對(duì)于不同的測(cè)微，其的原理和所用的裝置以及校正的基準(zhǔn)都會(huì)有著不同的要求。為了對(duì)精密電容測(cè)微進(jìn)行的儀器校正，必須對(duì)其工作原理、傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安裝進(jìn)行的分析研究；尋找適合其工作特點(diǎn)的原理和，設(shè)計(jì)完整的校正裝置校正精度的需要。因此，下面首*行精密電容測(cè)微的工作原理的分析研究。

1、精密電容測(cè)微儀的工作原理

隨著精密加工技術(shù)的誕展和天文、、工業(yè)等對(duì)零件精度要求的，加工設(shè)備和工件的測(cè)量精度要求也就愈來(lái)愈高。因此，近幾年來(lái)各行各業(yè)紛紛推出了高分辨力、高精度的測(cè)量?jī)x器。精密測(cè)微儀是七十年代初期，部為了解決《慣性導(dǎo)航陀螺的動(dòng)態(tài)》問(wèn)題提出的，這是因?yàn)橥勇莸膭?dòng)態(tài)測(cè)量對(duì)陀螺的精度和氣體軸承的研究是非常重要的。其測(cè)量主要包括軸向、徑向、角剛度、軸承壓力的分布、不性以及振動(dòng)等各個(gè)參數(shù)。由于被測(cè)對(duì)象是高速體，在測(cè)量時(shí)必須采用非式的；同時(shí)由于測(cè)量的是很小氣膜(約為0.2～0.3微米)，因此要求測(cè)量設(shè)備必須有很高的靈敏度和度，只有這樣才能被測(cè)對(duì)象的要求。

 精密電容測(cè)微儀，是一種非式測(cè)量微小相對(duì)位移、微小尺寸和微振動(dòng)的儀器。它具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、并能實(shí)現(xiàn)無(wú)測(cè)量等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在科研、儀器計(jì)量及工業(yè)生產(chǎn)加工行業(yè)中都了廣泛的應(yīng)用。電容測(cè)微儀主要應(yīng)用的方面有：各種介質(zhì)的薄膜厚度、金屬微變、微小相對(duì)位移、微小孔徑及各種截面的形狀誤差等，在精密機(jī)械工業(yè)測(cè)量方面取得了重要地位，成為納米技術(shù)和慣導(dǎo)不可缺少的設(shè)備。所以，目前各發(fā)達(dá)對(duì)電容式精密測(cè)微的發(fā)展給予了足夠的，并相繼研制出適用于各種的電容檢測(cè)設(shè)備。

 電容測(cè)微儀一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題，就是如何用的電路把電容傳感器容量的變化準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為所測(cè)參量的變化，目前常用的電容轉(zhuǎn)化電路有諧振法、流橋法、調(diào)頻法、調(diào)幅法。由于電容傳感器本身與被所測(cè)對(duì)象構(gòu)成的有效電容值很小，很容易受外界的，因此無(wú)論采用那一種轉(zhuǎn)換電路都必須很好的解決漂移和雜散電容對(duì)測(cè)量的影響。下面給出一些上比較典型和成熟的電容式精密測(cè)微的生產(chǎn)廠(chǎng)家和技術(shù)指標(biāo)(見(jiàn)表2-1)。為了對(duì)各種工作原理的電容測(cè)微進(jìn)行的自校正，就必須對(duì)其轉(zhuǎn)化電路的基本工作原理和傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析討論，以便采用相應(yīng)、合理的自校正裝置對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的校正。

 2、精密電容測(cè)微儀自校正的實(shí)現(xiàn)

