专利名称：基于平面电容的X-Y-θ位移直接解耦测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于平面电容的X-Y-θ位移直接解耦测量装置及方法。

背景技术：
精密位移测量技术是与超大规模集成电路(IC)制造与封装、微机电系统(MEMS)装配与集成、超精密加工、纳米材料制造、光学仪器、细胞操纵、生物工程等诸多领域发展水平密切相关的高新技术。精密位移测量技术的首要任务是在保持高精度测量的同时，突破大行程测量的瓶颈。
目前，运用最为广泛的精密位移测量方法包括光学测量法、电感测量法(Linear Variable Differential Transformer，LVDT，线性可变差动变压器)、电阻测量法和电容测量法等。光学测量法与电容测量法相对比较成熟，是目前市场上应用最广泛的两种精密位移测量方法。光学测量法主要包括光栅测量法和激光干涉法，两者均具有测量精度高、响应速度快、量程大、无磨损等特点，但是光学测量法对温度、湿度等环境因素要求高，系统构建的成本也较高。对于电容式测量法，目前主要应用变间距式测量原理，其优点在于分辨率高、精度好、结构简单、动态响应快，特别适合动态测量，但测量行程较小。
平面电容传感器是基于电容原理的高精度测量传感器，可望成为突破大行程、高精度瓶颈的一种新的精密位移测量方法。基于变面积式的平面电容传感器，在保持精密电容传感器优点的同时，可实现大行程的精密位移测量。同时由于它只需采用一个传感器就能同时实现X-Y的二维直线位移测量，安装空间要求、安装误差(消除了阿贝误差)大大降低。
但是平面电容传感器对安装精度的要求高，较小的角度倾斜误差(安装中存在了绕三个坐标轴X、Y、Z的旋转偏差)就会大大降低输出信号的线性度。而在实际的应用中，角度偏差(或称干扰)是不可避免的，包括安装偏差(静态误差)、运动误差(动态误差)等。针对安装偏差，虽然可以通过标定尽量减小，但无法完全消除，且工艺方面的保证措施困难，成本也较高。运动误差造成的角度偏差是动态干扰，尽管可以通过实时反馈校正来改善，但会导致系统变得过于复杂，实现困难。


发明内容
本发明的目的是提供一种基于平面电容的X-Y-θ位移直接解耦测量装置及方法。基于平面电容测量原理，除实现X-Y二维平面精密位移测量外，同时利用移动极板上八组传感电极组简单的几何关系，对输出信号采用“和差化积”算法，将角度干扰信号作为小角度位移信号θ考虑，解耦小角度位移信号θ对X-Y二维平面位移信号的影响，同时实时输出小角度位移信号，实现了X-Y-θ位移直接解耦测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一、一种基于平面电容的X-Y-θ位移直接解耦测量装置 测量装置包括一块固定极板和平行地置于固定极板上方的一块移动极板；固定极板上分布有四组正方形对称分布的电容电极组，每组电容电极组均是由等大小、等间距、等个数的正方形电容电极单元构成；移动极板上分布有和固定极板上的电容电极组一一对应的四组共八个传感电容电极组，包括输出X轴位移信号的传感电极组SENSEX1N，SENSEX1Q、SENSEX2N、SENSEX2Q以及输出Y轴位移信号的传感电极组SENSEY1N、SENSEY1Q、SENSEY2N和SENSEY2Q，其中SENSEX1N，SENSEX1Q为一组，SENSEX2N，SENSEX2Q为一组，SENSEY1N，SENSEY1Q为一组，SENSEY2N，SENSEY2Q为最后一组；每一组的两个传感电容电极组在相应测量方向的初始位置存在1/4周期的位置差，使得输出信号有90°的相位差，SENSEX1N，SENSEX2N，SENSEY1N和SENSEY2N输出余弦信号，SENSEX1Q，SENSEX2Q，SENSEY1Q和SENSEY2Q输出正弦信号。
所述的移动极板上的八个传感电容电极组，均各自包括两组共六个电容电极单元，移动极板上的电容电极单元和固定极板上的电容电极单元大小相同，当其中一组共三个电容电极单元与固定极板中的电容电极单元完全正对时，另一组共三个电容电极单元正好与固定极板中的电容电极单元完全错开，没有正对面积。移动极板上每组传感电极组的电极单元和固定极板上电极单元的正对面积只在移动极板在其测量方向产生位移时才发生相应变化，而不受非测量方向上位置变化的影响。
