專利名稱：基于平面電容的X-Y-θ位移直接解耦測量裝置及方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種基于平面電容的X-Y-θ位移直接解耦測量裝置及方法。

背景技術(shù)：
精密位移測量技術(shù)是與超大規(guī)模集成電路(IC)制造與封裝、微機電系統(tǒng)(MEMS)裝配與集成、超精密加工、納米材料制造、光學儀器、細胞操縱、生物工程等諸多領域發(fā)展水平密切相關的高新技術(shù)。精密位移測量技術(shù)的首要任務是在保持高精度測量的同時，突破大行程測量的瓶頸。
目前，運用最為廣泛的精密位移測量方法包括光學測量法、電感測量法(Linear Variable Differential Transformer，LVDT，線性可變差動變壓器)、電阻測量法和電容測量法等。光學測量法與電容測量法相對比較成熟，是目前市場上應用最廣泛的兩種精密位移測量方法。光學測量法主要包括光柵測量法和激光干涉法，兩者均具有測量精度高、響應速度快、量程大、無磨損等特點，但是光學測量法對溫度、濕度等環(huán)境因素要求高，系統(tǒng)構(gòu)建的成本也較高。對于電容式測量法，目前主要應用變間距式測量原理，其優(yōu)點在于分辨率高、精度好、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應快，特別適合動態(tài)測量，但測量行程較小。
平面電容傳感器是基于電容原理的高精度測量傳感器，可望成為突破大行程、高精度瓶頸的一種新的精密位移測量方法。基于變面積式的平面電容傳感器，在保持精密電容傳感器優(yōu)點的同時，可實現(xiàn)大行程的精密位移測量。同時由于它只需采用一個傳感器就能同時實現(xiàn)X-Y的二維直線位移測量，安裝空間要求、安裝誤差(消除了阿貝誤差)大大降低。
但是平面電容傳感器對安裝精度的要求高，較小的角度傾斜誤差(安裝中存在了繞三個坐標軸X、Y、Z的旋轉(zhuǎn)偏差)就會大大降低輸出信號的線性度。而在實際的應用中，角度偏差(或稱干擾)是不可避免的，包括安裝偏差(靜態(tài)誤差)、運動誤差(動態(tài)誤差)等。針對安裝偏差，雖然可以通過標定盡量減小，但無法完全消除，且工藝方面的保證措施困難，成本也較高。運動誤差造成的角度偏差是動態(tài)干擾，盡管可以通過實時反饋校正來改善，但會導致系統(tǒng)變得過于復雜，實現(xiàn)困難。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于平面電容的X-Y-θ位移直接解耦測量裝置及方法?；谄矫骐娙轀y量原理，除實現(xiàn)X-Y二維平面精密位移測量外，同時利用移動極板上八組傳感電極組簡單的幾何關系，對輸出信號采用“和差化積”算法，將角度干擾信號作為小角度位移信號θ考慮，解耦小角度位移信號θ對X-Y二維平面位移信號的影響，同時實時輸出小角度位移信號，實現(xiàn)了X-Y-θ位移直接解耦測量。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一、一種基于平面電容的X-Y-θ位移直接解耦測量裝置 