同轴圆筒电容位移探头、传感器及测量方法

本发明涉及位移测量工具，尤其是一种同轴圆筒电容位移探头、传感器及测量方法。

背景技术：

1、随着微纳制造与精密工程技术的不断发展，半导体制造、精密机械加工及高精度定位系统等领域对具备毫米级量程和纳米级分辨率的位移传感器提出了迫切需求。同时，复杂的多自由度运动环境对传感器抵抗非测量方向扰动的能力也做出了严苛的要求。例如，在超分辨显微镜的纳米定位、光刻机掩膜版的投影对准，以及大型拼接镜面天文望远镜的子镜姿态控制中，对传感器性能的考验尤为突出。在大型拼接镜面望远镜中，子镜需维持长期的协同聚焦和共面成像，这需要毫米级量程和纳米级分辨率的传感器对其进行位置变化和姿态调整。不仅如此，随着天体的运行，望远镜需要不断调整姿态进行跟踪，在此过程中会不可避免地引入径向错位和角度倾斜等横向干扰，因此传感器必须具备抗此横向扰动的能力。此外，天文观测旨在捕捉宇宙中微弱的光信号，这就要求传感器在运行中不能产生杂散光或电磁辐射，以规避潜在的光污染与信号干扰。

2、目前，传统的大量程高精度传感器主要涵盖光学式、电容式、感应式和涡流式四大类。以激光干涉仪和光栅尺为代表的光学式传感器，虽然量程大、分辨率高，但易为光学系统引入杂散光污染，且成本高昂、对安装环境要求极其苛刻。线性可变差动变压器（lvdt）是常见的感应式位移传感器，其运动灵活，环境适应性强，但在纳米级分辨率和长期稳定性方面略显不足。涡流式传感器灵敏度高，对分布参量变化不敏感，但受限于其较窄的线性量程以及较为显著的温度敏感性。相比之下，电容式位移传感器分辨率高、稳定性好、温漂小、量程大，经过良好封装隔绝环境影响后在大量程高分辨率检测领域具有良好的发展前景。

3、目前针对电容位移传感器的研发活动更加关注大量程，多数研究聚焦于容栅式结构，栅式结构制造工艺复杂、安装条件要求也较为严苛，并且部分研究为了保证较好的位移分辨能力将栅极的气隙替换为介电膜，导致传感器变成了接触式的。部分非接触式的电容传感器存在量程和分辨率不可兼得的问题。

4、此外，高精度位移测量常受横向干扰的影响，包括传感元件之间的位置偏移和角度偏差。这些非理想对准误差会改变传感器内部电场分布，从而引入额外的测量误差，尤其对于电场分布易受结构对准影响的传统平行板结构。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中的电容位移传感器无法兼顾行程、分辨率和横向效应抗性的缺陷，本发明提出了一种同轴圆筒电容位移探头，具有良好的抗横向能力，应用该探头的位移传感器可实现高精度、大量程位移测量。

2、本发明提出的一种同轴圆筒电容位移探头，包括：环形动子电极和四个环形定子电极，环形动子电极设置在圆柱形的绝缘材质的测杆上，测杆进行轴向位移运动；环形定子电极均与环形动子电极同轴设置并固定，四个环形定子电极沿着环形动子电极轴向同轴排列且内径相等；四个环形定子电极与环形动子电极配合形成电容，四个电容沿轴向位置分别记作正极差动探测电容、感应电容、反馈电容和负极差动探测电容；

3、环形动子电极轴向位移时，正极差动探测电容和负极差动探测电容中环形动子电极和环形定子电极的有效耦合面积改变，将位移量转换为电容的容值变化。

4、优选的，还包括四个与环形定子电极一一对应的环形绝缘骨架，各环形定子电极设置于环形绝缘骨架内周；相邻的环形定子电极之间设有垂直于环形定子电极所在圆筒且位于圆筒外周的接地金属片，接地金属片与相邻的环形定子电极之间预留绝缘区域，正极差动探测电容和负极差动探测电容相互远离的两端也设有垂直于圆筒且位于圆筒外周的接地金属片；各环形绝缘骨架上设有连通对应的环形定子电极的槽口，用于引出环形定子电极连接导线。

