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干涉测量中PZT移相伸长量反馈传感器的设计研究
作 者: 成晓强
导 师: 高志山; 马春光
学 校: 南京理工大学
专 业: 光学工程
关键词: 电容式微位移传感器 PZT非线性 微小位移反馈 AD7746
分类号: TP212
类 型: 硕士论文
年 份: 2014年
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内容摘要
移相干涉测量中PZT的非线性误差是系统测量误差的主要来源之一。为改善PZT移相器的非线性特性,本文研究了平板式电容传感器在PZT伸长量反馈中的应用,对干涉系统中的移相器进行了反馈测试试验,并提出了非线性校正方案。论文中在对比分析了常见微小位移传感器的发展及应用场景的基础上,选择了平板式电容传感器作为PZT伸长量的反馈方案。综合分析了多个常用微小电容检测电路后,设计了基于AD7746的紧凑型数字式电容传感器采样模块。并通过与基于AD5791的PZT驱动信号模块、放大电源、基于STM32的主控模块相结合,构成了完整的PZT伸长量反馈系统。文中通过与高精度仪器设备的比对试验,对各个模块分别进行了分析标定。实验表明:PZT驱动信号模块具有24.8μV的输出分辨精度、0.25%的输出非线性度;电容传感器具有优于10nm的采样分辨精度、干涉测量应用范围内0.46%的平均非线性度。在系统实验中,还对现有单轴移相器的单程非线性及往返迟滞特性进行了试验分析,并使用了PZT电压校正曲线与传感器实时数据修正相结合的反馈方案。最后利用基于PCA原理的相位提取算法解算出实际干涉条纹的相位变化,通过对比反馈前后的相位变化曲线佐证了该方案的有效性。
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全文目录
摘要 3-4 Abstract 4-7 1 绪论 7-10 1.1 课题的研究背景 7-8 1.2 电容测微技术在国内外的研究现状 8-9 1.3 本论文的主要研究工作 9-10 2 平板式电容传感器概述 10-19 2.1 微小位移传感器发展 10-12 2.1.1 应变式位移传感器 10-11 2.1.2 LVDT位移传感器 11 2.1.3 平板式电容传感器 11-12 2.2 平板式电容传感器的工作原理及等效电路 12-15 2.3 常用电容测量电路 15-17 2.3.1 充/放电法电容检测电路 15-16 2.3.2 交流电桥法电容检测电路 16 2.3.3 谐振法电容检测电路 16 2.3.4 运算放大器法电容检测电路 16-17 2.4 平板式电容传感器设计要点 17-18 2.4.1 平板式电容传感器边缘效应的消除 17-18 2.4.2 屏蔽电缆驱动技术 18 2.5 小结 18-19 3 PZT伸长量反馈系统设计 19-35 3.1 基于AD7746的数字式电容传感器设计 19-25 3.1.1 AD7746结构与特性 19-21 3.1.2 AD7746基本工作原理 21-23 3.1.3 AD7746工作模式 23 3.1.4 电容传感器硬件设计 23-25 3.2 基于AD5791的PZT驱动信号设计 25-29 3.2.1 AD5791结构特性 26-27 3.2.2 AD5791工作模式 27-28 3.2.3 AD5791电压输出自校准 28 3.2.4 PZT驱动信号模块硬件设计 28-29 3.3 主控模块与程序设计 29-34 3.3.1 主控模块 29-30 3.3.2 程序设计 30-34 3.4 小结 34-35 4 PZT伸长量反馈系统标定与实验 35-51 4.1 PZT驱动信号模块实验与误差分析 35-38 4.1.1 PZT驱动信号模块实验 35-37 4.1.2 PZT驱动信号模块误差分析 37-38 4.2 电容传感器模块比对实验与误差分析 38-45 4.2.1 传感器装调及参数仿真 38-39 4.2.2 传感器稳定性实验 39-41 4.2.3 传感器分辨能力及线性度实验 41-43 4.2.4 传感器模块误差分析 43-45 4.3 PZT伸长量反馈实验 45-49 4.3.1 试验平台搭建 46-47 4.3.2 移相器反馈实验及非线性校正 47-49 4.4 小结 49-51 5 总结与展望 51-53 5.1 文章总结 51 5.2 进一步的工作和展望 51-53 致谢 53-54 参考文献 54-58 附录 58
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器(变换器)、传感器
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