静电悬浮电容式惯性测试组合设计2

本科毕业设计（论文）毕业设计说明书(论文)静电悬浮电容式惯性测试组合设计作 者 :学 号：学院 (系 ):专 业 :指导教师： 评 阅 人： 20* 年 6 月本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书学 院（系）：专 业 ：学 生 姓 名：学 号：设计 (论文 )题目 ： 静电悬浮电容式惯性测试组合设计起 迄 日 期 : 20*年 3 月 1 日 20*年 6 月 15 日设计 (论文 )地点 :指 导 教 师 :专 业 负 责 人 :发任务书日期:20*年 3 月 1 日本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）任 务 书1毕业设计（论文）课题的任务和要求：1、查阅有关静电悬浮原理文献；2、了解电容加速度计技术原理和检测电路及目前发展状况；3、设计一种高精度的微机械静电悬浮电容式加速度传感器；4综合现有的科研领域的静电悬浮电容式加速度计的检测电路，论述并设计出一种可行且高效的检测电路5、查询 10篇以上文献，其中至少 1-2篇外文资料； 2毕业设计（论文）课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1、了解电容加速度计技术原理及目前发展状况；2、了解差分电容的检测原理；2、完成论文撰写；3、外文资料翻译。本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）任 务 书3 对毕业设计（论文）课题成果的要求 包括毕业设计 (论文 )、图纸、实物样品等 )：1、毕业论文一份；2、 英文文献一份，相应的中文译文一份。 4毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期 工 作 内 容20 年1月 15日 3 月 31日4月 1 日 5 月 31日6月 1 日 6月 20日6月 21 日 6 月 25日系统学习，查阅资料，作开题报告资料整理，总结，实验撰写毕业论文论文答辩所在专业审查意见：负责人： 年 月 日学院（系）意见：院（系）领导： 年 月 日本科毕业设计（论文）毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院（系）：专 业 ：设计 (论文 )题目 ： 静电悬浮电容式惯性测试组合设计指 导 教 师 :20*年 3 月 20 日本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System)加工工艺的不断发展,微加速度计的研发技术越来越成熟,国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比,具有很多优点:体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域,具有广阔的应用前景。常见的微加速度计按敏感原理的不同可以分为:压阻式、压电式、隧道效应式、电容式以及热敏式等。 近年来微机械电容式力平衡加速度计的研究吸引了大批科技工作者的注意力,发展迅速,国外已经实现了批量生产。其中包括的光电反馈式静电悬浮技术也是一门前沿的技术，内容涉及光、机、电等多方面的技术，如光电位置检测、微进给机构设计、PID 控制技术、直流电压放大技术等等。静电悬浮电容式加速度计灵敏度高,量程小,频带窄.适合测量慢变的微弱加速度,这一特点在太空微加速度测量上具有不可替代的明显优势,倍受国际宇航界的重视.磁悬浮技术及其应用磁悬浮的机理基于磁体与悬浮体之间的电磁力。在最简单的磁悬浮装置中, 可采用永久磁铁作为工作磁体; 但在实际应用中, 为实现对悬浮状态的有效调节与控制, 获得足够大的悬浮力, 工作磁体大多由线圈绕制而成。根据绕制线圈所选用的材料的不同, 可将磁悬浮分为常导磁悬浮和超导磁悬浮两大类。随着科学技术的迅猛发展，新技术革命将把人类由工业化社会推进到信息化革命。对于信息来说，都有一个检测、转换、存贮和加工的过程，以检测、转换为主要过程内容的测试技术，己形成一门专门的技术学科。人们通过测试获得客观事物的定量概念， 以掌握其运动规律。在某种意义上来说，“没有测试，就没有科学。”广泛的说，人类的各种活动领域中都离不开测试。测试包含着测量和试验两大内容。测量就是把被测系统中的某种信息，如运动物体的位移、速度、加速度检测出来，并加以度量;试验就是通过某种人为的方法，把被测系统所在的许多信息中的某种信息，用专门的装置，人为地把它激发出来，加以测量。现代工业技术及科学研本科毕业设计（论文）究中，测试手段十分重要，涉及面很广，在各种测量中，大量的参量很难用直接测量的方法获得，需要将它们的变化转换成另外某些参量的变化，然后对转换后的参量进行测量。