面向精密定位的平面電容式多自由度位移測量傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、多自由度的精密位移測量廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體及光學(xué)元器件的加工定位、細胞的操縱所需的定位及操縱、超精密機床的運動驅(qū)動等，是保證加工、定位、控制精度的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的多自由度精密位移測量系統(tǒng)需要多組單自由度傳感器組合而成，存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、誤差疊加、價格高等不足，因此研究結(jié)構(gòu)簡潔、高精度、低成本的多自由度精密位移測量技術(shù)與系統(tǒng)具有重要意義。本論文結(jié)合國家自然科學(xué)基金“基于平面電容傳感器的大行程高分辨率二維位移直接解耦測量方法研究”(No.5087

2、5241)和“基于柱狀電容傳感器的高精度主軸回轉(zhuǎn)誤差在線檢測方法研究”(No.51275465)等項目，以平面電容傳感器為研究對象，研究并建立大行程、高分辨率、多自由度位移直接解耦測量方法與系統(tǒng)。
　　第一章簡要闡述超精密位移測量技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并就其中的多自由度精密位移測量技術(shù)展開進一步的討論，分析存在的問題與不足;最后提出論文的研究目標(biāo)、意義以及主要研究內(nèi)容。
　　第二章介紹電容傳感器實現(xiàn)位移測量的工作原

3、理，提出可以實現(xiàn)大行程位移測量要求的一維柵式平面電容位移傳感器(Encoder-like Planar Capacitive Displacement Sensor，EPCDS)。并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計基于EPCDS的大行程、高分辨率二維位移直接解耦測量方法;構(gòu)建二維EPCDS實驗系統(tǒng)，以驗證所提出的二維位移直接解耦測量方法;開展誤差分析，提出改進的方法。
　　第三章分析電容傳感器產(chǎn)生邊緣效應(yīng)的原因，并簡要闡述目前消減邊緣效應(yīng)對測量精

4、度影響的幾種方法。針對論文提出的EPCDS，利用MAXWELL方程組建立電容量計算模型，通過參數(shù)優(yōu)化，減小并消除邊緣效應(yīng)對傳感器測量精度的影響。
　　第四章從原理上剖析影響二維EPCDS測量精度的主要誤差源。通過理論分析，建立二維EPCDS的誤差模型，量化各個誤差源對測量精度的影響，并嘗試通過合理的算法減小并消除傳感器誤差對測量精度的影響。
　　第五章在基于EPCDS的X-Y二維位移直接解耦測量方法的基礎(chǔ)上，采用改進的對稱化

5、結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出新型的多自由度EPCDS。在X-Y方向上各增加兩組傳感電容電極，使得X-Y方向各有四組傳感電容，運用單傳感器實現(xiàn)五自由度位移的直接解耦測量，包括水平運動方向的大行程線位移(X，Y)，以及三個旋轉(zhuǎn)自由度的小行程角位移（θx，θy，θz），并通過仿真分析進行驗證。
　　第六章主要闡述EPCDS信號采集與細分系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，包括微弱電容信號檢測電路的設(shè)計以及基于LabVIEW的細分算法開發(fā)。首先基于運算放大器采用鎖相自相

6、關(guān)檢測原理消減測量電路中噪聲對微弱電容信號的影響，實現(xiàn)微弱電容信號的檢測;其次設(shè)計反正切相移細分算法;最后基于LabVIEW軟件構(gòu)建五自由度位移直接解耦測量軟件系統(tǒng)。
　　第七章搭建面向超精密定位的平面電容式五自由度精密位移測量傳感器實驗裝置;然后針對硬件檢測電路的穩(wěn)定性從相移電路、檢測電路輸出兩個方面展開相關(guān)實驗;最后展開五自由度位移直接解耦測量的對比實驗，通過對比不同運動情況下各自由度位移測量的精度、穩(wěn)定性及解耦性，驗證本文提