專利名稱：一種基于平面電容的六自由度位移測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于平面電容的六自由度位移測量方法。
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、超精密加工、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)裝配與集成、光學(xué)儀器、細(xì)胞操縱、納米材料制造、生物工程等諸多領(lǐng)域發(fā)展水平密切相關(guān)的高新技術(shù)。多自由度的位移(包括線位移和角位移)精密測量已經(jīng)逐漸成為目前研究的最新領(lǐng)域。目前，運(yùn)用最為廣泛的精密位移測量方法包括光學(xué)測量法、電感測量法、電阻測量法和電容測量法等。光學(xué)測量法與電容測量法相對比較成熟，是目前應(yīng)用較廣泛的兩種精密位移測量方法。光學(xué)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(yīng)速度快、量程大、無磨損等特點(diǎn)，但是光學(xué)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。電容式測量法包括變間距和變面積兩種方式，其優(yōu)點(diǎn)在于精度和分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快，特別適合動態(tài)測量，但測量行程較小。平面電容傳感器是一種基于變面積式電容原理的高精度測量傳感器，在保持精密電容傳感器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)大行程的精密位移測量。同時(shí)由于它只需采用一個傳感器就能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多自由度的位移和角度測量，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(biāo)軸χ、γ、ζ的旋轉(zhuǎn)偏差)會大大降低輸出信號的線性度。而在實(shí)際的應(yīng)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(yùn)動誤差(動態(tài)誤差)等。針對安裝偏差，雖然可以通過標(biāo)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(yùn)動誤差造成的角度偏差是動態(tài)干擾，盡管可以通過實(shí)時(shí)反饋校正來改善，但會導(dǎo)致系統(tǒng)變得過于復(fù)雜，實(shí)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六自由度位移測量方法?；谄矫骐娙轀y量原理，以實(shí)現(xiàn)X-Y 二維平面大行程精密位移測量為基本目標(biāo)，同時(shí)消除平面電容傳感器的傾斜旋轉(zhuǎn)誤差(安裝中存在的繞三個坐標(biāo)軸X、Y、Z的旋轉(zhuǎn)偏差)，通過聯(lián)立八個電容輸出信號的和差化積的方程組和電容求解方程組，實(shí)現(xiàn)了 X-Y-Z- θ χ- θ y- θ ζ的六自由度位移測量。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是測量裝置包括一塊移動極板和平行地置于移動極板下方的一塊固定極板；固定極板上表面分布有一個電容電極陣列，由等面積、等間距的正方形電容電極構(gòu)成；移動極板下表面分布有八個矩形傳感電容電極，和固定極板的電容電極陣列組成八個電容，八個矩形傳感電容電極分為四組，包括SXin和SX1Q，SX2n和SX2Q，SYin和SY1Q，SY2n和SY2q，其中四個傳感電容電極SX1N、SX1Q, SX2n, SX2q輸出X軸位移信號，四個傳感電容電極SY1N、SY1Q、SY2N、SY20 輸出Y軸位移信號的；每一組的兩個傳感電容電極在相應(yīng)測量方向的初始位置存在1/4周