5、优选的，接地金属片与环形动子电极、环形定子电极均采用铜制结构；探头外周包覆有金属屏蔽层。

6、本发明提出的一种所述的同轴圆筒电容位移探头的位移传感器，包括：探头和电路模块；电路模块包括：激励源、运算放大器和信号处理单元；

7、激励源的输出信号用于激励探头，探头的输出信号经过运算放大器处理后输出到信号处理单元，信号处理单元解调滤波后由adc采集，以解析位移检测结果；

8、正极差动探测电容和负极差动探测电容分别连接至激励源的正向激励输出端和负向激励输出端；感应电容连接至运算放大器的反向输入，反馈电容连接至运算放大器的反馈输出端；

9、当测杆带动环形动子电极轴向位移，正极差动探测电容和负极差动探测电容的容值发生变化，从而将位移转换为电信号变量。

10、优选的，当环形动子电极位于正极差动探测电容和负极差动探测电容中心位置时，正极差动探测电容和负极差动探测电容的定子、动子重叠面积相等，此时的探头记作平衡状态。

11、优选的，位移的解析模型为：

12、；

13、其中，为运算放大器输出信号的幅值，为激励源输出信号的幅值，为反馈电容的有效耦合长度。

14、优选的，探头中各环形定子电极的长度相等；平衡状态下，正极差动探测电容和负极差动探测电容的定子、动子在轴向上的重叠长度为环形定子电极的长度的一半。

15、优选的，信号处理单元采用依次连接的相敏检波器件、低通滤波器件和模数转换器件；运算放大器设置在信号处理单元的电荷-电压转换接口电路中。

16、本发明提出的一种位移传感器的位移测量方法，首先组装探头和传感器，将探头调整到平衡状态；然后驱动测杆进行位移测量，将运算放大器的输出信号经过信号处理单元处理后带入位移的解析模型，计算得到位移测量值。

17、优选的，还包括：结合实测数据集{，}拟合线性误差e(x)，然后结合线性误差对位移测量值进行修正，x为真实位移。

18、本发明的优点在于：

19、（1）本发明提出的一种同轴圆筒电容位移探头，具有天然的轴对称性和旋转对称性。径向偏移导致探测电容与反馈电容产生的变化比例是一致的，可以作为共模误差被抵消，由于圆筒结构具有天然的轴对称性，其在圆周方向上的局部增大与减小相互平均，从结构层面减小了单体电容变化，因此共模抑制效果更强，抗横向干扰能力更优。另一方面，在倾斜的情况下，同轴圆筒探头利用轴对称几何结构形成空间平均效应，不仅减小了单体电容变化，而且两端电容变化趋势相同；克服了平板结构各部分的电容变化不一致，无法实现绕轴旋转横向扰动的补偿的缺陷。因此，所提出传感器相比传统平板式结构具有更低的横向敏感性和更强的安装误差鲁棒性。

20、（2）本发明中，测杆上的动子无需连接导线，从而避免了位移测量过程中的额外拉力和机械约束，实现非接触位移测量，不仅具有良好的线性测量能力，同时具备较高的重复测量稳定性，为实现高精度、大量程位移测量提供了有效途径。

21、（3）本发明中，通过环形绝缘骨架支撑定子，并提供引线槽口，实现了简单、可靠的探头结构。

22、（4）本发明提出的位移传感器，采用本发明提出的探头，可兼顾测量精度、大量程和横向效应抗性，为复杂多自由度精密定位与测量系统提供了一种具有工程应用潜力的新型位移测量方案。

23、（5）本发明解析模型简单、固定，可快速解析位移测量结果。各环形定子长度相等，简化了组装难度，进一步提高了测量容错能力。

24、（6）本发明提出的位移测量方法，采用上述位移传感器，实现了简捷、高效、高精度的位移测量，提供了更好的、适用范围更广的工程解决方案。