測量裝置包括一塊固定極板和平行地置于固定極板上方的一塊移動極板；固定極板上分布有四組正方形對稱分布的電容電極組，每組電容電極組均是由等大小、等間距、等個數(shù)的正方形電容電極單元構(gòu)成；移動極板上分布有和固定極板上的電容電極組一一對應的四組共八個傳感電容電極組，包括輸出X軸位移信號的傳感電極組SENSEX1N，SENSEX1Q、SENSEX2N、SENSEX2Q以及輸出Y軸位移信號的傳感電極組SENSEY1N、SENSEY1Q、SENSEY2N和SENSEY2Q，其中SENSEX1N，SENSEX1Q為一組，SENSEX2N，SENSEX2Q為一組，SENSEY1N，SENSEY1Q為一組，SENSEY2N，SENSEY2Q為最后一組；每一組的兩個傳感電容電極組在相應測量方向的初始位置存在1/4周期的位置差，使得輸出信號有90°的相位差，SENSEX1N，SENSEX2N，SENSEY1N和SENSEY2N輸出余弦信號，SENSEX1Q，SENSEX2Q，SENSEY1Q和SENSEY2Q輸出正弦信號。
所述的移動極板上的八個傳感電容電極組，均各自包括兩組共六個電容電極單元，移動極板上的電容電極單元和固定極板上的電容電極單元大小相同，當其中一組共三個電容電極單元與固定極板中的電容電極單元完全正對時，另一組共三個電容電極單元正好與固定極板中的電容電極單元完全錯開，沒有正對面積。移動極板上每組傳感電極組的電極單元和固定極板上電極單元的正對面積只在移動極板在其測量方向產(chǎn)生位移時才發(fā)生相應變化，而不受非測量方向上位置變化的影響。
二、一種基于平面電容的X-Y-θ位移直接解耦測量方法 平面電容的移動極板和平行地置于固定極板上方；固定極板上分布有四組正方形對稱分布的電容電極組，每組電容電極組均是由等大小、等間距、等個數(shù)的正方形電容電極單元構(gòu)成；移動極板上分布有和固定極板上的電容電極組一一對應的四組共八個傳感電容電極組，每一組的兩個傳感電容電極組在相應測量方向的初始位置存在1/4周期的位置差，使得輸出信號有90°的相位差；同時，八個傳感電容電極組，均各自包括兩組共六個電容電極單元，當其中一組共三個電容電極單元與固定極板中的電容電極單元完全正對時，另一組共三個電容電極單元正好與固定極板中的電容電極單元完全錯開，沒有正對面積；這就確保了輸出X軸位移信號的SENSEX1N、SENSEX1Q、SENSEX2N、SENSEX2Q和輸出Y軸方向的位移信號的SENSEY1N、SENSEY1Q、SENSEY2N、SENSEY2Q均只反映各自測量方向的位移變化，而不會受非測量方向上位移的影響，實現(xiàn)了X軸和Y軸位移的直接解耦測量；當移動極板相對固定極板產(chǎn)生平面位移時，八個傳感電容電極組將產(chǎn)生八個電容輸出信號，通過簡單的和差化積運算，可直接解耦存在小角度位移干擾下的X軸Y軸平面位移輸出信號，并得出該小角度位移信號θ。
當平面電容傳感器的移動極板沿X軸方向相對于固定極板產(chǎn)生位移時，傳感電容電極組SENSEX1N和SENSEX2N輸出余弦曲線信號，傳感電容電極組SENSEX1Q和SENSEX2Q落后1/4周期輸出正弦曲線信號，SENSEY1N、SENSEY1Q、SENSEY2N和SENSEY2Q信號不發(fā)生變化；當平面電容傳感器的移動極板沿Y軸方向相對于固定極板產(chǎn)生位移時，傳感電容電極組SENSEY1N和SENSEY2N輸出余弦曲線信號，傳感電容電極組SENSEY1Q和SENSEY2Q落后1/4周期輸出正弦曲線信號，SENSEX1N、SENSEX1Q、SENSEX2N和SENSEX2Q信號不發(fā)生變化；這就確保了輸出X軸位移信號的SENSEX1N、SENSEX1Q、SENSEX2N、SENSEX2Q和輸出Y軸方向的位移信號的SENSEY1N、SENSEY1Q、SENSEY2N、SENSEY2Q均只反映各自測量方向的位移變化，而不會受非測量方向上位移的影響，實現(xiàn)了X軸和Y軸位移的直接解耦測量。