二、一种基于平面电容的X-Y-θ位移直接解耦测量方法 平面电容的移动极板和平行地置于固定极板上方；固定极板上分布有四组正方形对称分布的电容电极组，每组电容电极组均是由等大小、等间距、等个数的正方形电容电极单元构成；移动极板上分布有和固定极板上的电容电极组一一对应的四组共八个传感电容电极组，每一组的两个传感电容电极组在相应测量方向的初始位置存在1/4周期的位置差，使得输出信号有90°的相位差；同时，八个传感电容电极组，均各自包括两组共六个电容电极单元，当其中一组共三个电容电极单元与固定极板中的电容电极单元完全正对时，另一组共三个电容电极单元正好与固定极板中的电容电极单元完全错开，没有正对面积；这就确保了输出X轴位移信号的SENSEX1N、SENSEX1Q、SENSEX2N、SENSEX2Q和输出Y轴方向的位移信号的SENSEY1N、SENSEY1Q、SENSEY2N、SENSEY2Q均只反映各自测量方向的位移变化，而不会受非测量方向上位移的影响，实现了X轴和Y轴位移的直接解耦测量；当移动极板相对固定极板产生平面位移时，八个传感电容电极组将产生八个电容输出信号，通过简单的和差化积运算，可直接解耦存在小角度位移干扰下的X轴Y轴平面位移输出信号，并得出该小角度位移信号θ。
当平面电容传感器的移动极板沿X轴方向相对于固定极板产生位移时，传感电容电极组SENSEX1N和SENSEX2N输出余弦曲线信号，传感电容电极组SENSEX1Q和SENSEX2Q落后1/4周期输出正弦曲线信号，SENSEY1N、SENSEY1Q、SENSEY2N和SENSEY2Q信号不发生变化；当平面电容传感器的移动极板沿Y轴方向相对于固定极板产生位移时，传感电容电极组SENSEY1N和SENSEY2N输出余弦曲线信号，传感电容电极组SENSEY1Q和SENSEY2Q落后1/4周期输出正弦曲线信号，SENSEX1N、SENSEX1Q、SENSEX2N和SENSEX2Q信号不发生变化；这就确保了输出X轴位移信号的SENSEX1N、SENSEX1Q、SENSEX2N、SENSEX2Q和输出Y轴方向的位移信号的SENSEY1N、SENSEY1Q、SENSEY2N、SENSEY2Q均只反映各自测量方向的位移变化，而不会受非测量方向上位移的影响，实现了X轴和Y轴位移的直接解耦测量。
当移动极板存在一个较小的偏转角位移θ(通常情况下θ＜1°)时，以顺时针的θ角偏转为例，在X轴方向上，将使SENSEX1N和SENSEX2Q的输出信号会有一个Xθ/P的相位超前，SENSEX1Q和SENSEX2N的输出信号则有一个Xθ/P相位滞后；Y轴方向上，SENSEY1N和SENSEY2Q的输出信号会有一个Yθ/P的相位超前，SENSEY1Q和SENSEY2N的输出信号则有一个Yθ/P相位滞后。所述的基于平面电容的X-Y-θ位移直接解耦测量方法通过“和差化积”的运算方法，完全解耦小角度位移信号对X轴和Y轴位移测量的影响，同时实时获得小角度位移θ的数值。
本发明具有的有益效果是 1)只需采用一个传感器就能实现X-Y的平面位移维位移测量，移动极板上每组传感电极组的电容量变化只反映测量方向上的位置变化，而不受非测量方向上位置变化的影响，实现了X轴和Y轴位移的直接解耦测量。
2)对移动极板上八组传感电极组输出的八组信号采用“和差化积”算法，解耦小角度位移信号θ对X-Y二维平面位移信号的影响，同时实时输出小角度位移信号θ，实现了X-Y-θ位移直接解耦测量。



图1是本发明的结构主视图。
图2是图1的结构俯视图。
图3是传感电容电极组SENSEY1N和SENSEY1Q模型的结构主视图 图4是图3的结构俯视图。
图5是存在小角度位移时，传感电容电极组SENSEY1N和SENSEY1Q模型的结构俯视图。
图中1、移动极板，2、固定极板，3、传感电容电极组SENSEY1N，4、传感电容电极组SENSEX2Q，5、传感电容电极组SENSEX2N，6、传感电容电极组SENSEY2Q，7、传感电容电极组SENSEY2N，8、传感电容电极组SENSEX1Q，9、传感电容电极组SENSEX1N，10、传感电容电极组SENSEY1Q，11、固定极板电容电极组。

