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

1、多自由度的精密位移測(cè)量廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體及光學(xué)元器件的加工定位、細(xì)胞的操縱所需的定位及操縱、超精密機(jī)床的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(cè)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(jià)格高等不足，因此研究結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、高精度、低成本的多自由度精密位移測(cè)量技術(shù)與系統(tǒng)具有重要意義。本論文結(jié)合國(guó)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(cè)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(cè)方法研究”(No.51275465)等項(xiàng)目，以平面電容傳感器為研究對(duì)象，研究并建立大行程、高分辨率、多自由度位移直接解耦測(cè)量方法與系統(tǒng)。
　　第一章簡(jiǎn)要闡述超精密位移測(cè)量技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并就其中的多自由度精密位移測(cè)量技術(shù)展開(kāi)進(jìn)一步的討論，分析存在的問(wèn)題與不足;最后提出論文的研究目標(biāo)、意義以及主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二章介紹電容傳感器實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的工作原

3、理，提出可以實(shí)現(xiàn)大行程位移測(cè)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(jì)基于EPCDS的大行程、高分辨率二維位移直接解耦測(cè)量方法;構(gòu)建二維EPCDS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以驗(yàn)證所提出的二維位移直接解耦測(cè)量方法;開(kāi)展誤差分析，提出改進(jìn)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(jiǎn)要闡述目前消減邊緣效應(yīng)對(duì)測(cè)量精

4、度影響的幾種方法。針對(duì)論文提出的EPCDS，利用MAXWELL方程組建立電容量計(jì)算模型，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，減小并消除邊緣效應(yīng)對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響。
　　第四章從原理上剖析影響二維EPCDS測(cè)量精度的主要誤差源。通過(guò)理論分析，建立二維EPCDS的誤差模型，量化各個(gè)誤差源對(duì)測(cè)量精度的影響，并嘗試通過(guò)合理的算法減小并消除傳感器誤差對(duì)測(cè)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(cè)量方法的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的對(duì)稱化

5、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(yùn)用單傳感器實(shí)現(xiàn)五自由度位移的直接解耦測(cè)量，包括水平運(yùn)動(dòng)方向的大行程線位移(X，Y)，以及三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的小行程角位移（θx，θy，θz），并通過(guò)仿真分析進(jìn)行驗(yàn)證。
　　第六章主要闡述EPCDS信號(hào)采集與細(xì)分系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，包括微弱電容信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)以及基于LabVIEW的細(xì)分算法開(kāi)發(fā)。首先基于運(yùn)算放大器采用鎖相自相

6、關(guān)檢測(cè)原理消減測(cè)量電路中噪聲對(duì)微弱電容信號(hào)的影響，實(shí)現(xiàn)微弱電容信號(hào)的檢測(cè);其次設(shè)計(jì)反正切相移細(xì)分算法;最后基于LabVIEW軟件構(gòu)建五自由度位移直接解耦測(cè)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(cè)量傳感器實(shí)驗(yàn)裝置;然后針對(duì)硬件檢測(cè)電路的穩(wěn)定性從相移電路、檢測(cè)電路輸出兩個(gè)方面展開(kāi)相關(guān)實(shí)驗(yàn);最后展開(kāi)五自由度位移直接解耦測(cè)量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比不同運(yùn)動(dòng)情況下各自由度位移測(cè)量的精度、穩(wěn)定性及解耦性，驗(yàn)證本文提