随着微电子技术、半导体超大集成器件的发展，特别是微型电子计算机技术的成熟，极大的推进了测试技术的进步，对电量的测量已经达到比较完美的程度。由于它的高精确度、高灵敏度、高响应速度， 以及低功耗、结构小、可以连续测量、自动控制和可以方便地与计算机接口等特点，使之达到了用机械方法和一般光学方法测量时很难达到的水平，致使电测法(把被测的非电量变换成电量后，再加以测量)在动、静态测量中得到了广泛的应用。参考文献：1. 吴兰，磁悬浮与光电反馈式静电悬浮综述，光学仪器, 1999, 21(3) : 28 312. 延秀珍，传感器的现状与发展趋势，中国矿业大学，1994，（3）：563.孟立凡，郑宾 传感器原理及技术，北京：兵器工业出版社，2000： 66694.唐富荣, 薛大同 六轴加速度计的结构原理及阻尼振动设计J , 传感器技术, 2002;12 (4)17215.李宝清，陆德仁，王渭源 微型静电悬浮Z向加速度计的计算机模拟，中国科学院上海冶金研究所传感器技术国家实验室，1996，2 （3）：12146徐泰然(tai-Ran Hsu) MEMS和微系统-设计和制造,机械工业出版社,2004 :2843027. 4.唐富荣, 薛大同 静电悬浮式三轴加速度传感器的初步设计J , 传感器技术, 2001; 20 (7)8王新杰，章海军，光电反馈式静电悬浮及静电力机制研究，光学技术，2000，26 （4）：3693719. 康华光,电子技术基础模拟部分,高等教育出版社,2003:33533610静电悬浮的机理及静电悬浮力的实验研究，浙江大学硕士学位论文，浙江大学出版社：182311. 周浩敏，韩颖，刘广玉.硅微传感器中微弱信号的相关检测, 北京航空航天大学学报，1999,25（1）：192112.吴兰, 黄峰 光电反馈式静电悬浮与静电悬浮力测定， 光子学报, 1999, 28 本科毕业设计（论文）(8) : 692 69513. 傅元良 , 微小电容检测技术的研究,北京理工大学硕士学位论文,北京理工大学出版社:1314. H. Zhang, F. Huang, T. H iguch i. Dual U nit STM 2A FM fo r L ength M easurement Based on Reference Scales. J. V ac. Sci. Techno l. B, 1997, 15 (4) : 780 78415.Jayaw ant B J. Elect romagnet ic L evitat ion and Suspension Techniques. London,U K: E. A rno ld, 1981: 1015本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和你采用的研究手段（途径）：针对太空的微重力水平，经过研究现有的静电悬浮加速度计的结构，悬浮机理及其反馈系统和接口检测电路，设计提出一种基于微机电系统（MEMS）的新设计方案，从理论角度对其检测电路及其反馈系统进行论述。设计方法和示意图：设计单元电路的方法和步骤：1根据设计要求和以选定的总体方案的原理框图，确定对各单元电路的设计要求，必选择总体方案设计单元电路画出总体电路图初稿计算参数审图组装调试选择元器件画正式的总体电路图本科毕业设计（论文）要时应详细拟订主要单元电路的性能指标。应注意各单元电路之间的相互配合，但是要尽量少用或者不用电平转换之类的接口电路，以简化电路结构，降低成本。2确定出各单元电路的要求以后，应全面检查一遍，确定无误以后方可按一定顺序分别设计电路。3选择单元电路的结构形式。一般情况下，应查阅有关资料，以丰富知识，开阔眼界，从而找到合用的电路。如确定找不到性能指标完全满足要求的电路时，也可选用于设计要求相接近的电路，然后调整电路参数。本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1 对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：指导教师： 年 月 日所在专业审查意见：负责人： 年 月 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院 (系 ): 学生姓名 ： 学号 ： 题目： 静电悬浮电容式惯性测试组合设计 指导教师评语： 该同学在毕业设计期间，认真系统的学习了与设计题目相关的基本知识， 态度认真，踏实肯干，能 够独立查阅 所学要的文献，基本能够独立开展科学研究，对静电悬浮电容式惯性测试组合进行了理论设计和分析，在一定程度上反映了该生具有比较扎实的专业理论基础，基本完成毕业设计任务书所要求的内容。具有一定的创新性。论文撰写格式规范，符合我校教务处下发的论文撰写格式要求。条理清楚，圆满完成了毕业设计。建议成绩为良。同意参加毕业答辩。