4期的位置差，使得輸出信號有90°的相位差，傳感電容電極SX1N、SY1N、SX2N、SY2N輸出余弦信號，傳感電容電極SX1Q、SY1Q、SY1Q、SY2Q輸出正弦信號。移動極板上的八個矩形傳感電容電極， 寬度和固定極板上的正方形電容電極邊長相等，長度是固定極板上的正方形電容電極邊長的四倍；當(dāng)移動極板產(chǎn)生X方向的位移時(shí)，SX1N, SXiq, SX2n, SX2q和固定極板上的電容電極陣列的正對面積呈三角波變化，SY1N, SYiq, SY2n, SY2q和固定極板上的電容電極陣列的正對面積不變；當(dāng)移動極板產(chǎn)生Y方向的位移時(shí)，SY1N, SYiq, SY2n, SY2q和固定極板上的電容電極陣列的正對面積呈三角波變化，SX1N,SXiq,SX2n,SX2q和固定極板上的電容電極陣列的正對面積不變；確保八個電容輸出信號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。當(dāng)移動極板沿X軸方向相對于固定極板產(chǎn)生位移時(shí)，傳感電容電極SX1N、SX2N輸出余弦曲線信號，傳感電容電極sx1Q、sx2Q落后1/4周期輸出正弦曲線信號，SY1N、SY1Q、SY2N、SY2Q 信號不發(fā)生變化；當(dāng)移動極板沿Y軸方向相對于固定極板產(chǎn)生位移時(shí)，傳感電容電極SY1N、 SY2n輸出余弦曲線信號，傳感電容電極SY1Q、SY2Q落后1/4周期輸出正弦曲線信號，SX1N、SX1Q、 SX2N、SX2tJf號不發(fā)生變化；當(dāng)移動極板存在一個較小的繞Z軸順時(shí)針偏轉(zhuǎn)角位移θ z (通常情況下θζ<1° )時(shí)，在X軸方向上，將使SX1N、SX2q的輸出信號會有一個Χ0Ζ/Ρ的相位超前，SXiq, SX2n的輸出信號則有一個Χ0ζ/Ρ相位滯后；Y軸方向上，SY1N, SY2q的輸出信號會有一個Υ0ζ/ρ的相位超前，SYiq, SY2n的輸出信號則有一個Υ0ζ/ρ相位滯后。通過構(gòu)建和差化積的方程組，可求解沿X軸、Y軸的直線位移信號ΧΝ(ΜΛ、Ynoemal和繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度位移信號 θ 2共3個自由度的測量。移動極板產(chǎn)生以任意一點(diǎn)0’為中心的傾斜運(yùn)動都視為以幾何中心0為中心的平動和傾斜運(yùn)動的組合，包括Z軸方向的平動Zmjsm、繞χ軸的傾斜運(yùn)動θχ和繞Y軸的傾斜運(yùn)動θ y。移動極板繞X軸的傾斜運(yùn)動Θ χ使得Y方向的傳感電容電極SY1N，SY2n分別產(chǎn)生大小為LNsin θ χ、方向相反的極板間距變化，SY1Q，SY2Q產(chǎn)生大小為LQsin θ χ、方向相反的極板間距變化，而對于X方向的傳感電容電極SX1N，SX2N, SXiq, SX2q而言，會產(chǎn)生大小為Lssin θ χ的間距變化；移動極板繞Y軸的傾斜運(yùn)動θ y使得X方向的傳感電容電極SX1N，SX2n分別產(chǎn)生大小為LNsin θ y、方向相反的極板間距變化，SX1Q，SX2Q產(chǎn)生大小為LQsin θ y、方向相反的極板間距變化，而對于Y方向的傳感電容電極SY1N，SY2N, SYiq, SY2q而言，會產(chǎn)生大小為Lssin θ y 的間距變化；Ln和Lq分別表示電容傳感電容電極Sn和Sq在其測量方向上距離原點(diǎn)的距離， Ls表示各傳感電容電極在非測量方向上距離原點(diǎn)的距離。通過構(gòu)建八個電容輸出的和差化積的方程組和電容求解方程組，實(shí)現(xiàn)了 X-Y-Z- θ χ- θ y- θ z的六自由度位移測量。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(shí)現(xiàn)X-Y-Z- θ χ- θ y- θ z的六自由度位移測量，八個電容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(shí)現(xiàn)了 X軸和Y軸大行程線性位移的直接測量。2)通過構(gòu)建八個電容輸出的和差化積的方程組和電容求解方程組，求解輸出了 Z 軸的耦合線性位移和繞X軸、繞Y軸、繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角度位移，實(shí)現(xiàn)了 X-Y-Z- θ χ- θ y- θ z的六自由度位移測量。


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是本發(fā)明的移動極板俯視圖。圖4是本發(fā)明的固定極板俯視圖。圖5是存在繞Z軸旋轉(zhuǎn)位移時(shí)的結(jié)構(gòu)俯視圖。圖6是存在繞Y軸傾斜位移時(shí)的結(jié)構(gòu)主視圖。 圖中1、移動極板，2、固定極板，3、傳感電容電極SY1N，4、傳感電容電極SX2Q，5、傳感電容電極SX2N，6、傳感電容電極SY2Q，7、傳感電容電極SY2N，8、傳感電容電極SX1Q，9、傳感電容電極SX1N，10、傳感電容電極SY1Q，11、固定極板電容電極陣列。