當移動極板存在一個較小的偏轉(zhuǎn)角位移θ(通常情況下θ＜1°)時，以順時針的θ角偏轉(zhuǎn)為例，在X軸方向上，將使SENSEX1N和SENSEX2Q的輸出信號會有一個Xθ/P的相位超前，SENSEX1Q和SENSEX2N的輸出信號則有一個Xθ/P相位滯后；Y軸方向上，SENSEY1N和SENSEY2Q的輸出信號會有一個Yθ/P的相位超前，SENSEY1Q和SENSEY2N的輸出信號則有一個Yθ/P相位滯后。所述的基于平面電容的X-Y-θ位移直接解耦測量方法通過“和差化積”的運算方法，完全解耦小角度位移信號對X軸和Y軸位移測量的影響，同時實時獲得小角度位移θ的數(shù)值。
本發(fā)明具有的有益效果是 1)只需采用一個傳感器就能實現(xiàn)X-Y的平面位移維位移測量，移動極板上每組傳感電極組的電容量變化只反映測量方向上的位置變化，而不受非測量方向上位置變化的影響，實現(xiàn)了X軸和Y軸位移的直接解耦測量。
2)對移動極板上八組傳感電極組輸出的八組信號采用“和差化積”算法，解耦小角度位移信號θ對X-Y二維平面位移信號的影響，同時實時輸出小角度位移信號θ，實現(xiàn)了X-Y-θ位移直接解耦測量。



圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主視圖。
圖2是圖1的結(jié)構(gòu)俯視圖。
圖3是傳感電容電極組SENSEY1N和SENSEY1Q模型的結(jié)構(gòu)主視圖 圖4是圖3的結(jié)構(gòu)俯視圖。
圖5是存在小角度位移時，傳感電容電極組SENSEY1N和SENSEY1Q模型的結(jié)構(gòu)俯視圖。
圖中1、移動極板，2、固定極板，3、傳感電容電極組SENSEY1N，4、傳感電容電極組SENSEX2Q，5、傳感電容電極組SENSEX2N，6、傳感電容電極組SENSEY2Q，7、傳感電容電極組SENSEY2N，8、傳感電容電極組SENSEX1Q，9、傳感電容電極組SENSEX1N，10、傳感電容電極組SENSEY1Q，11、固定極板電容電極組。

具體實施例方式 如圖1、圖2所示，平面電容的移動極板1平行地置于固定極板2的上方。1)固定極板2上分布有四組正方形對稱分布的電容電極組11，每組電容電極組均是由等大小、等間距、等個數(shù)的正方形電容電極單元構(gòu)成，統(tǒng)一輸入電壓信號Vinput；2)移動極板1上分布有和固定極板2上的電容電極組一一對應的四組共八個傳感電容電極組，包括輸出X軸位移信號的傳感電極組SENSEX1N9、SENSEX1Q8、SENSEX2N5、SENSEX2Q4以及輸出Y軸位移信號的傳感電極組SENSEY1N3、SENSEY1Q10、SENSEY2N7和SENSEY2Q6，其中SENSEX1N9、SENSEX1Q8為一組，SENSEX2N5、SENSEX2Q4為一組，SENSEY1N3、SENSEY1Q10為一組，SENSEY2N7和SENSEY2Q6為最后一組；每一組的兩個傳感電容電極組在相應測量方向的初始位置存在1/4周期的位置差，使得輸出信號有90°的相位差，SENSEX1N9，SENSEX2N5，SENSEY1N3和SENSEY2N7輸出余弦信號，SENSEX1Q8，SENSEX2Q4，SENSEY1Q10和SENSEY2Q6輸出正弦信號。
所述的移動極板1上的八個傳感電容電極組，均各自包括兩組共六個電容電極單元，移動極板1上的電容電極單元和固定極板2上的電容電極單元大小相同，當其中一組共三個電容電極單元與固定極板2中的電容電極單元完全正對時，另一組共三個電容電極單元正好與固定極板2中的電容電極單元完全錯開，沒有正對面積。