指导教师(签字) ：20*年 6 月 16 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院 (系 ): 学生姓名： 学号 ： 题目： 静 电 悬 浮 电 容 式 惯 性 测 试 组 合 设 计 评阅人评语：评阅人(签字) ：职称(或学历):年 月 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院 (系 ): 学生姓名： 学号 ： 题目： 静 电 悬 浮 电 容 式 惯 性 测 试 组 合 设 计 综合成绩： 答辩委员会评语：答辩委员会负责人(签字)： 年 月 日本科毕业设计（论文）静电悬浮电容式惯性测试组合设计摘 要静电悬浮加速度计为当前国际上精度最高的一类加速度计。 本文详细的阐述了静电悬浮原理并从静电悬浮加速度计的敏感结构设计出发, 详细地论述了该类加速度计的电容位移检测原理和微弱加速度检测原理，在总结已有接口电路的基础上尝试性的提出了一种新的接口电路设计方案。关键词： 静电悬浮、电容式加速度计、检测系统、接口电路本科毕业设计（论文）THE DESIGN OF ELECTROSTATICALLY SUSPENDED ACCELEROMETER AND INERTIAL MEASUREMEMNTAbstractElectro statically suspended accelerometer is a king of accelerometer with the highest precision in the world .the paper explains the principle of electrostatic suspension in detail, and discusses the principle of electric capacity movement measurement and little accelerometer measurement from the perspective of structure of the sensitive part of accelerometer, and put forward a new interface circuit after summarizing the interface circuit printed.Keyword: electrostatic suspension ，capacitive accelerometer ， Measurement system，interface circuit 本科毕业设计（论文）目录1 绪论.11.1课题背景及研究意义 .11.2悬浮技术的研究现状 .11.3自动测试系统的历史、现状及发展 .51.4电容测量方法综述 .72 静电悬浮及其反馈系统的理论研究.102.1静电悬浮机理及结构 .102.2反馈控制的论述 .142.3PID反馈系统 .153 加速度计结构及检测原理论述.173.1加速度计的综合论述 .173.2 微机电加工制造技术.183.3结构设计及原理概述 .203.4 静电悬浮电容式加速度计.234 本课题的研究方案.314.1 敏感头结构及对电容的等效算法论述.314.2 检测原理及其电路原理图论述.324.3 关于公式推导.344.4 关于 PID反馈算法.354.5测试系统设计原则 .364.6元器件的选择 .40致谢.41参考文献 .42英文资料翻译英文资料原文本科毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题背景及研究意义 随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System)加工工艺的不断发展,微加速度计的研发技术越来越成熟,国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比,具有很多优点:体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域,具有广阔的应用前景。常见的微加速度计按敏感原理的不同可以分为:压阻式、压电式、隧道效应式、电容式以及热敏式等。 近年来微机械电容式力平衡加速度计的研究吸引了大批科技工作者的注意力,发展迅速,国外已经实现了批量生产。其中包括的光电反馈式静电悬浮技术也是一门前沿的技术，内容涉及光、机、电等多方面的技术，如光电位置检测、微进给机构设计、PID 控制技术、直流电压放大技术等等。静电悬浮电容式加速度计灵敏度高,量程小,频带窄.适合测量慢变的微弱加速度,这一特点在太空微加速度测量上具有不可替代的明显优势,倍受国际宇航界的重视.1.2 悬浮技术的研究现状1.2.1 磁悬浮技术及其应用磁悬浮的机理基于磁体与悬浮体之间的电磁力。