静电悬浮电容式惯性测试的组合设计Word格式.docx

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Electro-staticallysuspendedaccelerometerisakindofanaccelerometerwithhighestprecisionintheworld.Thisarticleisputtingforwardthefirststepdesignprojectofelectrostaticsuspendtypethreeaxisaccelerometer.Anditmainlystudiesthreecontents：

Thefirstisthemechanismofcapacitancesensor.Thesecondisbrieflydiscussingthetheory,theequipmentandthecontrollingprocessofphotoelectricityfeedbackofelectrostaticsuspension，andisalsomeasuredtheelectrostaticsuspendforcesactingontheobjectswithdifferentvoltageanddifferentspacesbetweenelectrodeandsuspendbodythroughexperiment，andopeningoutthecorrelationbetweenthem，andprovingthefeasibilityofelectrostaticsuspension.Thethirdisdiscussingthesportcarriageofsuspendbodyandthemethodofphotoelectricitydetectionofminutenessdisplacement.

Keywords:

Electrostaticsuspension，Electrostaticforce，Electriccapacitytypeaccelerationaccount，suspendbody

0引言1

1绪论2

1.1研究课题题目2

1.2研究课题的目的和意义2

1.3传感器的现状和发展趋势3

2静电悬浮式三轴加速度计的初步设计7

2.1微机械加速度计的发展7

2.2电容式传感器的基本工作原理7

2.3静电悬浮加速度计的结构设计8

2.4检测原理9

2.5位移电容的检测原理10

2.6加速度的检测原理11

3悬浮技术12

3.1悬浮技术的应用12

3.2现有悬浮技术的局限性及静电悬浮的新发展12

3.3静电力引起的静力学现象14

3.4静电悬浮的理论分析15

3.5静电悬浮力的理论计算方法16

3.6静电悬浮实验的可行性分析18

4静电悬浮的实验研究20

4.1静电悬浮机理20

4.2静电悬浮电极板的设计21

4.3悬浮体的设计22

4.4实验23

4.5实验装置24

4.6铝片和CD片的静电悬浮力测定25

4.7实验结论26

5悬浮体的姿态分析及悬浮间距的检测28

5.1悬浮体的姿态分析28

5.2悬浮间距的检测研究28

5.3光电位置敏感元件PSD的工作原理29

5.4激光三角法测距原理30

5.5光电检测探头的设计31

参考文献33

致谢35

英文资料翻译

英文资料原文

0引言

传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。

如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置——传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。

目前，信息传输与处理技术已经取得突破性进展。

然而传感器的发展相对滞后。

在今天的信息时代，各种控制系统自动化程度，复杂性以及环境适应性（如高温、高速、野外、地下、高空等）要求越来越高，需要获取的信息量越来越多，它不仅对传感器测量精度、响应速度、可靠性提出了很高的要求，而且需求信号远距离传输。

显然，传统的传感器已经很难满足要求，发展集成化、微型化、智能化、网络化的传感器将成为传感器技术的主流和方向[1]。

在科学技术和现代工业的许多特殊领域，需要对精密元器件进行非接触无损操作,以避免对元器件的摩擦损伤和表面污染,如用于集成电路加工的半导体硅基（Wafer）、光电技术中的液晶显示片（LCD）、多媒体光盘（CD）等。

解决这些问题的最佳方法是采用悬浮技术。

现有的悬浮技术以气垫悬浮和磁悬浮为主,其中气垫悬浮技术已成功应用于气垫船等交通工具,具有速度快、驱动力强、水陆两用等优点，所存在的问题是噪声大、破坏力强、气垫所造成的飞扬尘土和纸屑还容易环境造成污染。

磁悬浮技术分别以德国的常规导体（常导）磁悬浮和日本的超导磁悬浮为代表，它们的最成功应用是高速磁悬浮列车,其实验时速已达到550公里。

磁悬浮技术的特点是悬浮力大和驱动力强,对环境无破坏作用,但其工作原理决定了它仅适用于磁性体的悬浮,无法实现硅Wafer等绝大多数非磁性体的悬浮操作。

因此,为广泛实现磁性体与非磁性体、导体与非导体的悬浮操作,还需要寻求新的悬浮方法——静电悬浮技术[1～2].

