精密位移、振动测量的电容法研究

发布时间：2017-06-06 12:13

  本文关键词：精密位移、振动测量的电容法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 非接触式电容测微技术是微/纳米测量新技术中重要的一种,在近年来得到迅速发展。它具有动态响应快、温度稳定性好、测量范围大、精度高、体积小、重量轻、结构简单、系统固有频率高等特点。因而在航空、航天、工业生产部门等领域的微小位移、振动、尺寸、角度、压力测量中得到广泛应用。 电容测微技术在静态和准静态测量方面已有较多研究成果,但在动态测量方面正处于攻坚阶段。比如动态滤波问题,传感器和测量电路动态频响的提高,信号幅值精密测量和波形显示,稳定性问题等等都亟待解决。本文研究的目的就是在提高静态和准静态测量精度与稳定性基础上,重点研究和实现动态信号测量。 本文对精密位移、振动测量的电容法原理做了较为系统、详尽的分析与阐述;对影响电容传感器输出特性的因素进行了理论分析与计算,对其结构尺寸进行了优化与设计;对测量用动态滤波器进行了仿真分析与比较研究,设计并实现了0～3kHz精密振动信号测量的动态滤波电路,实验结果表明能满足实际需求。基于高速USB型数据采集,建立并实现了分辨率为10纳米的电容法精密振动动态测试系统,并在大量的实验研究基础上,对电路进行了许多改进,使仪器系统稳定与可靠性得到提高。 对整个测试系统的主要误差来源做了详细的理论分析,利用回归分析方法进行非线性误差补偿修正,提高了系统精度。最后,对精密位移、振动测量系统的进一步研究提出了新的看法。
【关键词】：精密测量 位移 振动 电容传感器 动态滤波器
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH82
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 图表清单11-13
• 1 引言13-17
• 1.1 精密测量的电容方法概述13-15
• 1.2 国内外研究现状15-16
• 1.3 本文研究任务16-17
• 2 电容法精密位移、振动测量原理17-28
• 2.1 平行板电容传感器原理17-22
• 2.1.1 变极距型电容传感器17-20
• 2.1.2 变面积型电容传感器20-21
• 2.1.3 变介质型电容传感器21-22
• 2.2 电容式传感器等效电路22-23
• 2.3 几种测微电路的基本测量原理23-27
• 2.3.1 变压器式交流电桥电路23-24
• 2.3.2 二极管双T型电路24-25
• 2.3.3 调频法测量电路25-26
• 2.3.4 运算式放大电路26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 电容传感器优化设计28-40
• 3.1 传感器探头结构设计28-32
• 3.1.1 杂散电容28-29
• 3.1.2 探头的外屏蔽层设计29-30
• 3.1.3 电容的边缘效应及对测量的影响30
• 3.1.4 避免边缘效应的方法30-31
• 3.1.5 电容传感器探头结构设计最终方案31-32
• 3.2 减小和消除各类分布电容的方法32-36
• 3.2.1 浮地法32
• 3.2.2 动极接地法32
• 3.2.3 简缩联线法32-33
• 3.2.4 双屏蔽电缆33
• 3.2.5 驱动电缆技术33-36
• 3.3 传感器尺寸设计36-39
• 3.4 本章小结39-40
• 4 电容法精密位移、振动测量系统设计40-64
• 4.1 精密稳幅振荡器设计41-43
• 4.1.1 正弦波振荡器的振荡条件41-42
• 4.1.2 振荡器设计42-43
• 4.2 仪器主放大器电路设计43-44
• 4.3 精密整流电路设计44-45
• 4.4 动态滤波电路设计45-53
• 4.4.1 动态滤波器方案设计45-48
• 4.4.2 仿真分析与实际测试比较研究48-52
• 4.4.3 动态滤波器设计小结52-53
• 4.5 仪器的调零及输出灵敏度量化电路设计53
• 4.6 稳压电源设计53-55
• 4.7 动态数据采集设计55-63
• 4.7.1 采集卡主要技术指标56-57
• 4.7.2 数据采集卡接口定义57
• 4.7.3 采集函数介绍57-61
• 4.7.4 数据采集界面设计61-63
• 4.8 本章小结63-64
• 5 电容测微仪稳定性及误差分析64-73
• 5.1 稳定性因素分析64-67
• 5.1.1 稳压电源与稳幅振荡器64
• 5.1.2 主放大器64-65
• 5.1.3 加屏蔽盒与接地65-66
• 5.1.4 传感器66
• 5.1.5 动态滤波电路与电路调零66-67
• 5.1.6 高稳定性数字显示表头67
• 5.2 电容测微仪测量误差分析67-72
• 5.2.1 由传感器制造误差而引起的测量误差67-68
• 5.2.2 驱动方案不完善产生的测量误差68
• 5.2.3 运算电路不理想产生的测量误差68-69
• 5.2.4 传感器安装倾斜产生的测量误差69-70
• 5.2.5 信号源幅值不稳定产生的测量误差70
• 5.2.6 温度漂移所产生的测量误差70-71
• 5.2.7 被测件曲率半径变化产生的测量误差71-72
• 5.2.8 工作介质介电常数变化产生的测量误差72
• 5.2.9 系统总的测量误差72
• 5.3 本章小结72-73
• 6 数据采集、误差修正及仪器系统测试73-86
• 6.1 静态微位移测试73-76
• 6.2 动态精密振动测试76-82
• 6.2.1 敲击法产生振动信号76-78
• 6.2.2 利用压电陶瓷振动变形产生振动信号78-82
• 6.3 传感器测试结果的非线性修正方法82-85
• 6.3.1 一元线性回归83-84
• 6.3.2 曲线拟合84-85
• 6.4 本章小结85-86
• 7 论文总结与展望86-88
• 7.1 论文总结86-87
• 7.2 研究工作展望和建议87-88
• 参考文献88-90
• 附录A90-91
• 作者简历91-93
• 学位论文数据集93

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 郑银涛;郝育闻;金明录;;基于改进型精密整流电路的电容式微位移传感器设计[J];传感技术学报;2010年11期

中国硕士学位论文全文数据库 前7条

1 郑银涛;基于平板式电容的微位移测量系统设计[D];大连理工大学;2010年

2 于士诚;调频式电容位移传感器中若干关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

3 罗浩菱;基于光学干涉相位检测的MEMS陀螺信号读出技术研究[D];重庆大学;2011年

4 严琼;激光切割电容式Z浮微小电容检测系统的研究[D];华中科技大学;2011年

5 张东亮;基于无线数据传输的动压气浮轴承刚度测量研究[D];北京交通大学;2010年

6 胡静;基于DSP数字滤波的转靶振动测量研究[D];北京交通大学;2010年

7 程大鹏;基于电容传感器的薄膜厚度测量系统研究[D];桂林电子科技大学;2011年

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本文编号：426337