在最简单的磁悬浮装置中, 可采用永久磁铁作为工作磁体; 但在实际应用中, 为实现对悬浮状态的有效调节与控制, 获得足够大的悬浮力, 工作磁体大多由线圈绕制而成。根据绕制线圈所选用的材料的不同, 可将磁悬浮分为常导磁悬浮和超导磁悬浮两大类。（1）常导磁悬浮简介常导磁悬浮的发展历史可追溯到二十世纪三四十年代, 最早应用于飞机、潜艇和导弹制导系统中的精密元器件的悬浮。它采用由常规金属导线绕制而成的电磁铁作为工作磁体, 利用同性磁极相斥、异性磁极相吸的原理, 发展出不同类型的磁悬浮装置。以引力方式工作的磁悬浮装置的原理是, 当工作磁体自上而下逼近磁性悬浮体时, 在磁场作用下后者将感生出与磁体极性相反的磁极, 从而被磁体向上吸引, 当磁吸引力足以平衡悬浮体的重力时, 悬浮体即可被拉起而悬浮在空中。当然, 这种悬浮状态是不稳定的, 任何微小的扰动都可能使悬浮体掉下或被吸向磁体。为获得稳定的悬浮状态, 需要引入光电测距探头或电容测距探头, 时刻检测磁体与悬浮之间的间距, 然后通过反馈控制系统不断调节磁体的工作电流, 使磁吸引力始终与悬浮体重力平衡, 这种由反馈控制系统控制悬浮状态的磁悬浮称为有源悬浮。以本科毕业设计（论文）斥力方式工作的磁悬浮装置, 悬浮体本身也是磁体, 当它自下而上以相同磁极方式逼近工作磁体时, 两者间将互相排斥, 如果磁排斥力足以平衡悬浮体的重力, 悬浮体同样可被托起而悬浮在空中。这种悬浮方法能在一定间距范围内通过调整磁路参数使悬浮状态保持稳定, 而不需要采用反馈控制系统, 因而也称作无源悬浮。近十几年, 常导磁悬浮在磁悬浮列车技术方面也得到了快速发展, 列车的实验时速一再打破常规极限。只是常导磁悬浮所采用的线圈材料为常规导体, 为获得巨大的悬浮力和驱动力,必须要有十分强大的磁场, 也就是需要非常大的线圈电流。由于线圈存在电阻, 当大电流流过时势必产生大量的热量, 一方面造成很大的能耗, 另一方面又需要采用专门的冷却系统和设备保证线圈磁体的正常运行。因此, 常导磁悬浮列车还需要解决改善冷却技术和降低能耗等关键问题, 在此不作详细介绍。（2）超导磁悬浮的原理及应用自1911 年首次发现水银的超导电现象之后, 超导体的研究和应用取得了日新月异的发展, 特别是最近十几年, 全世界对高临界温度(高温 ) 超导体的研究十分热门。超导体的显著特征是它的超导电性和完全抗磁性, 它的最广泛和最有成效的应用, 是利用超导电性绕制具有超强磁场的磁体。第一个超导磁体诞生于1961 年, 现有的超导磁悬浮技术, 正是在此基础上快速发展起来的。超导磁悬浮的核心, 是采用具有零电阻的超导线圈绕制而成的工作磁体。它不仅从原理上克服了常导磁悬浮的发热和能耗问题, 极大地提高了能量利用率; 更重要的是超导线圈可毫无阻挡地让强电流通过, 从而产生超强的磁场。超导磁体的强度可高达几十万高斯, 而体积却可制成很小, 重量也只有几公斤。这些显著特点为超导磁悬浮技术的实际应用提供了技术基础,其中最典型的例子是超导磁悬浮列车。超导磁悬浮列车每节车厢底部的车轮两旁, 都安装了小型的超导磁体, 在轨道面的两边的对应位置, 则设置了一系列闭合的铝环。整个车厢由埋设在轨道下面的线性同步马达驱动。列车向前运动时, 超导磁体向轨道面产生强大的磁场, 磁力线被一个个铝环切割, 铝环内因此而感生出强大的电流, 相当于产生一个对抗超导磁体的感生磁场。超导磁体和铝环之间的互相排斥作用使车厢获得一个向上的悬浮力, 把列车凌空托起。在毫摩擦力而仅有空气阻力的情况下, 列车可在很短时间内加速到极高速度。显然, 列车速度越高, 磁悬浮作用力也越大, 当列车减速时, 铝环内的感生电流逐渐减小直至消失, 列车随之平稳地降落到轨道上, 利用减速系统又可在短时间内将列车停稳。超导磁悬浮列车具有多方面的综合优势, 一是速度快, 时速可达550 公里甚至更高, 比普通客机还要快; 二是高效节能可达30% 以上, 且不需要庞大复杂的冷却设备; 三是运行寿命长, 维护费用低; 四是噪声低, 环境污染小 ; 五是转弯半径小, 爬坡能力强; 最后, 运行原理和驱动方式保证列车绝不会脱轨或撞车, 因而既舒适又安全。应该指出, 尽管超导磁悬浮列车在技术上已日臻成熟, 且具有常规列车无可比拟的优越性, 但已实用化的本科毕业设计（论文）磁悬浮列车还寥寥无几。除了造价高, 技术难度大等因素外, 另一个主要原因是磁悬浮技术最发达的日本和德国疆域都很狭小, 在短距离内发展超高速的磁悬浮列车并不十分必要, 而且这两个国家现有的交通工具均已高度发达, 受客流量的限制, 磁悬浮列车的优势很难发挥, 这些因素从客观上影响了超导磁悬浮列车的推广应用。而我国幅员辽阔, 客流量巨大, 发展超导磁悬浮列车势在必行。目前, 京沪线磁悬浮列车技术已处在方案论证阶段, 西南交通大学等单位也正在筹建“青城山磁悬浮列车试验示范线”。可望在不久的将来, 超导磁悬浮列车能将北京和上海间1300 公里的距离缩短到两个多时。