我的课题就是一种静电悬浮电容式惯性测试组合设计，它实际上是通过测量电容的变化来检测加速度的。

静电悬浮加速度计的特点是灵敏度高、量程小、频带窄。

因此,静电悬浮加速度计适合测量慢变的微弱加速度,这一特点在空间微加速度测量上具有不可替代的明显优势,从而受到国际宇航界的重视。

1绪论

1.1研究课题题目

我的研究题目是：

静电悬浮电容惯性测试组合设计，是通过测量电容的变化来检测加速度的。

近十余年来微机械电容式力平衡加速度计研究成为热点,发展迅速,已经有大批量生产的例子。

而且光电反馈式静电悬浮技术也是一门较新的技术，内容设计光、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。

电容式利用处理电路将敏感质量块对加速度的响应造成的相对于零平衡位置的位移,转化成与之成线性（或者近似线性）比例的电压信号,既作为与加速度成线性相关的输出电压,又作为反馈电压再施加到加速度计的差分电容上产生静电力,使敏感质量块趋向返回平衡位置。

为实现这种闭环工作的模式,在差分电容的两支电容上要预先加上直流偏置电压。

它的独特之处在于应用了静电悬浮的原理以及电容C与变压U之间的相互关系。

电容式传感器的结构简单、体积小、分辨率高、本身发热小，十分适合于非接触测量，所涉及到的学科主要有传感器技术、静电悬浮技术、PID控制技术、牛顿力学以及反馈、放大电路的设计。

要实现稳定的静电悬浮必须采用伺服控制环节来实时调整静电场。

所以静电悬浮的光电反馈控制策略也是我们研究的重点和难点。

一个典型的控制系统是由被控对象、自动调节器、检测元件、变送器和执行机构调节阀等基本环节组成。

目前，微加速度计的重要方向是追求更高的精度和成品率。

加速度计的高精度就意味着高分辨率，高分辨率则意味着高的灵敏度，这里我们采用PID反馈控制即比例、积分、微分控制；

利用三路激光测距探头，对悬浮目标的悬浮姿态进行实时监控，并对其非线性进行了硬件校正，从而减小非线性带来的测量和控制误差。

1.2研究课题的目的和意义

随着微机电系统（MicroElectroMechanicalSystem）技术的发展,微加速度计制作技术越来越成熟,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[3]。

静电悬浮式加速度传感器是通过测量电容的变化来检测加速度的。

其突出优点是测量精度高,缺点是容易发生高压击穿,因而不能承受较大的加速度输入。

但它对于独特的空间微重力环境测量具有较大优势,因此在国际宇航界有关实验室得到相当发展。

目前,利用此类加速度传感器,国外已经研制成功的高精度静电悬浮式加速度计系统有:

美国研制的MACEK及MESA加速度计系统、欧空局（ESA）研制的ASTRE加速度计系统、法国ONERA研制的STAR加速度计系统及GIADIO加速度计系统等。

这些加速度计系统已在研究大气阻力、太阳辐射压力、地球漫反射、电子推进器推力测量、高空地球重力场精密测量、空间重力梯度测量等军用和民用领域发挥了重要作用。

对于此类高灵敏、高精度加速度传感器的研制我国尚处于起步阶段。

下表列出了法国ONERA研制的静电悬浮加速度计系列[4]。

表1法国ONERA研制的静电悬浮加速度计系列

1.3传感器的现状与发展趋势

传感技术作为一种应用技术，涉及各种学科及技术，必将在现代建设中发挥重要作用，近年来各工业发达国家对于开发研究传感器不仅思想上重视，而且在人力、组织投资上都给以高度重视，已将其列为新技术革命的核心技术之一。

传感器是把非电量转换成电量的测量装置。

在人的实践中广泛接触各种参量。

这些参量大致可氛围电参量和非电参量，而非电参量又是和人们密切相关的。

要得到各种非电量，一个重要的方法是将它们转换成电量，通过电的方法进行测量和控制，这就要依靠传感器拾取有关信息，加以处理后可以推测自然状态。

计算机与传感器结合，使计算机应用范围大大扩展，传感器功能也有了很大提高。

但目前传感器技术与计算机发展水平不相适应，因而不能使计算机充分发挥效益。

因此，在将计算机置于重要地位的同时，也应将传感器技术置于相应的地位。

否则，将形成大脑发达五官迟钝的局面。

1.3.1传感器的类型

1结构型传感器

大多数结构型传感器是通过机构部分的位移或力将外界被测量参量转换成相应的电阻、电容等变化，从而测出信息。

这是目前应用量最多的传感器。

今后对这种传感器的研究重点将逐步转向化学生物传感器，其大量工作将放在研究可靠性和稳定性等问题上，并使之商品化，广泛应用于各领域。

2物性型传感器

物性型传感器是利用某些材料本身的物性变化来实现参数的直接检测、转换的。

这类传感器以半导体、电介质、磁性体等作为传感器的固态器件，它具有无可动部件、灵敏度高、重量轻、体积小、便于集成等优点。

因此，可减少对被测对象的影响，提高响应度，能解决常规结构型传感器不能解决的某些问题，从而扩大了传感器的应用领域。

当前物性型传感器有压力传感器、温度传感器、霍尔传感器、磁阻传感器、CCD图象传感器和多功能。

3智能型传感器

这是一种带有微处理的兼有检测和信息处理功能的传感器，也是进一步将信息检测和处理以及传感器的驱动等外围电路全部集成在一块单片上的传感器。

智能型传感器是目前传感器发展的最高级阶段。

这种传感器不仅可测量各种物理量、化学和生物参量，