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調頻式電容E+E位移傳感器中鑒頻技術的研究
電容E+E位移傳感器結構簡單、動態性能好、分辨力高,能實現非接觸式測量,可檢測位移、平面度、微振動等,廣泛應用于高精密加工和測量領域。調頻式電容E+E位移傳感器一般采用LC振蕩電路作為調頻電路,在納米級位移測量中,調頻信息較微弱,且輸入輸出特性存在一定非線性。

調頻式電容E+E位移傳感器中鑒頻技術的研究
目前,采用數字方法研制的鑒頻能達到較高的分辨力和穩定性,但頻響往往較低,而用模擬方法制作的鑒頻器雖頻響較高,但穩定性和分辨力指標下降了。若采用數字算法對傳感器輸出的非線性進行校正,則會進一步降低傳感器頻響。因此,在保證傳感器分辨力、穩定性等指標的情況下,對調頻信號的快速鑒頻以及對其輸入輸出特性進行有效的非線性處理是提高調頻式電容E+E位移傳感器性能的關鍵所在。本課題針對調頻式電容E+E位移傳感器中的鑒頻技術進行了深入研究,主要解決鑒頻模塊高分辨力與高頻響難以同時保證的問題,同時提高鑒頻穩定性、重復性等關鍵技術指標。主要研究工作如下:深入研究各類數字瞬時測頻方法和模擬鑒頻方法,對其分辨力、穩定性和頻響指標進行仿真和分析,結合調頻信號自身特性,選用移相乘積鑒頻方法。該法可實現鑒頻曲線和調頻曲線非線性的全程自補償,傳統方法則無法*補償,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具備較高的頻響和穩定性,并且體積小,易于實現和調試;結合調頻信號自身特點,設計下變頻模塊(包括基于DDS技術的本振電路和混頻下變頻電路),將調頻信號中心頻率由3.7MHz左右搬移到12.5kHz,使調頻信號和鑒頻曲線的非線性得到自我補償,提高傳感器整機輸出的線性度;本振信號頻率大于調頻信號時非線性才能自補償,為避免因調頻信號頻率漂移或位移過度引起調頻信號頻率大于本振信號的類似鏡像干擾情況的發生,設計頻率自校正模塊,測量初始時先對調頻信號進行多周期同步法測頻,根據測頻結果相應調整本振信號頻率以實現零點校正;對鑒頻模塊及傳感器整機進行實驗。

調頻式電容E+E位移傳感器中鑒頻技術的研究
靜態實驗表明,傳感器初始間距100μm時,在±10μm范圍內分辨力達到5nm,線性度為0.835%,一小時示值穩定在20nm以內。動態實驗驗證傳感器具備1.1kHz以上的頻響,傳感器動態頻響理論上可達到7kHz。