调频式电容E+E位移传感器中鉴频技术的研究
电容E+E位移传感器结构简单、动态性能好、分辨力高,能实现非接触式测量,可检测位移、平面度、微振动等,广泛应用于高精密加工和测量领域。调频式电容E+E位移传感器一般采用LC振荡电路作为调频电路,在纳米级位移测量中,调频信息较微弱,且输入输出特性存在一定非线性。

调频式电容E+E位移传感器中鉴频技术的研究
目前,采用数字方法研制的鉴频能达到较高的分辨力和稳定性,但频响往往较低,而用模拟方法制作的鉴频器虽频响较高,但稳定性和分辨力指标下降了。若采用数字算法对传感器输出的非线性进行校正,则会进一步降低传感器频响。因此,在保证传感器分辨力、稳定性等指标的情况下,对调频信号的快速鉴频以及对其输入输出特性进行有效的非线性处理是提高调频式电容E+E位移传感器性能的关键所在。本课题针对调频式电容E+E位移传感器中的鉴频技术进行了深入研究,主要解决鉴频模块高分辨力与高频响难以同时保证的问题,同时提高鉴频稳定性、重复性等关键技术指标。主要研究工作如下:深入研究各类数字瞬时测频方法和模拟鉴频方法,对其分辨力、稳定性和频响指标进行仿真和分析,结合调频信号自身特性,选用移相乘积鉴频方法。该法可实现鉴频曲线和调频曲线非线性的全程自补偿,传统方法则无法*补偿,由于核心器件为易于集成的乘法器,在获得高分辨力的同时具备较高的频响和稳定性,并且体积小,易于实现和调试;结合调频信号自身特点,设计下变频模块(包括基于DDS技术的本振电路和混频下变频电路),将调频信号中心频率由3.7MHz左右搬移到12.5kHz,使调频信号和鉴频曲线的非线性得到自我补偿,提高传感器整机输出的线性度;本振信号频率大于调频信号时非线性才能自补偿,为避免因调频信号频率漂移或位移过度引起调频信号频率大于本振信号的类似镜像干扰情况的发生,设计频率自校正模块,测量初始时先对调频信号进行多周期同步法测频,根据测频结果相应调整本振信号频率以实现零点校正;对鉴频模块及传感器整机进行实验。

调频式电容E+E位移传感器中鉴频技术的研究
静态实验表明,传感器初始间距100μm时,在±10μm范围内分辨力达到5nm,线性度为0.835%,一小时示值稳定在20nm以内。动态实验验证传感器具备1.1kHz以上的频响,传感器动态频响理论上可达到7kHz。