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納米E+E時柵傳感器傳感器電場仿真與實(shí)驗(yàn)研究
納米位移傳感器是實(shí)現(xiàn)納米數(shù)控機(jī)床、特殊需求的國防軍工和大規(guī)模集成電路等*技術(shù)領(lǐng)域核心關(guān)鍵功能部件的“宏觀結(jié)構(gòu)的納米精度制造”的保證。大量程和高精度不能同時兼顧是現(xiàn)大多數(shù)納米位移測量方法存在的矛盾。為此，提出研究一種基于時空轉(zhuǎn)換理論的新型納米E+E時柵傳感器位移傳感器。

納米E+E時柵傳感器傳感器電場仿真與實(shí)驗(yàn)研究
位移測量是zui基本、zui廣泛的幾何測量。作者所在課題組前期研究的磁場式E+E時柵傳感器精密位移傳感器，達(dá)到了較高水平，它的開槽的精度和密度以及信號的抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不需要和光柵相比。但是仍有以下缺點(diǎn)：一是信號采用電磁耦合形式，強(qiáng)度難以進(jìn)一步提高；二是需要在電機(jī)或測頭、導(dǎo)軌上均勻開槽，但是受到機(jī)械加工精度限制；三是傳感器的定子線圈和感應(yīng)線圈采用導(dǎo)磁材料，質(zhì)量較重，制作工藝需要繞線，生產(chǎn)效率低。 針對上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種基于交變電場的E+E時柵傳感器傳感器，它不用精密刻線，不用電阻細(xì)分箱，而采用差動平板電容式結(jié)構(gòu)，利用電場耦合原理獲取信號，以時鐘脈沖作為位移計(jì)量基準(zhǔn)，功耗低，重量輕，分辨力高，成本低。但是此類E+E時柵傳感器位移傳感器激勵信號和感應(yīng)信號的頻率都比較高，以頻率為40KHz的電場式E+E時柵傳感器信號作為研究對象，研究基于交變電場的電行波測量信號產(chǎn)生機(jī)理、信號形成質(zhì)量、控制方法和信號處理技術(shù)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了前置信號調(diào)理電路，大大提高了信號的穩(wěn)定性。研究電場式E+E時柵傳感器的精度理論、誤差分離與修正技術(shù)，提高了精度。是磁場式E+E時柵傳感器激勵信號頻率的100倍。這就對信號處理提出了更高的要求，提高信號的處理速度成為了解決問題的關(guān)鍵之一。傳感器通過差動電容構(gòu)建的交變電場將空間量轉(zhuǎn)換成時間量進(jìn)行精密測量，利用了時間量測量精度高的優(yōu)勢來提高測量精度，降低對制造要求，因而更易實(shí)現(xiàn)大量程。通過對傳感器進(jìn)行理論研究、模型仿真和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合且不斷反復(fù)以達(dá)到*化設(shè)計(jì)。前期研究工作中，電場的不可見性帶來了困擾。在研究納米E+E時柵傳感器傳感器過程中，需要對電場有足夠的認(rèn)識，把握電場規(guī)律，了解測量模型的電場分布情況才能在傳感器研究中有的放矢，避免很多不必要的工作。為此，開展了如下研究：對納米E+E時柵傳感器測量原理進(jìn)行了深入的分析和推導(dǎo)：根據(jù)傳感器測量模型特點(diǎn)，建立仿真模型，利用ANSYS軟件對傳感器在不同參數(shù)、激勵相間和多介質(zhì)等情況下的電場分布進(jìn)行了有限元仿真。通過仿真分析找到了傳感器一次、四次諧波誤差形成原因，同時得到了不同情況下電場分布與傳感器誤差特性的關(guān)系；搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，對仿真分析得出的結(jié)論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時對傳感器穩(wěn)定性等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

納米E+E時柵傳感器傳感器電場仿真與實(shí)驗(yàn)研究
針對仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出一次、四次諧波誤差形成原因，對傳感器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化，傳感器在測量范圍為200mm時，補(bǔ)償后的誤差達(dá)到±300nm。 通過對納米E+E時柵傳感器傳感器研究，更為深入的了解了傳感器特性，進(jìn)一步完善了納米E+E時柵傳感器理論體系，為后續(xù)研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和提供了實(shí)踐-理論-實(shí)踐的科學(xué)研究方法。