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖1、圖2、圖3、圖4所示，六自由度平面電容傳感器的移動極板1平行地置于固定極板2上方；固定極板上表面分布有一個電容電極陣列11，由等面積、等間距的正方形電容電極構(gòu)成；移動極板1下表面分布有八個矩形傳感電容電極，和固定極板的電容電極陣列組成八個電容，八個矩形傳感電容電極分為四組，包括SX1N9和SX1Q8，SX2N5和SX2Q4，SY1n3 和SY1Q10，SY2N7和SY2Q6，其中四個傳感電容電極SX1N9、SX1q8、SX2N5、SX2Q4輸出X軸位移信號，四個傳感電容電極SY1N3、SYiqIO, SY2N7、SY2Q6輸出Y軸位移信號的；每一組的兩個傳感電容電極在相應(yīng)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，傳感電容電極SX1N9、SY1N5、SX2N3、SY2N7輸出余弦信號，傳感電容電極SX1Q8、SY1Q4、SYiqIO、 SY2Q6輸出正弦信號。移動極板上的八個矩形傳感電容電極，其寬度和固定極板上的正方形電容電極邊長相等，其長度是固定極板上的正方形電容電極邊長的四倍；當(dāng)移動極板產(chǎn)生X方向的位移時(shí)，SX1N9、SXiqS, SX2N5、SX2Q4和固定極板上的電容電極陣列的正對面積呈三角波變化， SY1N3、SYiqIO, SY2N7、SY2Q6和固定極板上的電容電極陣列的正對面積不變；當(dāng)移動極板產(chǎn)生 Y方向的位移時(shí)，SY1N3、SYiqIO, SY2N7、SY2Q6和固定極板上的電容電極陣列的正對面積呈三角波變化，SX1N9、SXiqS, SX2N5、SX2Q4和固定極板上的電容電極陣列的正對面積不變；就確保了八個電容輸出信號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。當(dāng)移動極板1沿X軸方向相對于固定極板2產(chǎn)生位移時(shí)，傳感電容電極SX1N9、 SX2N5輸出余弦曲線信號，傳感電容電極SX1Q8、SX2Q4落后1/4周期輸出正弦曲線信號，SY1N3、 SY1Q10、SY2N7、SY2Q6信號不發(fā)生變化；當(dāng)移動極板1沿Y軸方向相對于固定極板2產(chǎn)生位移時(shí)，傳感電容電極SY1N3、SY2N7輸出余弦曲線信號，傳感電容電極SY1Q10、SY2Q6落后1/4周期輸出正弦曲線信號，SX1N9、SX1q8、SX2N5、SX2Q4不發(fā)生變化。
X\N = C0S(2兀.xNORMAL ' P)Z1N< ⑴
Xxq= s,m{2n-Xnormal I P)
權(quán)利要求
1.一種基于平面電容的六自由度位移測量方法，包括一塊移動極板(1)和平行地置于移動極板下方的一塊固定極板(2)；固定極板(2)上表面分布有一個電容電極陣列，由等面積、等間距的正方形電容電極構(gòu)成；移動極板(1)下表面分布有八個矩形傳感電容電極， 和固定極板的電容電極陣列組成八個電容，八個矩形傳感電容電極分為四組，包括SXin和 SX1Q, SX2n 和 SX2Q，SYin 和 SY1Q，SY2n 和 SY2q，其中四個傳感電容電極 SX1N、SX1Q、SX2N、SX20 輸出 X軸位移信號，四個傳感電容電極SY1N、SY1Q, SY2n, SY2q輸出Y軸位移信號的；每一組的兩個傳感電容電極在相應(yīng)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，傳感電容電極SX1N、SY1N, SX2n, SY2n輸出余弦信號，傳感電容電極SX1Q、SY1Q、SY1Q、SY20 輸出正弦信號；其特征在于移動極板(1)上的八個矩形傳感電容電極，其寬度和固定極板上的正方形電容電極邊長相等，其長度是固定極板上的正方形電容電極邊長的四倍；當(dāng)移動極板產(chǎn)生X方向的位移時(shí)，SX1N、SX1Q、SX2N、SX2Q和固定極板上的電容電極陣列的正對面積呈三角波變化，SY1N, SYiq, SY2n, SY2q和固定極板上的電容電極陣列的正對面積不變；當(dāng)移動極板產(chǎn)生Y方向的位移時(shí)，SY1N、SY1Q、SY2N、SY2Q和固定極板上的電容電極陣列的正對面積呈三角波變化，SX1N, SXiq, SX2n, SX2q和固定極板上的電容電極陣列的正對面積不變；確保八個電容輸出信號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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于平面電容的六自由度位移測量方法，其特征在于 當(dāng)移動極板(1)沿X軸方向相對于固定極板(2)產(chǎn)生位移時(shí)，傳感電容電極SX1N、SX2n輸出余弦曲線信號，傳感電容電極SX1Q、SX2Q落后1/4周期輸出正弦曲線信號，SY1N、SY1Q、SY2N、SY2Q 