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、動態(tài)性能好、分辨力高，能實現(xiàn)非接觸式測量，可檢測位移、平面度、微振動等，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)定性和分辨力指標下降了。若采用數(shù)字算法對傳感器輸出的非線性進行校正，則會進一步降

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保證的問題，同時提高鑒頻穩(wěn)定性、重復性等關(guān)鍵技術(shù)指標。主要研究工作如下：
　　1.深入研究各類數(shù)字瞬時測頻方法和模擬鑒頻方法，對其分辨力、穩(wěn)定性和頻響指標進行仿

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。該法可實現(xiàn)鑒頻曲線和調(diào)頻曲線非線性的全程自補償，傳統(tǒng)方法則無法完全補償，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具備較高的頻響和穩(wěn)定性，并且體積小，易于實現(xiàn)和調(diào)試；
　　2.結(jié)合調(diào)頻信號自身特點，設(shè)計下變頻模塊(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償，提高傳感

4、器整機輸出的線性度；
　　3.本振信號頻率大于調(diào)頻信號時非線性才能自補償，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)計頻率自校正模塊，測量初始時先對調(diào)頻信號進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現(xiàn)零點校正；
　　4.對鑒頻模塊及傳感器整機進行實驗。
　　靜態(tài)實驗表明，傳感器初始間距100μm時，在±10μm范圍內(nèi)分辨力達到5nm，線性度為0.835％，