調(diào)頻式電容位移傳感器中鑒頻技術(shù)的研究.pdf

1、電容位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)性能好、分辨力高，能實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，可檢測位移、平面度、微振動(dòng)等，廣泛應(yīng)用于高精密加工和測量領(lǐng)域。調(diào)頻式電容位移傳感器一般采用LC振蕩電路作為調(diào)頻電路，在納米級位移測量中，調(diào)頻信息較微弱，且輸入輸出特性存在一定非線性。目前，采用數(shù)字方法研制的鑒頻能達(dá)到較高的分辨力和穩(wěn)定性，但頻響往往較低，而用模擬方法制作的鑒頻器雖頻響較高，但穩(wěn)定性和分辨力指標(biāo)下降了。若采用數(shù)字算法對傳感器輸出的非線性進(jìn)行校正，則會進(jìn)一步降

2、低傳感器頻響。因此，在保證傳感器分辨力、穩(wěn)定性等指標(biāo)的情況下，對調(diào)頻信號的快速鑒頻以及對其輸入輸出特性進(jìn)行有效的非線性處理是提高調(diào)頻式電容位移傳感器性能的關(guān)鍵所在。
　　本課題針對調(diào)頻式電容位移傳感器中的鑒頻技術(shù)進(jìn)行了深入研究，主要解決鑒頻模塊高分辨力與高頻響難以同時(shí)保證的問題，同時(shí)提高鑒頻穩(wěn)定性、重復(fù)性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。主要研究工作如下：
　　1.深入研究各類數(shù)字瞬時(shí)測頻方法和模擬鑒頻方法，對其分辨力、穩(wěn)定性和頻響指標(biāo)進(jìn)行仿

3、真和分析，結(jié)合調(diào)頻信號自身特性，選用移相乘積鑒頻方法。該法可實(shí)現(xiàn)鑒頻曲線和調(diào)頻曲線非線性的全程自補(bǔ)償，傳統(tǒng)方法則無法完全補(bǔ)償，由于核心器件為易于集成的乘法器，在獲得高分辨力的同時(shí)具備較高的頻響和穩(wěn)定性，并且體積小，易于實(shí)現(xiàn)和調(diào)試；
　　2.結(jié)合調(diào)頻信號自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)下變頻模塊(包括基于DDS技術(shù)的本振電路和混頻下變頻電路)，將調(diào)頻信號中心頻率由3.7MHz左右搬移到12.5kHz，使調(diào)頻信號和鑒頻曲線的非線性得到自我補(bǔ)償，提高傳感

4、器整機(jī)輸出的線性度；
　　3.本振信號頻率大于調(diào)頻信號時(shí)非線性才能自補(bǔ)償，為避免因調(diào)頻信號頻率漂移或位移過度引起調(diào)頻信號頻率大于本振信號的類似鏡像干擾情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)頻率自校正模塊，測量初始時(shí)先對調(diào)頻信號進(jìn)行多周期同步法測頻，根據(jù)測頻結(jié)果相應(yīng)調(diào)整本振信號頻率以實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)校正；
　　4.對鑒頻模塊及傳感器整機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
　　靜態(tài)實(shí)驗(yàn)表明，傳感器初始間距100μm時(shí)，在±10μm范圍內(nèi)分辨力達(dá)到5nm，線性度為0.835％，