电容位移传感器温度漂移主动抑制技术研究

论文摘要

电容式位移传感器由于具有分辨率高、频响高、可实现非接触式测量等优点,在精密加工、高精度定位、超精密测量等领域得到广泛的应用。由于电容位移传感器信号转换和处理电路存在模拟环节,因此其传感特性易寄生电容等寄生参数和温度的影响。使用运算放大式测量方法在一定程度上解决了寄生参数的问题,但是运算放大式的电容位移传感器对参考电容的特性要求非常严格,参考电容的温度特性直接影响传感器的温度特性,使用目前的低温漂电容还是不能满足纳米精度测量的要求。因此,如何有效的抑制电容位移传感器的温度漂移成为研制纳米精度电容位移传感器的技术关键。本文基于运算放大式电容位移传感器的特点,对其测量原理和温度漂移成因进行了分析,提出了通过对电容位移传感器小温度场进行控制来抑制其温度漂移的策略,并设计了一套电容位移传感器主动抑制系统。首先,根据运算放大式电容传感器的温度漂移成因,给出了系统的总体设计方案。并完成了闭环控制系统硬件电路的设计,包括控制器模块电路、执行器驱动模块电路、反馈电路和其他外围电路。其次,完成了系统的软件设计,主要包括主程序、温度采集程序设计、D/A转换程序及RS232串行通信程序的设计。再次,对PID控制和Bang-Bang控制进行了研究,设计了抗积分饱和PID控制和Bang-Bang控制复合的控制算法,并实现了算法向单片机的程序移植。最后,对系统的性能进行了实验研究,实验结果表明系统能够显著抑制电容位移传感器温度漂移。综上所述,本文针对电容位移传感器温度漂移的问题,提出了一种主动抑制技术,并完成了电容位移传感器温度漂移主动抑制系统的研制,有效的解决了电容位移传感器温度漂移问题。

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
• 1.2.1 电容位移传感技术研究现状
• 1.2.2 半导体控温技术研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 主动抑制系统总体方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 温度漂移成因及抑制策略
• 2.3 系统总体方案设计
• 2.3.1 系统总体构成
• 2.3.2 系统机械结构
• 2.3.3 系统热结构
• 2.4 关键器件选型
• 2.4.1 温度传感器选型
• 2.4.2 系统执行元件选型
• 2.5 本章小结
• 第3章 系统硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 系统控制器电路
• 3.2.1 控制器电路
• 3.2.2 D/A转换电路
• 3.2.3 接口电路
• 3.3 系统反馈电路
• 3.4 系统执行元件驱动电路
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统软件设计与控制算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 系统软件设计
• 4.2.1 主程序设计
• 4.2.2 温度采集程序设计
• 4.2.3 D/A转换程序设计
• 4.2.4 RS232 串行通信程序设计
• 4.3 控制算法研究
• 4.3.1 抗积分饱和PID控制算法设计
• 4.3.2 Bang-Bang控制算法设计
• 4.3.3 系统控制算法的复合
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验与分析
• 5.1 引言
• 5.2 PID参数整定实验
• 5.2.1 比例系数整定实验
• 5.2.2 积分系数整定实验
• 5.2.3 微分系数整定实验
• 5.3 系统性能实验
• 5.3.1 控温偏差实验
• 5.3.2 长期稳定性实验
• 5.4 电容传感器温度漂移主动抑制实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