1.2.2基于光电反馈控制的静电悬浮技术前文已指出, 尽管磁悬浮技术有诸多的优越性, 但其工作原理决定了它只能适用于磁性体的悬浮, 而绝大多数精密元器件往往是由非磁性材料制成的。为此, 我们发展了一种基本光电反馈控制的悬浮技术, 即静电悬浮技术。图1.1 静电悬浮技术的工作原理示意图图1.1 是基于光电反馈控制的静电悬浮技术的工作原理示意图。在圆环分布的电极组上施加高压直流电压, 当电极组在纵向逼近悬浮体时, 在静电场作用下, 中性的悬浮体上的正负电荷因静电诱导和感应效应而重新分布, 电荷分布的极性与所对应的电极区相反。根据电荷的同性相斥、异性相吸的原理, 电极组与悬浮体之间将产生互相吸引的静电力。当静电力的合力足以平衡悬浮体的重力时, 悬浮体即可被拉起而悬浮在空中。为防止悬浮体重新掉下或被吸向电极组, 采用一组光电测距探头实时监控电极组与悬浮体之间的间距, 后续的电路计算机系统根据间距的变化自动改变各电极区的电压, 以调节静电力, 使间距始终保持恒定, 从而获得稳定的悬浮状态。进入稳定的悬浮状态后, 移动电极组即可将悬浮体从原有位置传送到另一个地方, 整个悬浮装置相当于一个非接触的机械手。在此基础上, 可发展出多种形式的静电悬浮的操作系统与传送系统。静电悬浮的工作原理基于静电诱导与感应机理及静电力的作用规律, 根据这一原理, 导体(如金属) 和半导体(如硅W afer) 均可作为静电悬浮的悬浮体。而进一步研究发现, 常规的绝缘体如CD 片、玻璃片、薄膜片甚至纸片等, 在高压静电场作用下仍然是良好的诱电体。本科毕业设计（论文）这样, 实现常规绝缘体的静电悬浮和操作, 与导体和半导体一样可行。因此静电悬浮技术不受悬浮体材料的限制, 也不需要悬浮体本身带电, 既适用于导体与非导体的悬浮, 又适用于磁性体与非磁性体悬浮, 从而大大拓宽了应用范畴。上述静电悬浮装置的光电反馈控制系统, 采用了三个对称分布的光电测距探头, 它们在各自位置时刻检测电极组和悬浮体之间的间距, 比较与处理电路将三个间距值与预先设定值作比较, 得到三个间距的差值, 计算机与反馈控制系统根据这些间距差值调节各电极上的电压值, 以不断调整静电力, 使间距差值回复到零。根据三点决定一个平面的原则, 悬浮体可获得十分稳定的悬浮状态。光电测距探头的检测精度可达到小于1Lm, 电极组与悬浮体的间距一般控制在200300Lm 左右, 因而完全能满足要求。后续的反馈控制电路系统, 采用比例积分微分(PID) 反馈控制系统, 与扫描隧道显微镜中用于微探针与样品间微定位的PID 系统相类似。调节反馈系统的参数, 可获得最佳的反馈速度和控制精度。PID 反馈系统的位置控制精度可达微米至纳米量级。静电悬浮技术的特点是设备简单, 控制技术容易实现, 洁净而无噪声, 没有发热损耗, 不需要采用冷却设备或特殊材料。不足之处是静电悬浮力一般都不大, 不适合于大型机械的悬浮。不过, 在微电子工业、半导体工业、光学与精密机械工业等领域, 精密元器件的尺寸和重量一般都较小, 在这些领域里, 静电悬浮技术的应用前景十分广阔。目前, 我们正在设计用于半导体硅W afer 的非接触无损操作的静电悬浮和静电传送系统, 以替代原有的接触式机械手; 利用静电悬浮方法还可发展出悬浮式直线马达与旋转马达; 此外, 由于静电悬浮系统不向空间散发热量, 因此可在航空航天领域应用于非接触操作机械手系统, 还可替代现有的磁悬浮系统, 在飞行器导航与制导系统中得到应用。11.3 自动测试系统及微小电容检测技术的历史、现状及发展随着科学技术的迅猛发展，新技术革命将把人类由工业化社会推进到信息化革命。对于信息来说，都有一个检测、转换、存贮和加工的过程，以检测、转换为主要过程内容的测试技术，己形成一门专门的技术学科。人们通过测试获得客观事物的定量概念， 以掌握其运动规律。在某种意义上来说，“没有测试，就没有科学。”广泛的说，人类的各种活动领域中都离不开测试。测试包含着测量和试验两大内容。测量就是把被测系统中的某种信息，如运动物体的位移、速度、加速度检测出来，并加以度量;试验就是通过某种人为的方法，把被测系统所在的许多信息中的某种信息，用专门的装置，人为地把它激发出来，加以测量。现代工业技术及科学研究中，测试手段十分重要，涉及面很广，在各种测量中，大量的参量很难用直接测量的方法获得，需要将它们的变化转换成另外某些参量的变化，然后对转换后的参量进行测量。随着微电子技术、半导体超大集成器件的发展，特别是微型电子计算机技术的成熟，极大的推进了测试技术的进步，对电量的测量已经达到比较完美的程度。由于它本科毕业设计（论文）的高精确度、高灵敏度、高响应速度， 以及低功耗、结构小、可以连续测量、自动控制和可以方便地与计算机接口等特点，使之达到了用机械方法和一般光学方法测量时很难达到的水平，致使电测法(把被测的非电量变换成电量后，再加以测量)在动、静态测量中得到了广泛的应用。