具体实施例方式 如图1、图2所示，平面电容的移动极板1平行地置于固定极板2的上方。1)固定极板2上分布有四组正方形对称分布的电容电极组11，每组电容电极组均是由等大小、等间距、等个数的正方形电容电极单元构成，统一输入电压信号Vinput；2)移动极板1上分布有和固定极板2上的电容电极组一一对应的四组共八个传感电容电极组，包括输出X轴位移信号的传感电极组SENSEX1N9、SENSEX1Q8、SENSEX2N5、SENSEX2Q4以及输出Y轴位移信号的传感电极组SENSEY1N3、SENSEY1Q10、SENSEY2N7和SENSEY2Q6，其中SENSEX1N9、SENSEX1Q8为一组，SENSEX2N5、SENSEX2Q4为一组，SENSEY1N3、SENSEY1Q10为一组，SENSEY2N7和SENSEY2Q6为最后一组；每一组的两个传感电容电极组在相应测量方向的初始位置存在1/4周期的位置差，使得输出信号有90°的相位差，SENSEX1N9，SENSEX2N5，SENSEY1N3和SENSEY2N7输出余弦信号，SENSEX1Q8，SENSEX2Q4，SENSEY1Q10和SENSEY2Q6输出正弦信号。
所述的移动极板1上的八个传感电容电极组，均各自包括两组共六个电容电极单元，移动极板1上的电容电极单元和固定极板2上的电容电极单元大小相同，当其中一组共三个电容电极单元与固定极板2中的电容电极单元完全正对时，另一组共三个电容电极单元正好与固定极板2中的电容电极单元完全错开，没有正对面积。
当平面电容传感器的移动极板1沿X轴方向相对于固定极板2产生位移时，传感电容电极组SENSEX1N9和SENSEX2N5输出余弦曲线信号，传感电容电极组SENSEX1Q8和SENSEX2Q4落后1/4周期输出正弦曲线信号，SENSEY1N3、SENSEY1Q10、SENSEY2N7和SENSEY2Q6信号不发生变化；当平面电容传感器的移动极板1沿Y轴方向相对于固定极板2产生位移时，传感电容电极组SENSEY1N3和SENSEY2N7输出余弦曲线信号，传感电容电极组SENSEY1Q10和SENSEY2Q6落后1/4周期输出正弦曲线信号，SENSEX1N9、SENSEX1Q8、SENSEX2N5、SENSEX2Q4信号不发生变化；这就确保了输出X轴位移信号的SENSEX1N9、SENSEX1Q8、SENSEX2N5、SENSEX2Q4和输出Y轴方向的位移信号的SENSEY1N3、SENSEY1Q10、SENSEY2N7和SENSEY2Q6均只反映各自测量方向的位移变化，而不会受非测量方向上位移的影响，实现了X轴和Y轴位移的直接解耦测量。
图3和图4给出了移动极板上输出Y轴方向位移信号的SENSEY1N3、SENSEY1Q10模型的结构主视图和俯视图。移动极板1上，传感电容电极组SENSEY1N3和SENSEY1Q10在Y轴方向初始位置存在1/4周期的位置差，当移动极板1从如图4所示位置朝Y轴正方向产生位移时，SENSEY1N3与固定极板2上的电容电极单元的正对面积以三角波的形式，从最大值向最小值发生变化，SENSEY1Q10与固定极板2上的电容电极单元的正对面积则落后SENSEY1N1/4周期，同样以三角波的形式发生变化，考虑到边缘效应的存在，实际的电容信号，更接近于呈正弦和余弦曲线变化，对SENSEY1N3，SENSEY1Q10的输出信号进行归一化处理后，SENSEY1N3将输出余弦信号Y1N，SENSEY1Q10则输出正弦信号Y1Q。
其中，YNORMINAL为Y轴方向移动极板的位移。