信號不發(fā)生變化；當(dāng)移動極板(1)沿Y軸方向相對于固定極板(2)產(chǎn)生位移時(shí)，傳感電容電極SY1N、SY2n輸出余弦曲線信號，傳感電容電極SY1Q、SY2q落后1/4周期輸出正弦曲線信號， SX1N、SX1Q、SX2N、SX2Jf號不發(fā)生變化；當(dāng)移動極板(1)存在一個較小的繞Z軸順時(shí)針偏轉(zhuǎn)角位移θζ，通常情況下θζ<1°時(shí)，在X軸方向上，將使SX1N、SX2Q的輸出信號會有一個X0z/ P的相位超前，SXiq, SX2n的輸出信號則有一個X0z/P相位滯后-J軸方向上，SY1N, SY2q的輸出信號會有一個Y0z/p的相位超前，SY1Q、SY2n的輸出信號則有一個Y0Z/P相位滯后，通過構(gòu)建和差化積的方程組，可求解沿X軸、Y軸的直線位移信號XTOEm、Ynoemal和繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度位移信號92共3個自由度的測量，式中X0Z指偏轉(zhuǎn)角位移軸方向傳感電容電極產(chǎn)生的沿X軸方向的偏置位移；Y0z指偏轉(zhuǎn)角位移θ ζ使Y軸方向傳感電容電極產(chǎn)生的沿Y 軸方向的偏置位移；P指相鄰的傳感電容電極在測量方向上的間距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于平面電容的六自由度位移測量方法，其特征在于 移動極板(1)產(chǎn)生以任意一點(diǎn)0’為中心的傾斜運(yùn)動都視為以幾何中心0為中心的平動和傾斜運(yùn)動的組合，包括沿Z軸方向的平動Zraim、繞χ軸的傾斜運(yùn)動θ χ和繞Y軸的傾斜運(yùn)動9y。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于平面電容的六自由度位移測量方法，其特征在于 移動極板(1)繞X軸的傾斜運(yùn)動θχ使得Y方向的傳感電容電極SY1N，SY2N*別產(chǎn)生大小為 LNsin θ χ、方向相反的極板間距變化，SY1Q，SY2Q產(chǎn)生大小為LQsin θ χ、方向相反的極板間距變化，而對于X方向的傳感電容電極SX1N，SX2N, SXiq, SX2q而言，會產(chǎn)生大小為Lssin θ χ的間距變化；移動極板⑴繞Y軸的傾斜運(yùn)動θ y使得X方向的傳感電容電極SX1N，SX2n分別產(chǎn)生大小為LNsin θ y、方向相反的極板間距變化，SX1Q，SX2Q產(chǎn)生大小為LQsin θ y、方向相反的極板間距變化，而對于Y方向的傳感電容電極SY1N，SY2N, SYiq, SY2q而言，會產(chǎn)生大小為Lssin θ y的間距變化；Ln和Lq分別表示電容傳感電容電極Sn和Sq在其測量方向上距離原點(diǎn)的距離， Ls表示各傳感電容電極在非測量方向上距離原點(diǎn)的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于平面電容的六自由度位移測量方法，其特征在于 通過構(gòu)建八個電容輸出的和差化積的方程組和電容求解方程組，實(shí)現(xiàn)了 X-Y-Z- θ χ- θ y- θ z 的六自由度位移測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于平面電容的六自由度位移測量方法。由移動極板和固定極板組成；固定極板上分布有正方形的電容電極陣列；移動極板上分布有八個矩形傳感電容電極；八個傳感電容電極分成四組，每組的兩個電極在測量方向存在1/4周期位置差，輸出信號有90°的相位差；當(dāng)移動極板相對固定極板產(chǎn)生XY平面的位移時(shí)，對八個電容的輸出信號聯(lián)立“和差化積”方程組，求解出沿X軸、Y軸的直線位移信號和繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度信號；當(dāng)移動極板產(chǎn)生傾斜位移時(shí)，通過聯(lián)立“電容求解”方程組求解出沿Z軸直線位移信號和繞X軸、Y軸的旋轉(zhuǎn)角度信號。該方法通過求解兩組方程，實(shí)現(xiàn)沿X軸、Y軸、Z軸的三個直線位移和繞X軸、Y軸、Z軸三個旋轉(zhuǎn)角度位移共六個自由度的測量。
文檔編號G01B7/02GK102221323SQ201110151339
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者余建平, 盧科青, 文耀華, 王文, 陳子辰 申請人:浙江大學(xué)