图1.2为一种传统测试系统的典型组成。可见，典型的传统测试系统一般由试验装置、测量部件、数据处理和输出设备几大部分组成。试验装置是一种使被测对象处于预期待测状态的专门设备，它的作用在于充分暴露被测对象的内在特性以便进行有效的测量.常见的激振器就是一种试验装置。测量部件由传感器、信号测量电路或测量仪器组成。被测对象在一定的激励下，它的各种物理性能的变化经过传图1.2常规测 量系统的组成感器完成由 非电量到电量的转换，再经过测量电路或测试仪器对被测信号进行切换、滤波、放大和标定，完成对被测信号的测量。测试结果的输出形式也是多样的，或用指示仪表指示出来，或用记录仪记录，还可以传送给数据处理器作进一步的处理运算或频谱分析，使之变成后续设备所需要的输入信号，最终被显示或打印，也可绘图。自动测试技术创始于50年代。有一个研究计划，它的最终目标是不必依靠任何有关的测试技术文件，由非熟练人员上机进行几乎是全自动的操作，以电子计算机的速度完成各种必要的测试项目。通过灵活的程序编制，也可以适应任何具体的测试问题。在当时的条件下该计划虽然花费了可观的经费，最终也远没有达到预期的目标。但是，自动钡(试技术的思想却很快为广大的测试技术工作者所论文接受。不久，这项技术获得了惊人的发展。到了60年代末，市场就有了成套的自动测试系统。到了70年代，出现了仪器仪表与计算机融为一体的智能化仪器，又称“PC仪器”或“个人仪器”。在PC仪器中，许多复杂的仪器功能及仪器操作“面板”都是用软件实现的，因此它又称为 “虚拟仪器”，从自动测试技术的发展过程来看，从50年代至今大致经历了如下几个发展阶段。1. 初级自动测试仪器从第一代自动测试系统开始就采用了计算机技术，主要用来进行逻辑定时控制、由于它没有标准接口，技术比较复杂，只能用于大量的要求重复,快速、高可靠和对人员健康有害本科毕业设计（论文）又难于接近的场合。这种自动测试技术初级产品的主要功能是进行数据自动采集和自动分析用它完成大量重复的测试工作，承担繁重的数据运算和分析任务，以便快速准确地获得测试结果。起初这类设备没有通用的接口，它们多数是专用的。2. 智能仪器仪表随着微电子技术的迅速发展，微处理器、单片机开始推广应用，人们开始用微处理器来设计仪器仪表。由于微处理器和单片机具有强大的数据运算能力和数据处理能力，因此，这种新型的仪器无论在性能和综合测试能力方面都比传统仪器仪表强得多。有些用传统仪器无法测试的参数或需要人工运算才能得到的结果，现在可以借助计算机的推演运算直接得到。因此人们常称这类型新型仪表为“智能仪器”或“智能仪表”。这种仪器一般都配有标准接口，可以参与自动测试系统的组建。组成原理见图1.3图1.3 智能仪器的基本组成图中测量系统一般指信号放大器和调理器，ADC部件将被测模拟量转换成数字量，微处理器或单片机将测量所得到的数据经过必要的处理运算之后，通过输出部件将结果输出来。3. PC仪器随着计算机技术的发展和普及，人们开始用PC机来开发新一代的自测试系统，这就是个人仪器，也称“PC仪器”或“虚拟仪器”。它是将具有测量功能的模块或仪器卡直接与个人计算机的系统总线连接而成的。连接时既可以插在PC机内接口槽上，也可以插在计算机外部专用的仪器板卡架上或专用的机箱内。PC仪器的各种测量功能都是由磁盘中的常驻测量程序来实现的。用个人仪器组建的自动测试系统，可以去掉一些不必要的硬件，充分利用个人计算机的软硬件资源。这种情况下，不同功能的仪器仅体现于测量模块及其软件的不同，仪器不再以传统的独立形式出现了，仪器效益极高 13。1.4 电容测量方法综述电容测量是测试领域所研究的一项重要课题，在长期的研究探索中，人们总结出许多测量电容的方法，下面对现有的电容测量方法及其特点作扼要的介绍。1.4.1 谐振法本科毕业设计（论文）通常谐振法在被测电容 Cx（通常伴随这个有一个漏电阻 Rx）两端并联一个固定电感了，然后加一个可变频率的电源。调整信号源的频率，使电路发生谐振。谐振时，Cx 呈现的容抗和 L呈现的感抗相等，从而求出 Cx。该方法的优点是：频率范围宽，可从几百 KHZ到几百 MHZ； 适合与实验室测量；适合小电容的测量。缺点是： 不适合自动，不适合在线测量。1.4.2 振荡法振荡法的原理是是振荡频率受 Cx的制约，测量 Cx的问题就转化成了测量振荡频率的问题。而频率的测量可以使用计数器，也可以使用频率电压转换积分器实现。振荡法又分为Rc和 Lc 两种。前者较简单，但是抗寄生电容能力差，振荡频率稳定性差，对小电容变化灵敏度低，因此不能用于测量分辨率低于 0.1PF的电容。LC 振荡法的测量范围可以从几百 KHZ到几百 MHZ，比较适合高损耗材料的电容，抗寄生电容干扰的能力差。1.4.3 交流电桥法交流电桥法的原理是被测量的电容 Cx的放在一个桥臂，可调的参考阻抗放在相邻的另一个桥臂上，两桥臂分别接到频率相同，电压相同的两个信号源上。调节参考阻抗使桥路平衡，则被测桥臂的阻抗与参考阻抗共轭相等。