从图4给出的移动极板1上输出Y轴方向位移信号的SENSEY1N3，SENSEY1Q10结构模型的俯视图也可以看出，移动极板1上的传感电极组SENSEY1N3和SENSEY1Q10均各自包含六个电容电极单元，根据布置的相对位置，每组传感电容电极组中的六个电容电极单元又可分为两组。以SENSEY1N3为例，当SENSEY1N3的右边一列电容电极单元与固定极板2中的电容电极单元正好相对时，左边一列电容电极单元正好与固定极板2中的电容电极单元错开。这种错位的设计使得当移动极板1沿X轴方向上运动时，移动极板1上的传感电容电极组SENSEY1N和固定极板2上的电容电极单元的正对面积保持不变，电容量不产生变化。即当移动极板1在传感电容电极组的非测量方向上产生的位移时，传感电容电极组的电容量不受其影响。
当移动极板1存在一个θ角的小角度位移时，移动极板1上四组共八个传感电容电极组的输出信号会各自产生一个相位超前或相位滞后，使得X-Y平面位移测量信号耦合了小角度位移信号θ误差，降低了测量精度。图5给出了存在小角度位移信号θ下传感电容电极组SENSEY1N3，SENSEY1Q10模型。当移动极板1沿Y轴正方向产生理想的位移YNORMINAL时，若同时存在一个小角度的θ偏转角位移，移动极板1的偏转会使每组传感电容电极组沿运动方向的又再产生一个的位移，对于Y轴方向的位移而言，θ角的偏转，使SENSEY1N3产生沿Y轴正向的位移Yθ，而SENSEY1Q10则产生沿Y轴负向的位移Yθ，对两组输出信号而言，直接的表现就是SENSEY1N3的输出信号会有一个Yθ/P的相位超前，而SENSEY1Q10的输出信号则有一个Yθ/P的相位滞后。基于图3所设计的模型，给出了Y轴方向上，移动极板1产生位移时传感电容电极组(SENSEY1N，SENSEY1Q)的输出信号 其中C(θ)是角度偏转对传感电容电极组的灵敏度影响因子；Yθ指θ角的偏转使Y轴方向传感电容电极组产生的沿Y轴方向的偏置位移Yθ。
从图2可以看出，移动极板1上安装了四组共八个传感电容电极组，包括输出X轴位移信号传感电容电极组的SENSEX1N9、SENSEX1Q8、SENSEX2N5、SENSEX2Q4和输出Y轴方向的位移信号的传感电容电极组SENSEY1N3、SENSEY1Q10、SENSEY2N7和SENSEY2Q6。根据图5建立的具有小角度位移的模型，可以得出各组传感电容电极组的输出信号 其中Xθ指θ角的偏转使X轴方向传感电容电极组产生的沿X轴方向的偏置位移Xθ。
所述的基于平面电容传感器的X-Y-θ位移直接解耦测量方法通过对移动极板1上八个传感电容电极组输出信号采用“和差化积”的运算方法，完全解耦小角度位移对X轴和Y轴位移测量的影响，同时实时获得小角度位移的数值。
同理，可以得到 通过式(4)～式(6)的分析，可以看出平面位移信号XNOMINAL、YNOMINAL和小角度位移对应的位移信号Xθ、Yθ实现了完全解耦，这就验证了基于平面电容的X-Y-θ位移直接解耦测量方法是完全可行的。
本发明测量装置结构与计算算法简单。
权利要求
1.一种基于平面电容的X-Y-θ位移直接解耦测量装置，其特征在于测量装置包括一块固定极板(1)和平行地置于固定极板上方的一块移动极板(2)；固定极板(1)上表面分布有四组正方形对称分布的电容电极组，每组电容电极组均是由等大小、等间距、等个数的正方形电容电极单元构成；移动极板(2)下表面分布有和固定极板上的电容电极组一一对应的四组共八个传感电容电极组，包括输出X轴位移信号的四个传感电极组SENSEX1N，SENSEX1Q、SENSEX2N、SENSEX2Q以及输出Y轴位移信号的四个传感电极组SENSEY1N、SENSEY1Q、SENSEY2N和SENSEY2Q，其中SENSEX1N，SENSEX1Q为一组，SENSEX2N，SENSEX2Q为一组，SENSEY1N，SENSEY1Q为一组，SENSEY2N，SENSEY2Q为最后一组；每一组的两个传感电容电极组在相应测量方向的初始位置存在1/4周期的位置差，使得输出信号有90°的相位差，传感电极组SENSEX1N，SENSEX2N，SENSEY1N和SENSEY2N输出余弦信号，传感电极组SENSEX1Q，SENSEX2Q，SENSEY1Q和SENSEY2Q输出正弦信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于平面电容的X-Y-θ位移直接解耦测量装置，其特征在于所述的移动极板(1)上的八个传感电容电极组，均各自包括两组共六个电容电极单元，移动极板上的电容电极单元和固定极板上的电容电极单元大小相同，当其中一组共三个电容电极单元与固定极板中的电容电极单元完全正对时，另一组共三个电容电极单元正好与固定极板中的电容电极单元完全错开，没有正对面积。
