超精密测量光路中调焦位移共轴检测技术的研究

论文摘要

本课题是福建省科技计划重点项目“柔性电路FPC非电量参数在线质量控制技术研究”中的一项关键技术——实现超精密光学测量系统中调焦位移的共轴检测,解决该系统中存在的原理性误差问题,并最终提高光学测量系统的测量精度。在应用各种光学原理实现对超精加工表面的几何量测量中,精加工表面面形及微观形貌是由位移传感器记录光学测头的离焦量而得到的。电容式位移传感器具有很多优点,是记录调焦位移的关键部件。结合实现光学测量系统测头的小型化及减小边缘效应影响等要求,可用变极距式平板电容位移传感器实现光学测量系统调焦位移的共轴检测。本文突破了普通平板式电容位移传感器的结构限制,设计了一种新型的中间通光、环状电极、带双等电位保护环电容式位移传感器,使测量光路的测量光轴从极板的对称中心穿过,传感器对称轴与光路的光轴重合,从而满足阿贝测量原则;改变传统机械加工工艺,采用微机电系统(MEMS)工艺加工双等位环电极极板,可以使极板做得很薄,约为几微米;等位环与电极极板之间的间隙很薄,约为10μm,有效减小了边缘效应附加电容的影响,从而提高了测量的线性度和测量精度;设计了改进型的电容运算放大器检测电路。最后,通过数据采集卡将测量信号采集到计算机,由计算机将数据处理、显示输出,实现了智能化。课题主要的研究工作内容有:1.对平板式电容传感器的边缘效应及其对输出特性的非线性影响进行定性分析;2.根据课题设计要求,应用AutoCAD软件绘出中间有通光孔的双等位环电极极板的结构;3.设计电极极板加工的MEMS工艺流程并加工电极极板;4.在电路仿真的基础上,设计电容式传感器检测电路,进行位移测量实验;5.完成了电容式位移传感器的初步标定。在完成了试验仿真的基础上,在实验台上进行了动态试验。对电容式传感器的标定实验表明,非线性误差小于1%,实现了预期的设计目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本课题的研究目的和意义
• 1.3 微位移测量技术的研究现状
• 1.3.1 常用的微位移测量方法
• 1.3.2 电容式传感器的研究现状
• 1.4 本课题的主要研究内容和研究方案
• 1.5 本章小结
• 第二章 光学测量系统分析
• 2.1 引言
• 2.2 测量光路原理
• 2.3 测量光路中的平板式电容位移传感器
• 2.3.1 测量光路中阿贝误差
• 2.3.2 边缘效应
• 2.3.3 传感器电极极板加工
• 2.4 本章小结
• 第三章 电容式传感器基本原理
• 3.1 电容式传感器概述
• 3.2 电容式传感器工作原理
• 3.2.1 电容式传感器的构成及各元件的作用
• 3.2.2 电容式传感器的类型
• 3.3 双等位环电容式位移传感器结构分析
• 3.4 应用中存在的问题及改进措施
• 3.4.1 等效电路
• 3.4.2 边缘效应
• 3.4.3 静电引力
• 3.4.4 寄生电容
• 3.4.5 温度影响
• 3.5 使用电容式传感器应注意的几个问题
• 3.5.1 工作点的选择
• 3.5.2 标定
• 3.5.3 绝缘、接地与屏蔽
• 3.6 本章小结
• 第四章 平板式电容传感器电极MEMS工艺研究
• 4.1 微机电系统（MEMS）概述
• 4.2 微机电系统（MEMS）工艺简介
• 4.2.1 清洗
• 4.2.2 氧化
• 4.2.3 光刻
• 4.2.4 腐蚀
• 4.2.5 沉积
• 4.3 平板式电容传感器电极的制作流程
• 4.4 制作过程中的问题及其解决方法
• 4.5 本章小结
• 第五章 电容式传感器检测电路的研究与设计
• 5.1 检测电路的方案选择
• 5.1.1 引言
• 5.1.2 电容检测电路的分类
• 5.2 检测电路的设计
• 5.2.1 改进型的运算放大器检测法
• 5.2.2 电容检测电路的仿真
• 5.3 本章小结
• 第六章 实验结果及分析
• 6.1 实验系统设计及装置
• 6.1.1 实验光路系统
• 6.1.2 读出信号处理（信号放大电路）
• 6.1.3 数据采集模块
• 6.1.4 LabVIEW计算机程序设计
• 6.2 实验结果及分析
• 6.2.1 实验测试
• 6.2.2 实验数据分析
• 6.2.3 实验误差分析
• 6.3 本章小结
• 结束语
• 一、结论
• 二、展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文