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調(diào)頻式電容E+E位移傳感器中鑒頻技術(shù)的研究
電容E+E位移傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)性能好、分辨力高,能實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量,可檢測(cè)位移、平面度、微振動(dòng)等,廣泛應(yīng)用于高精密加工和測(cè)量領(lǐng)域。調(diào)頻式電容E+E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(jí)位移測(cè)量中,調(diào)頻信息較微弱,且輸入輸出特性存在一定非線性。

調(diào)頻式電容E+E位移傳感器中鑒頻技術(shù)的研究
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(duì)傳感器輸出的非線性進(jìn)行校正,則會(huì)進(jìn)一步降低傳感器頻響。因此,在保證傳感器分辨力、穩(wěn)定性等指標(biāo)的情況下,對(duì)調(diào)頻信號(hào)的快速鑒頻以及對(duì)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E+E位移傳感器性能的關(guān)鍵所在。本課題針對(duì)調(diào)頻式電容E+E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:深入研究各類數(shù)字瞬時(shí)測(cè)頻方法和模擬鑒頻方法,對(duì)其分辨力、穩(wěn)定性和頻響指標(biāo)進(jìn)行仿真和分析,結(jié)合調(diào)頻信號(hào)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*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;結(jié)合調(diào)頻信號(hào)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(hào)中心頻率由3.7MHz左右搬移到12.5kHz,使調(diào)頻信號(hào)和鑒頻曲線的非線性得到自我補(bǔ)償,提高傳感器整機(jī)輸出的線性度;本振信號(hào)頻率大于調(diào)頻信號(hào)時(shí)非線性才能自補(bǔ)償,為避免因調(diào)頻信號(hào)頻率漂移或位移過度引起調(diào)頻信號(hào)頻率大于本振信號(hào)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(cè)量初始時(shí)先對(duì)調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行多周期同步法測(cè)頻,根據(jù)測(cè)頻結(jié)果相應(yīng)調(diào)整本振信號(hào)頻率以實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)校正;對(duì)鑒頻模塊及傳感器整機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

調(diào)頻式電容E+E位移傳感器中鑒頻技術(shù)的研究
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%,一小時(shí)示值穩(wěn)定在20nm以內(nèi)。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證傳感器具備1.1kHz以上的頻響,傳感器動(dòng)態(tài)頻響理論上可達(dá)到7kHz。