3.按权利要求1所述装置的一种基于平面电容的X-Y-θ位移直接解耦测量方法，其特征在于平面电容的移动极板平行地置于固定极板上方；固定极板上分布有四组正方形对称分布的电容电极组，每组电容电极组均是由等大小、等间距、等个数的正方形电容电极单元构成；移动极板上分布有和固定极板上的电容电极组一一对应的四组共八个传感电容电极组，每一组的两个传感电容电极组在相应测量方向的初始位置存在1/4周期的位置差，使得输出信号有9θ°的相位差；同时，八个传感电容电极组，均各自包括两组共六个电容电极单元，当其中一组共三个电容电极单元与固定极板中的电容电极单元完全正对时，另一组共三个电容电极单元正好与固定极板中的电容电极单元完全错开，没有正对面积；这就确保了输出X轴位移信号的SENSEX1N、SENSEX1Q、SENSEX2N、SENSEX2Q和输出Y轴方向的位移信号的SENSEY1N、SENSEY1Q、SENSEY2N、SENSEY2Q均只反映各自测量方向的位移变化，而不会受非测量方向上位移的影响，实现了X轴和Y轴位移的直接解耦测量；当移动极板相对固定极板产生平面位移时，八个传感电容电极组将产生八个电容输出信号，通过和差化积运算，可直接解耦存在小角度位移干扰下的X轴Y轴平面位移输出信号，并得出该小角度位移信号θ。
4.根据权利要求3所述的一种基于平面电容的X-Y-θ位移直接解耦测量装置，其特征在于1)当平面电容传感器的移动极板沿X轴方向相对于固定极板产生位移时，传感电容电极组SENSEX1N和SENSEX2N输出余弦曲线信号，传感电容电极组SENSEX1Q和SENSEX2Q落后1/4周期输出正弦曲线信号，SENSEY1N、SENSEY1Q、SENSEY2N和SENSEY2Q信号不发生变化；2)当平面电容传感器的移动极板沿Y轴方向相对于固定极板产生位移时，传感电容电极组SENSEY1N和SENSEY2N输出余弦曲线信号，传感电容电极组SENSEY1Q和SENSEY2Q落后1/4周期输出正弦曲线信号，SENSEX1N、SENSEX1Q、SENSEX2N和SENSEX2Q信号不发生变化。
5.根据权利要求3所述的一种基于平面电容的X-Y-θ位移直接解耦测量装置，其特征在于当移动极板存在一个较小的偏转角位移θ时，通常情况下θ＜1°，以顺时针的θ角偏转为例，在X轴方向上，将使SENSEX1N和SENSEX2Q的输出信号会有一个Xθ/P的相位超前，SENSEX1Q和SENSEX2N的输出信号则有一个Xθ/P相位滞后；Y轴方向上，SENSEY1N和SENSEY2Q的输出信号会有一个Yθ/P的相位超前，SENSEY1Q和SENSEY2N的输出信号则有一个Yθ/P相位滞后。所述的基于平面电容的X-Y-θ位移直接解耦测量方法通过“和差化积”的运算方法，完全解耦小角度位移信号对X轴和Y轴位移测量的影响，同时实时获得小角度位移θ的数值。
全文摘要
本发明公开了一种基于平面电容的X-Y-θ位移直接解耦测量装置及方法。它由移动极板和固定极板组成；固定极板上分布有四组正方形对称分布的电容电极组；移动极板上分布有和固定极板上的四组电容电极组一一对应的四组共八个传感电容电极组，每一组的两个传感电容电极组在相应测量方向的初始位置存在1/4周期的位置差，使得输出信号有90°的相位差；测量过程中，当移动极板相对固定极板产生平面位移时，八个传感电容电极组将产生八个电容输出信号，通过和差化积运算，可直接解耦存在小角度位移干扰下的X轴Y轴平面位移输出信号，并得出该小角度位移信号θ。该方法直接解耦输出X轴Y轴位移信号和小角度位移信号θ，具有较快的测量速度。
文档编号G01B7/30GK101769712SQ20101010417
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者余建平, 王文, 朱珠, 文耀华, 陈子辰 申请人:浙江大学