主要优点是；精度高， 适合做精密电容测量， 可以做到高饿 SNR。主要缺点是：不具备自动平衡措施。1.4.4 冲放电法冲放电法的原理如图 1.4所示，CMOS 开关 K1和 K2受时钟信号 CP控制，其通断时序也如图所示。在 K1通，K2 断时，A 点接在电压源 Vc上，对 Cx充电。后半周期，K1 断，K2 通，Cx上的电荷释放。此时，Cx 的一端 B点接地，另有端接到虚地。因此，在后半周期中，Cx 上的电荷 Q=Vc*Cx 全部释放。在时钟脉冲的控制下，充电过程以频率 f=1/T重复进行，因而平均放电电流为Im=Vc*Cx*f （式 1.1）该电流被转化成电压并通过 C而平滑，最后给出一个直流输出电压Vo=Rf*Im= Rf*Vc*Cx*f （式 1.2）优点是：低漂流：可自动检测，无须人工干扰； 开关工作频率可高达数兆 赫兹；测量精度高，几乎不受被测电容中的漏电阻的影响，而且抗杂散电容，电路简单，成本低。缺点是；主要采用直流放大有漂流及 CMOS开关的电荷注入问题，必须在电路中周期性检测并补偿，而且寄生电容干扰大 11。本科毕业设计（论文）K2 VcRfCfK2C A Vo图1.4 冲放电法的原理图被测电容本科毕业设计（论文）2 静电悬浮及其反馈系统的理论研究2.1 静电悬浮机理及结构 2.1.1 静电力引起的静力学现象静电悬浮技术的基础在于静电吸引力与反馈控制系统。实现平稳的静电悬浮需要解决两个关键问题:一是静电力的大小足以克服悬浮体本身的重量;二是需要采用反馈系统实时调整悬浮体的姿态，以获得稳定的悬浮状态。在实际操作中，反愤控制系统根据间距的变化通过高压放大系统改变电极电压，不断调节静电力，以获得动态的悬浮。因此，对静电力大小的计算及控制十分关键。本章主要讨论静电悬浮的工作机理及静电悬浮力。以静电力为起因的静力学现象大致可以分为三类: 因静电力使轻小物体附着其它物体而产生的静电附着 轻小物体以集合状态相互吸引而产生的静电凝聚 轻小物体相互之间或者对其它物体施加排斥力的静电排斥现象详细的分析，可以有以下几种表现形式:1.因库仑力产生的附着和凝聚最简单的情况是在均匀电场中，设电场强度为E。的匀强电场的负极上有一半径为a(m)的导体球，则因静电感应产生的电荷及作用于该粒子上的库仑力分别由以下两式给出:（式2-1）023aq（式2-2） 020198.78. EEF为媒质的相对介电常数，设平板电极水平放置，为使该导体球因库仑力反抗重力而上浮所需的外电场大小为:（式2-3）)(195.paE p为粒子比重 为媒质比重2.因电像力引起的附着带电的轻小物体接近导体或相对介电常数为的绝缘物时，因近距的电像力作用而被其吸引从而附着于其表面。3 因梯度力引起的附着当带电体或者外加电压的电极在其周围形成显著的非均匀电场时，即使轻小物体不带电，本科毕业设计（论文）它们也会因梯度力而被吸引向电场强的方向，附着于该带电体或电极的表面而堆集起来。4.因约翰孙一拉贝克力产生的附着和凝聚当电极之间存在着粉体并流过电流时，一般会在粉体层内部产生强大的凝聚力。同时，电极与粉体层之间也将产生很大的附着力。5.粉尘层的静电附着和凝聚6.珠串形成力产生的粒子凝聚2.1.2静电悬浮的机制现在我们只考虑如图（2.1）所示的一种情况，图中只画了有正，负两个电极的情形。由静电悬浮的机理可知，当电极板逼近悬浮体时，若悬浮体为导体，悬浮体表面由于静电感应形成一定的感应电荷分布；若悬浮体为非导体，悬浮体表面由于极化形成一定的极化电荷分布。与电极1（接正电压）相对的部分感应或极化出负电荷，而与电极2（接负电压）相对的部分感应或极化出正电荷；当悬浮体为硅片等半导体材料时，我们认为它在静电场中既有静电感应又有静电极化。静电悬浮的机制可以简化成如图（2.1）所示的模型，为直观起见，图中只画出了正、负两个电极板的情况。其电压、电荷分布、静电力和重力的方向以及各部分的参数如图上标示。悬浮体表面各电荷区的电荷量与电极电压和电极面积成正比，与电极板和悬浮体之间的间距成反比，同时还与悬浮体的介电常数有关。在同等条件下，导电悬浮体表面的电荷量比绝缘体的表面电荷量多；对绝缘体而言，介电常数越小，其表面电荷量也越少 10。图2.1 静电悬浮的机制2.1.3 静电悬浮力的理论计算方法由于电极板与悬浮体之间的间距d(m)与电极板的有效面积S（cm 2）相比小的多，所以可以忽略边缘不规则电场的影响；同时，可以只考虑电极板上各电极分别同与各自直接相对本科毕业设计（论文）的悬浮体部分之间的电场作用，而忽略悬浮体电极其他部分的作用。在静电场中，悬浮体可看作是相对介电常数为 r的电介质（导体的 r为无穷大）。下面我们以电介质为例来推导静电力计算公式，设电极1的电压为V 1，电极板与悬浮体的间距为d 1,电极1的面积为s 1,与他对应的悬浮体上表面的总电荷量为q -,分布面积应该与电极1相同。因悬浮体表面电荷区的对抗作用，悬浮体内部的剩余电场减弱为E 1/ r。