當平面電容傳感器的移動極板1沿X軸方向相對于固定極板2產(chǎn)生位移時，傳感電容電極組SENSEX1N9和SENSEX2N5輸出余弦曲線信號，傳感電容電極組SENSEX1Q8和SENSEX2Q4落后1/4周期輸出正弦曲線信號，SENSEY1N3、SENSEY1Q10、SENSEY2N7和SENSEY2Q6信號不發(fā)生變化；當平面電容傳感器的移動極板1沿Y軸方向相對于固定極板2產(chǎn)生位移時，傳感電容電極組SENSEY1N3和SENSEY2N7輸出余弦曲線信號，傳感電容電極組SENSEY1Q10和SENSEY2Q6落后1/4周期輸出正弦曲線信號，SENSEX1N9、SENSEX1Q8、SENSEX2N5、SENSEX2Q4信號不發(fā)生變化；這就確保了輸出X軸位移信號的SENSEX1N9、SENSEX1Q8、SENSEX2N5、SENSEX2Q4和輸出Y軸方向的位移信號的SENSEY1N3、SENSEY1Q10、SENSEY2N7和SENSEY2Q6均只反映各自測量方向的位移變化，而不會受非測量方向上位移的影響，實現(xiàn)了X軸和Y軸位移的直接解耦測量。
圖3和圖4給出了移動極板上輸出Y軸方向位移信號的SENSEY1N3、SENSEY1Q10模型的結(jié)構(gòu)主視圖和俯視圖。移動極板1上，傳感電容電極組SENSEY1N3和SENSEY1Q10在Y軸方向初始位置存在1/4周期的位置差，當移動極板1從如圖4所示位置朝Y軸正方向產(chǎn)生位移時，SENSEY1N3與固定極板2上的電容電極單元的正對面積以三角波的形式，從最大值向最小值發(fā)生變化，SENSEY1Q10與固定極板2上的電容電極單元的正對面積則落后SENSEY1N1/4周期，同樣以三角波的形式發(fā)生變化，考慮到邊緣效應的存在，實際的電容信號，更接近于呈正弦和余弦曲線變化，對SENSEY1N3，SENSEY1Q10的輸出信號進行歸一化處理后，SENSEY1N3將輸出余弦信號Y1N，SENSEY1Q10則輸出正弦信號Y1Q。
其中，YNORMINAL為Y軸方向移動極板的位移。
從圖4給出的移動極板1上輸出Y軸方向位移信號的SENSEY1N3，SENSEY1Q10結(jié)構(gòu)模型的俯視圖也可以看出，移動極板1上的傳感電極組SENSEY1N3和SENSEY1Q10均各自包含六個電容電極單元，根據(jù)布置的相對位置，每組傳感電容電極組中的六個電容電極單元又可分為兩組。以SENSEY1N3為例，當SENSEY1N3的右邊一列電容電極單元與固定極板2中的電容電極單元正好相對時，左邊一列電容電極單元正好與固定極板2中的電容電極單元錯開。這種錯位的設計使得當移動極板1沿X軸方向上運動時，移動極板1上的傳感電容電極組SENSEY1N和固定極板2上的電容電極單元的正對面積保持不變，電容量不產(chǎn)生變化。即當移動極板1在傳感電容電極組的非測量方向上產(chǎn)生的位移時，傳感電容電極組的電容量不受其影響。
當移動極板1存在一個θ角的小角度位移時，移動極板1上四組共八個傳感電容電極組的輸出信號會各自產(chǎn)生一個相位超前或相位滯后，使得X-Y平面位移測量信號耦合了小角度位移信號θ誤差，降低了測量精度。圖5給出了存在小角度位移信號θ下傳感電容電極組SENSEY1N3，SENSEY1Q10模型。當移動極板1沿Y軸正方向產(chǎn)生理想的位移YNORMINAL時，若同時存在一個小角度的θ偏轉(zhuǎn)角位移，移動極板1的偏轉(zhuǎn)會使每組傳感電容電極組沿運動方向的又再產(chǎn)生一個的位移，對于Y軸方向的位移而言，θ角的偏轉(zhuǎn)，使SENSEY1N3產(chǎn)生沿Y軸正向的位移Yθ，而SENSEY1Q10則產(chǎn)生沿Y軸負向的位移Yθ，對兩組輸出信號而言，直接的表現(xiàn)就是SENSEY1N3的輸出信號會有一個Yθ/P的相位超前，而SENSEY1Q10的輸出信號則有一個Yθ/P的相位滯后。基于圖3所設計的模型，給出了Y軸方向上，移動極板1產(chǎn)生位移時傳感電容電極組(SENSEY1N，SENSEY1Q)的輸出信號 其中C(θ)是角度偏轉(zhuǎn)對傳感電容電極組的靈敏度影響因子；Yθ指θ角的偏轉(zhuǎn)使Y軸方向傳感電容電極組產(chǎn)生的沿Y軸方向的偏置位移Yθ。