儀器校正中位移比例杠桿放大結(jié)構(gòu)是其基本工作原理(即經(jīng)常采用的正弦尺原理)的核心，它是通過(guò)比例放大裝置將被校傳感器測(cè)量的位移按比例放大之后，與基準(zhǔn)傳感器所測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較，并將二者所測(cè)得的結(jié)果按照一定的進(jìn)行數(shù)據(jù)處理終確定其線(xiàn)性誤差，從而被校正傳感器的測(cè)量精度。我們只了自校正的理論基礎(chǔ)，但不同的傳感器的結(jié)構(gòu)形式和不同測(cè)量原理的設(shè)備，采用的自校正的和校正的裝置都不可能完全相同。這是因?yàn)楦軛U比例放大結(jié)構(gòu)在測(cè)量原理上存在兩大缺陷，一是杠桿結(jié)構(gòu)自身的缺點(diǎn)：杠桿支點(diǎn)的位置不確定性對(duì)位移的放大比例產(chǎn)生直接的影響；另外杠桿支點(diǎn)的轉(zhuǎn)角剛度對(duì)杠桿的撓曲變形起著決定性的作用，而且這些影響非常復(fù)雜很難用簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系表達(dá)出來(lái)。而這種復(fù)雜的影響關(guān)系對(duì)自校正的準(zhǔn)確性的影響也很復(fù)雜，不易于修正；二是比例杠桿應(yīng)用在有效面積型傳感器中的缺點(diǎn)：比例杠桿在彎曲變形時(shí)，對(duì)于被校正具有有效測(cè)量截面的傳感器而言，其位移變化存在著正弦尺的原理誤差，在對(duì)這類(lèi)傳感器進(jìn)行儀器校正時(shí)必須充分考慮其對(duì)儀器校正精度的影響。對(duì)于任何形式的精密電容測(cè)微儀，由于其所使用的電容傳感器都具有一定的有效測(cè)量面積，采用自校正進(jìn)行校正時(shí)，上述杠桿比例放大結(jié)構(gòu)的兩種影響都是不容忽視的。根據(jù)上述儀器校正基本工作原理，對(duì)具有有效測(cè)量面積類(lèi)型的傳感器進(jìn)行自校正時(shí)，必須對(duì)其自校正裝置進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖2-8所示。該自校正實(shí)驗(yàn)裝置采用了兩個(gè)坡度相同的比例斜塊，當(dāng)二者發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，即可放大(或縮小)在其相互垂直方向上的位移，以此實(shí)現(xiàn)自校正中被測(cè)傳感器測(cè)量距離放大(或縮小)的目的。采用這種位移比例放大(或縮小)裝置，在接個(gè)運(yùn)動(dòng)中既沒(méi)有支點(diǎn)的位置精度的影響也沒(méi)有撓曲變形的比例非線(xiàn)性，從原理上解決了比例杠桿結(jié)構(gòu)對(duì)有效面積類(lèi)型傳感器自校正精度的影響。

根據(jù)電容測(cè)微儀傳感器的結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)和安裝的特殊要求，采用斜面位移比例放大結(jié)構(gòu)非常適合。因?yàn)樾泵媸轿灰票壤糯笱b置，其比例放大倍數(shù)是由兩相互斜面的坡度來(lái)決定，只要改變斜面坡度值的大小，就可以實(shí)現(xiàn)任意比例放大倍數(shù)。另外，采用這種結(jié)構(gòu)位移比例放大系數(shù)在整個(gè)測(cè)量中非常，因此可以大大的傳感器自校正的準(zhǔn)確度和性。在圖2-8的自校正裝置原理圖中，以直徑為由3mm的單極板電容傳感器A和B為例進(jìn)行自校正。傳感器A可以通過(guò)裝置改變其與被測(cè)面之間的距離，以便對(duì)傳感器不同的測(cè)量范圍段進(jìn)行校正。具體的校正是壓電驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)比例斜面位移使基準(zhǔn)傳感器由測(cè)量的初始位置變化到滿(mǎn)量程，與此同時(shí)計(jì)算機(jī)采集傳感器A和B的變化量，實(shí)現(xiàn)校正的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集。由于比例斜面的放大作用被校正傳感器只能校正其滿(mǎn)量程的l/n。之后壓電驅(qū)動(dòng)器返回到基準(zhǔn)傳感器的初始位置，同時(shí)被校正傳感器到剛才校正的后一點(diǎn)的位置，進(jìn)行下一個(gè)1/n量程的儀器校正，依次進(jìn)行n次即可完成一個(gè)校正循環(huán)。另外從2-l節(jié)的推導(dǎo)可以看出，n值取的愈大在校正的中基準(zhǔn)傳感器對(duì)被測(cè)傳感器誤差的放大作用愈大，校正的精度就會(huì)愈高。但是n值愈大在校正中基準(zhǔn)傳感器安裝的愈多，進(jìn)行一次完整的校正的時(shí)間就會(huì)愈長(zhǎng)，這樣由于安裝和校正的漂移引起的校正誤差就會(huì)愈大。由于上述原因，如果n值取得太大，反而會(huì)校正的準(zhǔn)確性。因此，在實(shí)際n值的選取中，必須進(jìn)行的考慮選取一個(gè)折衷數(shù)值。