电荷区q 1-应遵循高斯定理，即通过任一闭合曲面的电通量等于曲面包围的电荷总量的 0分之一，所以有：（式2-4）0qds（ 0为真空中的介电常数）取一个底面积为S 1的垂直柱体，使它的上表面位于电极和悬浮体之间，下底面在悬浮体内部。显然，此柱体侧面的法线与原电场E 1及剩余电场E 1/ r垂直，通过柱体侧面的电通量为零，只要考虑通过柱体上下底面的电通量。当电极1与悬浮体之间的间距d 1小的多时，电极1与悬浮体之间的电场为匀强电场： 1dVE（式2-5）借助于上述封闭柱体，利用高斯定理可以得到如下方程：（式2-6）0111VCqSEdsr电 荷其中C 1是电极板1与悬浮体上表面形成的电容，由上式可得：（式2-7）1010 )()( SdVSrr下面根据能量守恒原理来推导静电力的大小。假定在静电力的作用下悬浮体在垂直方向上有一个微小位移d 1,那么电场E 1中储存的能量改变为：（式2-8）1211212 dCVdVCVW）（）（微位移d 1引起的感应（或极化）电荷的改变量为：(式2-9)11dCq这样出电压源提供给电场的能量为：(式2-10)1211dvqV本科毕业设计（论文）忽略能量损失时，根据能量守恒原理，电场中贮存的能量的变化应等于静电力做的功与电压源提供的能量之和。由式（2-8、10）以及静电吸引力对悬浮体做的功大小为：F1（d 1）d 1 可得:(式2-11)12112)( dCVdv(式2-12)2101)()(SdFr(式2-13)121)(dCV将（2-8）式代入上式可得：(式2-14)2101)(2)(dSdFr静电悬浮装置中的静电力，既有某一电极区与对应的悬浮体上、下表面电荷区之间的作用力，又包括所有电荷区之间的交叉作用力。此外，电极区与电极区之间，以及电荷区产生的电场与电荷区本身之间等，均存在相互作用的静电力。对悬浮体而言，其中的一些力是内力，有些力则因为距离太远或电场太小而十分微小，可以忽略不计。悬浮体所受的静电力，主要为电场Ei与上表面电荷区q i之间的吸引力。式（2-14）的推导也正是基于这一点的。由式（2-14）推论，任一电压为V i，面积为S i的电极，当它与悬浮体的间距为d i时，产生的对悬浮体的吸引力为：(电介质悬浮体) （式2-15）12101rdSF对于导体而言，r，（2-14）式可简化为：（导电悬浮体） （式2-16）2101dVS式（2-15）和式（2-16）分别是某一电极对导体和电介质悬浮体对应区域的静电作用力公式，负值表示吸引力，即方向垂直向上，由此可见，调节电极电压，可改变该电极对悬浮体对应区域的吸引力大小，进而控制悬浮体的位置和姿态。与电极的高电压相比，静电悬浮过程中各电极区的电压绝对值相差很小，与悬浮体之间的间距也基本相同，因此可将电极电压V i的绝对值取平均值V，悬浮间距d i取平均值d，若电极板共划分为n个电极，电极板总面积S i为S 8，则本科毕业设计（论文）（电介质悬浮体） （式2-17）niirdVSF120）（总 （导电悬浮体） （式2-18）niir1202总22 反馈控制的论述2.1.1在静电悬浮的实现过程中，为保证稳定的悬浮状态去更有效的感应外界的加速度，我们使用了反馈控制技术静电悬浮技术的原理中利用加压使电荷重新分布产生静电场，悬浮体将受到电场力（静电力）的作用，主要为向上的吸引力，就是我们所说的静电悬浮力。此静电悬浮力的大小与电极板上电极的电压，悬浮体材料，面积，悬浮体与上下极板的间距等因素有关，采用基于反馈原理的电路控制技术实时调整电极上的电压，进而调节静电悬浮力的大小使其与悬浮体的重力达到平衡，即可以实现悬浮体的稳定悬浮。为防止悬浮体因静电力不足而掉下或被吸向电极板，我们通过三路光电测距探头实时检测悬浮体与电极组之间的间距，将这三路信号分别与它们的设定值比较以获得三路误差信号，利用这三路误差信号以及工业上的PID（比例，积分，微分）反馈控制方法来控制三个电极E 1E2E3的电压，以改变电场力的大小和方向，进而控制悬浮体的姿态，实现悬浮体的动态悬浮。根据此工作原理，我们研究的带反馈控制系统的静电悬浮悬图如图1.1所示 12。2.3 PID反馈系统考虑到比例、积分、微分控制器各有不同的调节作用，为了更好的发挥它们的作用，也常将三者综合使用，就构成了我们这里论述的PID反馈控制系统此时控制系统的输入与输出关系为:本科毕业设计（论文）（式2-19）)()(1)()(dtetetKtmip它的传递函数可由上式求得为:（式2-20）ssGiidipdic )1()1(2在低频段PID控制器主要是PI作用;在中、高频段主要是PD作用。因而PID控制器既能改善系统的稳态性能，又能提高系统的相对稳定性和快速性。也就是说PD控制可以改善系统的动态性能，而PI控制可以提高系统的稳态性能，PID控制则可以全面提高系统的控制性能。表2.1分别给出了在闭环系统中参数Kp、 i、 d的增加对系统闭环响应的影响。通