從圖2可以看出，移動極板1上安裝了四組共八個傳感電容電極組，包括輸出X軸位移信號傳感電容電極組的SENSEX1N9、SENSEX1Q8、SENSEX2N5、SENSEX2Q4和輸出Y軸方向的位移信號的傳感電容電極組SENSEY1N3、SENSEY1Q10、SENSEY2N7和SENSEY2Q6。根據(jù)圖5建立的具有小角度位移的模型，可以得出各組傳感電容電極組的輸出信號 其中Xθ指θ角的偏轉(zhuǎn)使X軸方向傳感電容電極組產(chǎn)生的沿X軸方向的偏置位移Xθ。
所述的基于平面電容傳感器的X-Y-θ位移直接解耦測量方法通過對移動極板1上八個傳感電容電極組輸出信號采用“和差化積”的運算方法，完全解耦小角度位移對X軸和Y軸位移測量的影響，同時實時獲得小角度位移的數(shù)值。
同理，可以得到 通過式(4)～式(6)的分析，可以看出平面位移信號XNOMINAL、YNOMINAL和小角度位移對應的位移信號Xθ、Yθ實現(xiàn)了完全解耦，這就驗證了基于平面電容的X-Y-θ位移直接解耦測量方法是完全可行的。
本發(fā)明測量裝置結(jié)構(gòu)與計算算法簡單。
權(quán)利要求
1.一種基于平面電容的X-Y-θ位移直接解耦測量裝置，其特征在于測量裝置包括一塊固定極板(1)和平行地置于固定極板上方的一塊移動極板(2)；固定極板(1)上表面分布有四組正方形對稱分布的電容電極組，每組電容電極組均是由等大小、等間距、等個數(shù)的正方形電容電極單元構(gòu)成；移動極板(2)下表面分布有和固定極板上的電容電極組一一對應的四組共八個傳感電容電極組，包括輸出X軸位移信號的四個傳感電極組SENSEX1N，SENSEX1Q、SENSEX2N、SENSEX2Q以及輸出Y軸位移信號的四個傳感電極組SENSEY1N、SENSEY1Q、SENSEY2N和SENSEY2Q，其中SENSEX1N，SENSEX1Q為一組，SENSEX2N，SENSEX2Q為一組，SENSEY1N，SENSEY1Q為一組，SENSEY2N，SENSEY2Q為最后一組；每一組的兩個傳感電容電極組在相應測量方向的初始位置存在1/4周期的位置差，使得輸出信號有90°的相位差，傳感電極組SENSEX1N，SENSEX2N，SENSEY1N和SENSEY2N輸出余弦信號，傳感電極組SENSEX1Q，SENSEX2Q，SENSEY1Q和SENSEY2Q輸出正弦信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于平面電容的X-Y-θ位移直接解耦測量裝置，其特征在于所述的移動極板(1)上的八個傳感電容電極組，均各自包括兩組共六個電容電極單元，移動極板上的電容電極單元和固定極板上的電容電極單元大小相同，當其中一組共三個電容電極單元與固定極板中的電容電極單元完全正對時，另一組共三個電容電極單元正好與固定極板中的電容電極單元完全錯開，沒有正對面積。
