專利名稱：一種基于平面電容的六自由度位移測(cè)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(cè)量方法。
背景技術(shù)：
精密位移測(cè)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(cè)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(cè)量方法包括光學(xué)測(cè)量法、電感測(cè)量法、電阻測(cè)量法和電容測(cè)量法等。光學(xué)測(cè)量法與電容測(cè)量法相對(duì)比較成熟，是目前應(yīng)用較廣泛的兩種精密位移測(cè)量方法。光學(xué)測(cè)量法主要包括光柵測(cè)量法和激光干涉法，兩者均具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、量程大、無(wú)磨損等特點(diǎn)，但是光學(xué)測(cè)量法對(duì)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(cè)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(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量，但測(cè)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(cè)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(cè)量。同時(shí)由于它只需采用一個(gè)傳感器就能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多自由度的位移和角度測(cè)量，但是平面電容傳感器對(duì)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(gè)坐標(biāo)軸χ、γ、ζ的旋轉(zhuǎn)偏差)會(huì)大大降低輸出信號(hào)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(dòng)誤差(動(dòng)態(tài)誤差)等。針對(duì)安裝偏差，雖然可以通過(guò)標(biāo)定盡量減小，但無(wú)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(dòng)誤差造成的角度偏差是動(dòng)態(tài)干擾，盡管可以通過(guò)實(shí)時(shí)反饋校正來(lái)改善，但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)變得過(guò)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(cè)量方法?；谄矫骐娙轀y(cè)量原理，以實(shí)現(xiàn)X-Y 二維平面大行程精密位移測(cè)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(gè)坐標(biāo)軸X、Y、Z的旋轉(zhuǎn)偏差)，通過(guò)聯(lián)立八個(gè)電容輸出信號(hào)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(cè)量。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是測(cè)量裝置包括一塊移動(dòng)極板和平行地置于移動(dòng)極板下方的一塊固定極板；固定極板上表面分布有一個(gè)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(dòng)極板下表面分布有八個(gè)矩形傳感電容電極，和固定極板的電容電極陣列組成八個(gè)電容，八個(gè)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(gè)傳感電容電極SX1N、SX1Q, SX2n, SX2q輸出X軸位移信號(hào)，四個(gè)傳感電容電極SY1N、SY1Q、SY2N、SY20 輸出Y軸位移信號(hào)的；每一組的兩個(gè)傳感電容電極在相應(yīng)測(cè)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(hào)有90°的相位差，傳感電容電極SX1N、SY1N、SX2N、SY2N輸出余弦信號(hào)，傳感電容電極SX1Q、SY1Q、SY1Q、SY2Q輸出正弦信號(hào)。移動(dòng)極板上的八個(gè)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(zhǎng)相等，長(zhǎng)度是固定極板上的正方形電容電極邊長(zhǎng)的四倍；當(dāng)移動(dòng)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(duì)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(duì)面積不變；當(dāng)移動(dòng)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(duì)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(duì)面積不變；確保八個(gè)電容輸出信號(hào)均只反映各自測(cè)量方向的位移變化，而不會(huì)受非測(cè)量方向上位移的影響。當(dāng)移動(dòng)極板沿X軸方向相對(duì)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(hào)，傳感電容電極sx1Q、sx2Q落后1/4周期輸出正弦曲線信號(hào)，SY1N、SY1Q、SY2N、SY2Q 信號(hào)不發(fā)生變化；當(dāng)移動(dòng)極板沿Y軸方向相對(duì)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(hào)，傳感電容電極SY1Q、SY2Q落后1/4周期輸出正弦曲線信號(hào)，SX1N、SX1Q、 SX2N、SX2tJf號(hào)不發(fā)生變化；當(dāng)移動(dòng)極板存在一個(gè)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(hào)會(huì)有一個(gè)Χ0Ζ/Ρ的相位超前，SXiq, SX2n的輸出信號(hào)則有一個(gè)Χ0ζ/Ρ相位滯后；Y軸方向上，SY1N, SY2q的輸出信號(hào)會(huì)有一個(gè)Υ0ζ/ρ的相位超前，SYiq, SY2n的輸出信號(hào)則有一個(gè)Υ0ζ/ρ相位滯后。