基于DSP的柵電極電容位移測量系統(tǒng)研究.pdf

1、電容位移傳感器具有結構簡單、靈敏度高、能實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)勢而被廣泛應用于直線位移、角度位移以及空間位移等精密測量領域。但傳統(tǒng)的電容位移傳感器也存在著諸多問題，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耦合因素多、缺少方向鑒別功能等。研究結構簡單、線性度好、精度高、量程大的電容位移測量系統(tǒng)具有重要現(xiàn)實意義。
　　為此，對現(xiàn)有電容位移傳感器結構及信號處理方式進行了系統(tǒng)分析，并基于傳統(tǒng)柵電極結構，提

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

3、了雙通道間輸出信號幅值與相位的相對關系，從理論上證明了本方案具有近似標準正余弦增量位移信號輸出特性，表明其具有位移測量細分及位移方向鑒別能力。針對接收電極與發(fā)射電極間氣隙變化與單通道輸出信號幅值的耦合干擾，提出采用雙通道瞬時輸出信號實現(xiàn)幅值歸一化處理的算法，有效抑制了氣隙波動對位移測量的負面影響。
　　繼而采用高速數(shù)字信號處理芯片(DSP) TMS320F28335設計了雙通道接收電極的信號處理系統(tǒng)，通過對電極耦合信號的帶通濾波、

4、信號放大、幅值解調、數(shù)據(jù)采集和分析，實現(xiàn)了位移實時測量。并基于精密微動工作臺及位移測量參考元件搭建了系統(tǒng)測試平臺，評估了交叉發(fā)射電極、雙通道接收電極電容位移測量系統(tǒng)的綜合性能。
　　在0.2～1.1mm的氣隙條件下，該測量系統(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‰，整脈沖位移測量重復精度為±1μm，連續(xù)位移檢測重復精度＞2μm，量程為100mm。試驗結果表明，該方案整脈沖重復精度