基于DSP的柵電極電容位移測(cè)量系統(tǒng)研究.pdf

1、電容位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于直線位移、角度位移以及空間位移等精密測(cè)量領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的電容位移傳感器也存在著諸多問(wèn)題，如變極距型電容位移傳感器量程較小、線性度差;柵電極電容位移傳感器的電容變化信號(hào)耦合因素多、缺少方向鑒別功能等。研究結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性度好、精度高、量程大的電容位移測(cè)量系統(tǒng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
　　為此，對(duì)現(xiàn)有電容位移傳感器結(jié)構(gòu)及信號(hào)處理方式進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并基于傳統(tǒng)柵電極結(jié)構(gòu)，提

2、出了一種新型大量程電容位移測(cè)量方案，包括一對(duì)相互交叉的發(fā)射電極和具有電氣正交特性的雙通道接收電極。通過(guò)等幅、反相位的高頻正弦電壓源分別激勵(lì)交叉發(fā)射電極，可在其表面形成連續(xù)分布的相位交變電場(chǎng)，雙通道接收電極通過(guò)電容耦合效應(yīng)將發(fā)射電極與接收電極間的相對(duì)位移轉(zhuǎn)換成一對(duì)正交調(diào)幅信號(hào)輸出。
　　文中首先采用ANSOFT MAXWELL軟件構(gòu)建了發(fā)射電極與接收電極的仿真模型，模擬了電容耦合特性，推導(dǎo)了單通道接收電極的調(diào)制函數(shù)，并在此基礎(chǔ)上分析

3、了雙通道間輸出信號(hào)幅值與相位的相對(duì)關(guān)系，從理論上證明了本方案具有近似標(biāo)準(zhǔn)正余弦增量位移信號(hào)輸出特性，表明其具有位移測(cè)量細(xì)分及位移方向鑒別能力。針對(duì)接收電極與發(fā)射電極間氣隙變化與單通道輸出信號(hào)幅值的耦合干擾，提出采用雙通道瞬時(shí)輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)幅值歸一化處理的算法，有效抑制了氣隙波動(dòng)對(duì)位移測(cè)量的負(fù)面影響。
　　繼而采用高速數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP) TMS320F28335設(shè)計(jì)了雙通道接收電極的信號(hào)處理系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)電極耦合信號(hào)的帶通濾波、

4、信號(hào)放大、幅值解調(diào)、數(shù)據(jù)采集和分析，實(shí)現(xiàn)了位移實(shí)時(shí)測(cè)量。并基于精密微動(dòng)工作臺(tái)及位移測(cè)量參考元件搭建了系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，評(píng)估了交叉發(fā)射電極、雙通道接收電極電容位移測(cè)量系統(tǒng)的綜合性能。
　　在0.2～1.1mm的氣隙條件下，該測(cè)量系統(tǒng)分辨率范圍為82.3～4.2nm，靈敏度范圍為3.6～72.6mV/μm，非線性誤差＜2‰，整脈沖位移測(cè)量重復(fù)精度為±1μm，連續(xù)位移檢測(cè)重復(fù)精度＞2μm，量程為100mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案整脈沖重復(fù)精度