微驅(qū)動(dòng)器作為一種能產(chǎn)生微米、納米級(jí)的微型裝置，為微機(jī)械提供動(dòng)能，已成為微機(jī)械研究的一個(gè)重要支柱。由于它的輸出能產(chǎn)生微米、納米級(jí)的操作，因此在工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中了廣泛的應(yīng)用和推廣。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究的微驅(qū)動(dòng)器，按其工作原理大致可分為靜電、電磁、壓電、形狀記憶合金、熱和光驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)驅(qū)動(dòng)等類(lèi)型，其中壓電型驅(qū)動(dòng)器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)而成，是一種*的微位移器件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、響應(yīng)快、分辨力高、控制簡(jiǎn)單、沒(méi)有問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，是的微位移器件。壓電驅(qū)動(dòng)器的上述諸特點(diǎn)賦予了它廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值，故了國(guó)內(nèi)技人員的極大關(guān)注。壓電陶瓷是具有壓電效應(yīng)的壓電材料，在經(jīng)過(guò)極化處理的陶瓷體上沿其方向施加一個(gè)機(jī)械壓力(或釋放壓力)時(shí)，陶瓷體就會(huì)產(chǎn)生充(放)電現(xiàn)象，即正壓電效應(yīng)；反之，若在陶瓷體上施加一個(gè)與極化方向相同(或相反)的電場(chǎng)，則會(huì)引起陶瓷體伸長(zhǎng)(或縮短)的變形，即逆壓電效應(yīng)。我們利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生的微位移運(yùn)動(dòng)。

為了把握校正噪聲及漂移情況，進(jìn)行了如下的自校正性實(shí)驗(yàn)：在自校正的各部分連接與儀器校正完全一致的情況下，將傳感器Sa和Sb都到其滿(mǎn)量程一半的位置，待校正后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行定時(shí)定間隔采集數(shù)據(jù)。圖2-9是整個(gè)采樣15min，間隔5s采樣一次的測(cè)量結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)表示采樣樣本數(shù)，縱坐標(biāo)表示傳感器Sa和Sb的漂移量，單位(mV)。采用該自校正中進(jìn)行儀器校正時(shí)，被校正傳感器在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)校正一遍，一般約需10min。在這期間整個(gè)的變化量不過(guò)2mV(約8nm)。

在實(shí)際的儀器校正中，每個(gè)數(shù)據(jù)都是取其20次采樣的平均值，高頻成分的影響將進(jìn)一步減小。對(duì)分辨力4nm的傳感器來(lái)說(shuō)，其高頻成分的影響可以忽略不計(jì)。雖然漂移情況往往隨時(shí)間的變化而變化，圖2-9是具有代表性的實(shí)例。從性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，該自校正裝置完全可以精密電容測(cè)微自校正性的要求。