIEW的测量系统软件实现
• 5.4 基于DSP的测量系统软件设计
• 5.4.1 TMS320F2812芯片简介
• 5.4.2 F2812软件设计中的关键问题
• 5.4.3 基于DSP的测量系统软件实现
• 5.5 本章小结
• 第六章 二维位移直接解耦测量系统实验研究
• 6.1 二维位移直接解耦测量系统性能测试实验平台构建
• 6.2 信号检测电路的稳定性测试
• 6.2.1 激励源的稳定性测试
• 6.2.2 移相电路的稳定性测试
• 6.2.3 传感器和检测电路的整体稳定性测试
• 6.3 二维位移直接解耦测量系统性能指标测定
• 6.3.1 实验步骤
• 6.3.2 直接解耦测量原理的验证
• 6.3.3 线性度的实验
• 6.3.4 分辨率和灵敏度的实验
• 6.3.5 重复测量精度的实验
• 6.3.6 位移测量精度的实验
• 6.3.7 误差来源分析
• 6.4 二维位移直接解耦测量系统达到的技术性能指标
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