本文的研究目標(biāo)是在深入了解電容式傳感器測微測振原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計與開發(fā)無纜集成式精密電容測微測振傳感系統(tǒng),以實現(xiàn)對微位移、微振動的高精度測量。由于被測信號十分微弱,為了得到高精度的測里結(jié)果,本文分析了影響電容式測微測振傳感系統(tǒng)測呈:精度的各種因素,并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行消除。為了消除雜散電容,盡里使維長近于零,所以使用無維集成式手段和方法提高系統(tǒng)精度。在信號調(diào)理方面,本文中采用限幅正弦波振蕩信號對被測信號進(jìn)行調(diào)幅調(diào)制,己調(diào)信號經(jīng)過電容/電壓轉(zhuǎn)換電路、放大電路、基于鎖相環(huán)技術(shù)的相敏檢波電路、濾波電路及調(diào)零電路后,得到與被測量相應(yīng)的電壓信號。為了實現(xiàn)儀器的智能化,加入了基于Cortex-M3的數(shù)據(jù)采集與通訊電路,從而實現(xiàn)與上位機(jī)的實時通訊、顯示。從表中可看出,相比于機(jī)械法和光測法,電測法具有更高的性價比。目前,高精度的非接觸式測微儀分為三種:電感式測微儀、電容式測微儀和光千涉式測微儀。這三類測微儀各有優(yōu)缺點,適用于不同的測量場合。其中電容式傳感器由于其精度高、重復(fù)性好、頻率高、分辨率高、工作范圍大、測量經(jīng)度不受導(dǎo)體材質(zhì)影響、信號極其穩(wěn)定、可在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點而被廣泛使用。根據(jù)相關(guān)資料介紹報道,電容測微儀的分辨率能達(dá)到幾個納米甚至幾分之一納米;進(jìn)行微位移及傲小尺寸測量時,系統(tǒng)能達(dá)到十納米左右;進(jìn)行壓力及壓差測量時，，;此外還能用于膜厚度、金屬微變、微小相對位移、微小孔徑及各種截面的形狀誤差等測量。

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2電容測微測振原理與測量精度影響因素分析

2.1測微測振的原理和方法闡述

測微測振的各種方法中,應(yīng)用最為廣泛的就是電測法。電測法中,常用的測微測振傳感器及其原理如表2-1所示。其中,應(yīng)變式傳感器的材料會隨著時間和環(huán)境的變化發(fā)生改變,導(dǎo)致其性能的變化,因此無法長期使用;電動式傳感器在測量時,易磨損,也無法做到長期測量;壓阻式傳感器,使用的材料是晶體,受溫度的影響較大,且工藝較復(fù)雜、造價高;電病流式傳感器雖然靈敏度、分辨率高,線性度、重復(fù)性好,但對于被測物的導(dǎo)磁性、尺寸大小等有一定的要求,且不適合快速動態(tài)的測星。相比于電感式傳感器,電容式傳感器具有輸入能小、相對變化童大、溫度穩(wěn)定性好、機(jī)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點,更適合于微位移、微振動的測量。

2.2系統(tǒng)構(gòu)成

任何兩個導(dǎo)體之間都會構(gòu)成電容的聯(lián)系。電容式傳感器除了兩個極板之間的電容外,極板與其他物體也有可能產(chǎn)生電容的聯(lián)系,包括儀器中的各種元件甚至人體之間均可能產(chǎn)生。由于測量時,傳感器測量的電容值本身就很小,如果寄生電容很大,就會給測量帶來極大的影響,另一方面,電容本身并不穩(wěn)定,會導(dǎo)致儀器性能的不穩(wěn)定。在進(jìn)行微位移、微振動的測量時,平行板電容傳感器測量時的容值十分微小,不足幾個皮法,而電繩的電容相對很大,每米達(dá)幾千至幾百皮法,即使最低電容的電纜每米也有幾個皮法,這足以淹沒被測的電容,從而帶來很大的測量誤差,甚至導(dǎo)致儀器無法正常工作。另一方面,電纜電容常常是隨機(jī)變化的,使儀器無法穩(wěn)定工作。

3無維集成式電容測微測振系統(tǒng)硬件電路設(shè)計.........27

3.1硬件電路系統(tǒng)的組成.......27
3.225k Hz限幅正弦波振蕩器設(shè)計.......27
3.3微電容測量與轉(zhuǎn)換電路設(shè)計.......32
3.4集成式鎖相環(huán)與乘法解調(diào)電路設(shè)計.......34
4系統(tǒng)軟件編語與開發(fā).......49
4.1軟件系統(tǒng)總體設(shè)計.......49
4.2數(shù)字濾波算法.......50
4.3基于STM32的數(shù)據(jù)采集編程與開發(fā).......54
5電路板性能測試與實驗分析.......63
5.1電路板性能測試與實驗.......63
5.2系統(tǒng)時漂實驗及分析.......68
5.3微位移測量實驗及分析.......69
5.4微振動測試實驗及分析.......74

5電路板性能測試與實驗分析

5.1電路板性能測試與實驗

本章主要對電容傳感系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試。首先通過示波器觀察了三塊電路板的輸入、輸出波形,并根據(jù)多次試驗的對比分析,最終確定各部分調(diào)節(jié)電路的參數(shù)。其次,對系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試,完成了相應(yīng)的時漂試驗、微位移實驗、微振動實驗,并對各個實驗的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理,一定程度上,評估了此次設(shè)計與開發(fā)的電容測微測振傳感系統(tǒng)。

5.2系統(tǒng)時漂實驗及分析

本文中的動態(tài)振動信號的通帶為0-3kHz,經(jīng)過乘法器后變?yōu)?-6kHz。根據(jù)香農(nóng)采樣定理,從理論上講,數(shù)據(jù)采集頻率應(yīng)大于12kHz。但在實際應(yīng)用中,為了最大限度地保留原信號的全部信息,采集頻率應(yīng)大于60kHz。本文中所選用的AD轉(zhuǎn)換芯片AD1674的采樣頻率為lOOkHz.滿足要求。也就是說本儀器能有效測量的振動源頻率信號為0-3kHz,采用陷波器、低通濾波器和數(shù)據(jù)采集AD1674(100kHz)頻率能有效保證所測信號結(jié)果的可信性。
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6總結(jié)與展望

電容式傳感系統(tǒng),由于具有精度高、分辨率高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點,現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行微位移、微振動的測星。本文主要的研究內(nèi)容包括以下幾個部分:(1)詳細(xì)分析了影響電容式傳感系統(tǒng)測量精度的各個因素,針對不同的因素給出了不同的解決方案;設(shè)計了無纜集成式電容測微測振系統(tǒng)的硬件電路,主要包括:25kHz限幅正弦波振蕩器、微電容測量與轉(zhuǎn)換電路、集成式鎖相環(huán)與乘法解調(diào)電路、調(diào)零電路及基于Cortex-M3的數(shù)據(jù)采集與通訊電路,完成了相應(yīng)原理圖的設(shè)計和PCB的繪制;(3)完成了相應(yīng)的軟件編程與開發(fā),主要包括:基于STM32F103的數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波算法以及與上位機(jī)的通訊;(4)完成了相關(guān)的實驗研究,對制作完成的三塊電路板分別進(jìn)行測試,分析每塊電路板的輸出波形;系統(tǒng)實驗,對采樣后得到的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理,最終得到整個系統(tǒng)的性能參數(shù)。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：150161