通過(guò)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(hào)ΧΝ(ΜΛ、Ynoemal和繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度位移信號(hào) θ 2共3個(gè)自由度的測(cè)量。移動(dòng)極板產(chǎn)生以任意一點(diǎn)0’為中心的傾斜運(yùn)動(dòng)都視為以幾何中心0為中心的平動(dòng)和傾斜運(yùn)動(dòng)的組合，包括Z軸方向的平動(dòng)Zmjsm、繞χ軸的傾斜運(yùn)動(dòng)θχ和繞Y軸的傾斜運(yùn)動(dòng)θ y。移動(dòng)極板繞X軸的傾斜運(yùn)動(dòng)Θ χ使得Y方向的傳感電容電極SY1N，SY2n分別產(chǎn)生大小為L(zhǎng)Nsin θ χ、方向相反的極板間距變化，SY1Q，SY2Q產(chǎn)生大小為L(zhǎng)Qsin θ χ、方向相反的極板間距變化，而對(duì)于X方向的傳感電容電極SX1N，SX2N, SXiq, SX2q而言，會(huì)產(chǎn)生大小為L(zhǎng)ssin θ χ的間距變化；移動(dòng)極板繞Y軸的傾斜運(yùn)動(dòng)θ y使得X方向的傳感電容電極SX1N，SX2n分別產(chǎn)生大小為L(zhǎng)Nsin θ y、方向相反的極板間距變化，SX1Q，SX2Q產(chǎn)生大小為L(zhǎng)Qsin θ y、方向相反的極板間距變化，而對(duì)于Y方向的傳感電容電極SY1N，SY2N, SYiq, SY2q而言，會(huì)產(chǎn)生大小為L(zhǎng)ssin 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(cè)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(cè)量方向上距離原點(diǎn)的距離。通過(guò)構(gòu)建八個(gè)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(cè)量。本發(fā)明具有的有益效果是1)只需采用一個(gè)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(cè)量，八個(gè)電容的電容量變化只反映測(cè)量方向上的位置變化，而不受非測(cè)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(cè)量。2)通過(guò)構(gòu)建八個(gè)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(cè)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(dòng)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(dòng)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(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)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(dòng)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(gè)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(dòng)極板1下表面分布有八個(gè)矩形傳感電容電極，和固定極板的電容電極陣列組成八個(gè)電容，八個(gè)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(gè)傳感電容電極SX1N9、SX1q8、SX2N5、SX2Q4輸出X軸位移信號(hào)，四個(gè)傳感電容電極SY1N3、SYiqIO, SY2N7、SY2Q6輸出Y軸位移信號(hào)的；每一組的兩個(gè)傳感電容電極在相應(yīng)測(cè)量方向的初始位置存在1/4周期的位置差，使得輸出信號(hào)有90°的相位差，傳感電容電極SX1N9、SY1N5、SX2N3、SY2N7輸出余弦信號(hào)，傳感電容電極SX1Q8、SY1Q4、SYiqIO、 SY2Q6輸出正弦信號(hào)。移動(dòng)極板上的八個(gè)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(zhǎng)相等，其長(zhǎng)度是固定極板上的正方形電容電極邊長(zhǎng)的四倍；當(dāng)移動(dòng)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(duì)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(duì)面積不變；當(dāng)移動(dòng)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(duì)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(duì)面積不變；就確保了八個(gè)電容輸出信號(hào)均只反映各自測(cè)量方向的位移變化，而不會(huì)受非測(cè)量方向上位移的影響。當(dāng)移動(dòng)極板1沿X軸方向相對(duì)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(hào)，傳感電容電極SX1Q8、SX2Q4落后1/4周期輸出正弦曲線信號(hào)，SY1N3、 SY1Q10、SY2N7、SY2Q6信號(hào)不發(fā)生變化；當(dāng)移動(dòng)極板1沿Y軸方向相對(duì)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(hào)，傳感電容電極SY1Q10、SY2Q6落后1/4周期輸出正弦曲線信號(hào)，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(cè)量方法，包括一塊移動(dòng)極板(1)和平行地置于移動(dòng)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(gè)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(dòng)極板(1)下表面分布有八個(gè)矩形傳感電容電極， 和固定極板的電容電極陣列組成八個(gè)電容，八個(gè)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(gè)傳感電容電極 SX1N、SX1Q、SX2N、SX20 輸出 X軸位移信號(hào)，四個(gè)傳感電容電極SY1N、SY1Q, SY2n, SY2q輸出Y軸位移信號(hào)的；每一組的兩個(gè)傳感電容電極在相應(yīng)測(cè)量方向的初始位置存在1/4周期的位置差，使得輸出信號(hào)有90°的相位差，傳感電容電極SX1N、SY1N, SX2n, SY2n輸出余弦信號(hào)，傳感電容電極SX1Q、SY1Q、SY1Q、SY20 