3.按權(quán)利要求1所述裝置的一種基于平面電容的X-Y-θ位移直接解耦測量方法，其特征在于平面電容的移動極板平行地置于固定極板上方；固定極板上分布有四組正方形對稱分布的電容電極組，每組電容電極組均是由等大小、等間距、等個數(shù)的正方形電容電極單元構(gòu)成；移動極板上分布有和固定極板上的電容電極組一一對應的四組共八個傳感電容電極組，每一組的兩個傳感電容電極組在相應測量方向的初始位置存在1/4周期的位置差，使得輸出信號有9θ°的相位差；同時，八個傳感電容電極組，均各自包括兩組共六個電容電極單元，當其中一組共三個電容電極單元與固定極板中的電容電極單元完全正對時，另一組共三個電容電極單元正好與固定極板中的電容電極單元完全錯開，沒有正對面積；這就確保了輸出X軸位移信號的SENSEX1N、SENSEX1Q、SENSEX2N、SENSEX2Q和輸出Y軸方向的位移信號的SENSEY1N、SENSEY1Q、SENSEY2N、SENSEY2Q均只反映各自測量方向的位移變化，而不會受非測量方向上位移的影響，實現(xiàn)了X軸和Y軸位移的直接解耦測量；當移動極板相對固定極板產(chǎn)生平面位移時，八個傳感電容電極組將產(chǎn)生八個電容輸出信號，通過和差化積運算，可直接解耦存在小角度位移干擾下的X軸Y軸平面位移輸出信號，并得出該小角度位移信號θ。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于平面電容的X-Y-θ位移直接解耦測量裝置，其特征在于1)當平面電容傳感器的移動極板沿X軸方向相對于固定極板產(chǎn)生位移時，傳感電容電極組SENSEX1N和SENSEX2N輸出余弦曲線信號，傳感電容電極組SENSEX1Q和SENSEX2Q落后1/4周期輸出正弦曲線信號，SENSEY1N、SENSEY1Q、SENSEY2N和SENSEY2Q信號不發(fā)生變化；2)當平面電容傳感器的移動極板沿Y軸方向相對于固定極板產(chǎn)生位移時，傳感電容電極組SENSEY1N和SENSEY2N輸出余弦曲線信號，傳感電容電極組SENSEY1Q和SENSEY2Q落后1/4周期輸出正弦曲線信號，SENSEX1N、SENSEX1Q、SENSEX2N和SENSEX2Q信號不發(fā)生變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于平面電容的X-Y-θ位移直接解耦測量裝置，其特征在于當移動極板存在一個較小的偏轉(zhuǎn)角位移θ時，通常情況下θ＜1°，以順時針的θ角偏轉(zhuǎn)為例，在X軸方向上，將使SENSEX1N和SENSEX2Q的輸出信號會有一個Xθ/P的相位超前，SENSEX1Q和SENSEX2N的輸出信號則有一個Xθ/P相位滯后；Y軸方向上，SENSEY1N和SENSEY2Q的輸出信號會有一個Yθ/P的相位超前，SENSEY1Q和SENSEY2N的輸出信號則有一個Yθ/P相位滯后。所述的基于平面電容的X-Y-θ位移直接解耦測量方法通過“和差化積”的運算方法，完全解耦小角度位移信號對X軸和Y軸位移測量的影響，同時實時獲得小角度位移θ的數(shù)值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于平面電容的X-Y-θ位移直接解耦測量裝置及方法。它由移動極板和固定極板組成；固定極板上分布有四組正方形對稱分布的電容電極組；移動極板上分布有和固定極板上的四組電容電極組一一對應的四組共八個傳感電容電極組，每一組的兩個傳感電容電極組在相應測量方向的初始位置存在1/4周期的位置差，使得輸出信號有90°的相位差；測量過程中，當移動極板相對固定極板產(chǎn)生平面位移時，八個傳感電容電極組將產(chǎn)生八個電容輸出信號，通過和差化積運算，可直接解耦存在小角度位移干擾下的X軸Y軸平面位移輸出信號，并得出該小角度位移信號θ。該方法直接解耦輸出X軸Y軸位移信號和小角度位移信號θ，具有較快的測量速度。
文檔編號G01B7/30GK101769712SQ20101010417
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月26日
發(fā)明者余建平, 王文, 朱珠, 文耀華, 陳子辰 申請人:浙江大學