用于主动光学系统的开关电容微位移传感器研究
发布时间：2020-07-27 14:36
【摘要】：主动光学技术作为一种波面校正技术,可以解决天文望远镜中重力和温度等因素引起的变形,而子镜之间微小位移的精密测量则对主动光学系统的自动调节有着重要作用。为此,本文以主动光学系统为应用背景,研制了一种高精度的开关电容微位移传感器系统。基于各类位移传感器的优劣势分析以及电容传感器的三大基本结构,本文采用了差动变面积式的极板结构,并同时设置参考传感器,在与测试传感器完全一致的驱动下利用差分消除非测量因素的影响;完成了基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的驱动电路设计,包括驱动信号设计、基于CPLD的外围电路设计以及能够提高系统精度的驱动信号电平提升设计;基于开关电容技术和运算放大器式的电容检测方法,为极板间的待测电容设计了高精度的电容检测电路并使用TINA软件进行模拟仿真;完成了基于ADA2200芯片的同步解调设计,并结合正交解调技术解决了调制信号和参考信号相位不匹配的问题;完成了系统中的软件设计,包括基于CPLD的驱动信号产生以及基于单片机的解调芯片参数写入控制;实现了解调后模拟信号的AD转换,并将其处理结果通过串口输出至PC机;设计实验验证方案,并在以系统小型化为目标完成PCB设计后,对电路进行调试和修正。本文所设计的开关电容微位移传感器具有体积小、重量轻、连续测量、测量范围宽等特点,可以实现电容极板之间相对位移的检测,且测量精度能够达到十微米量级。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74;TP212
【图文】：
不断增长的观测需求对天文望远镜的望远镜口径的不断增大。考虑到主镜在重量镜能够做到的最大口径只有８ｍ。这时，为小镜面拼接成大镜面来代替整块大口径主镜到单块主镜的光学特性［１＿２］。逡逑天文望远镜中光学系统及支架的重力和温度种，主动光学技术应运而生。采用了主动光主动光学技术包含两个部分：拼接镜面技术的应用中，需要主动调节每块子镜的状态（某种光学面形或改正某种光学像差。为此，来检测相邻子镜边缘在高度方向上的偏差，适用于所有采用了主动光学系统，尤其是结。其直接的应用对象则是大天区面积多目标１．１邋所示。逡逑
２系统设计方案逡逑２．１系统的总体设计方案逡逑本文所设计的开关电容微位移传感器系统结构如图２．１所示。主要包含的模块有：逡逑（１）电容式位移传感器；（２）基于ＣＰＬＤ的驱动模块；（３）电容检测模块；（４）同步逡逑解调模块；（５）邋ＡＤ转换及串口输出模块。逡逑（１）
图２．２差动变面积式电容传感器的极板结构逡逑本文在差动变面积式极板结构的基础上，特别设计了带参考传感器的双差动变面积逡逑式极板结构，如图２．３所示。逡逑与位移传感器不同，参考传感器由两个驱动板以及两个固定板构成。其中双端反相逡逑驱动信号Ｖｉ、Ｖ２与位移传感器一致；Ｃｒｌ、Ｃｒ２则为驱动极板１、２与固定极板之间的电逡逑容值。该设计结构能保证每一个驱动板和固定板之间的相对面积恒定，也就是说对于被逡逑测位移５，不论其如何变化，电容Ｃｒｌ、Ｃｒ２始终为固定值。这时，由倾斜与旋转情况所逡逑带来的测量误差，则可以通过参考传感器与位移传感器的结合来利用差分原理实现基本逡逑消除。逡逑位移传感器逦参考传感器逡逑驱动极板１逦驱动极板１逡逑１敏感极板ｉ逦｜S谩义希郑殄危掊危耄邋危垮危觯殄义希茫螅戾危茫颍慑义希矗湾危帧㈠义希俊觥觥鲥澹蹋五五澹桢澹妫箦邋五五危叔邋危郑蝈义希郑箦澹澹椤浚镥瘟铄危保澹掊危迹辏澹义希卞澹保卞澹茫颍插义希耄插义希郑
本文编号：2771971
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74;TP212
【图文】：
不断增长的观测需求对天文望远镜的望远镜口径的不断增大。考虑到主镜在重量镜能够做到的最大口径只有８ｍ。这时，为小镜面拼接成大镜面来代替整块大口径主镜到单块主镜的光学特性［１＿２］。逡逑天文望远镜中光学系统及支架的重力和温度种，主动光学技术应运而生。采用了主动光主动光学技术包含两个部分：拼接镜面技术的应用中，需要主动调节每块子镜的状态（某种光学面形或改正某种光学像差。为此，来检测相邻子镜边缘在高度方向上的偏差，适用于所有采用了主动光学系统，尤其是结。其直接的应用对象则是大天区面积多目标１．１邋所示。逡逑
２系统设计方案逡逑２．１系统的总体设计方案逡逑本文所设计的开关电容微位移传感器系统结构如图２．１所示。主要包含的模块有：逡逑（１）电容式位移传感器；（２）基于ＣＰＬＤ的驱动模块；（３）电容检测模块；（４）同步逡逑解调模块；（５）邋ＡＤ转换及串口输出模块。逡逑（１）
图２．２差动变面积式电容传感器的极板结构逡逑本文在差动变面积式极板结构的基础上，特别设计了带参考传感器的双差动变面积逡逑式极板结构，如图２．３所示。逡逑与位移传感器不同，参考传感器由两个驱动板以及两个固定板构成。其中双端反相逡逑驱动信号Ｖｉ、Ｖ２与位移传感器一致；Ｃｒｌ、Ｃｒ２则为驱动极板１、２与固定极板之间的电逡逑容值。该设计结构能保证每一个驱动板和固定板之间的相对面积恒定，也就是说对于被逡逑测位移５，不论其如何变化，电容Ｃｒｌ、Ｃｒ２始终为固定值。这时，由倾斜与旋转情况所逡逑带来的测量误差，则可以通过参考传感器与位移传感器的结合来利用差分原理实现基本逡逑消除。逡逑位移传感器逦参考传感器逡逑驱动极板１逦驱动极板１逡逑１敏感极板ｉ逦｜S谩义希郑殄危掊危耄邋危垮危觯殄义希茫螅戾危茫颍慑义希矗湾危帧㈠义希俊觥觥鲥澹蹋五五澹桢澹妫箦邋五五危叔邋危郑蝈义希郑箦澹澹椤浚镥瘟铄危保澹掊危迹辏澹义希卞澹保卞澹茫颍插义希耄插义希郑
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