輸出正弦信號(hào)；其特征在于移動(dòng)極板(1)上的八個(gè)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(zhǎng)相等，其長(zhǎng)度是固定極板上的正方形電容電極邊長(zhǎng)的四倍；當(dāng)移動(dòng)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(duì)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(duì)面積不變；當(dāng)移動(dòng)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(duì)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(duì)面積不變；確保八個(gè)電容輸出信號(hào)均只反映各自測(cè)量方向的位移變化，而不會(huì)受非測(cè)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(cè)量方法，其特征在于 當(dāng)移動(dòng)極板(1)沿X軸方向相對(duì)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(hào)，傳感電容電極SX1Q、SX2Q落后1/4周期輸出正弦曲線信號(hào)，SY1N、SY1Q、SY2N、SY2Q 信號(hào)不發(fā)生變化；當(dāng)移動(dòng)極板(1)沿Y軸方向相對(duì)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(hào)，傳感電容電極SY1Q、SY2q落后1/4周期輸出正弦曲線信號(hào)， SX1N、SX1Q、SX2N、SX2Jf號(hào)不發(fā)生變化；當(dāng)移動(dòng)極板(1)存在一個(gè)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(hào)會(huì)有一個(gè)X0z/ P的相位超前，SXiq, SX2n的輸出信號(hào)則有一個(gè)X0z/P相位滯后-J軸方向上，SY1N, SY2q的輸出信號(hào)會(huì)有一個(gè)Y0z/p的相位超前，SY1Q、SY2n的輸出信號(hào)則有一個(gè)Y0Z/P相位滯后，通過(guò)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(hào)XTOEm、Ynoemal和繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度位移信號(hào)92共3個(gè)自由度的測(cè)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(cè)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(cè)量方法，其特征在于 移動(dòng)極板(1)產(chǎn)生以任意一點(diǎn)0’為中心的傾斜運(yùn)動(dòng)都視為以幾何中心0為中心的平動(dòng)和傾斜運(yùn)動(dòng)的組合，包括沿Z軸方向的平動(dòng)Zraim、繞χ軸的傾斜運(yùn)動(dòng)θ χ和繞Y軸的傾斜運(yùn)動(dòng)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(cè)量方法，其特征在于 移動(dòng)極板(1)繞X軸的傾斜運(yùn)動(dòng)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L(zhǎng)Qsin θ χ、方向相反的極板間距變化，而對(duì)于X方向的傳感電容電極SX1N，SX2N, SXiq, SX2q而言，會(huì)產(chǎn)生大小為L(zhǎng)ssin θ χ的間距變化；移動(dòng)極板⑴繞Y軸的傾斜運(yùn)動(dòng)θ y使得X方向的傳感電容電極SX1N，SX2n分別產(chǎn)生大小為L(zhǎng)Nsin θ y、方向相反的極板間距變化，SX1Q，SX2Q產(chǎn)生大小為L(zhǎng)Qsin θ y、方向相反的極板間距變化，而對(duì)于Y方向的傳感電容電極SY1N，SY2N, SYiq, SY2q而言，會(huì)產(chǎn)生大小為L(zhǎng)ssin 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(cè)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(cè)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(cè)量方法，其特征在于 通過(guò)構(gòu)建八個(gè)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(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于平面電容的六自由度位移測(cè)量方法。由移動(dòng)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(dòng)極板上分布有八個(gè)矩形傳感電容電極；八個(gè)傳感電容電極分成四組，每組的兩個(gè)電極在測(cè)量方向存在1/4周期位置差，輸出信號(hào)有90°的相位差；當(dāng)移動(dòng)極板相對(duì)固定極板產(chǎn)生XY平面的位移時(shí)，對(duì)八個(gè)電容的輸出信號(hào)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(hào)和繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)；當(dāng)移動(dòng)極板產(chǎn)生傾斜位移時(shí)，通過(guò)聯(lián)立“電容求解”方程組求解出沿Z軸直線位移信號(hào)和繞X軸、Y軸的旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)。該方法通過(guò)求解兩組方程，實(shí)現(xiàn)沿X軸、Y軸、Z軸的三個(gè)直線位移和繞X軸、Y軸、Z軸三個(gè)旋轉(zhuǎn)角度位移共六個(gè)自由度的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B7/02GK102221323SQ201110151339
公開(kāi)日2011年10月19日 申請(qǐng)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(qǐng)人:浙江大學(xué)