摘 要

随着现代社会工业水平的快速发展，对测量技术的不断提高，利用压电陶瓷的逆压电效应实现的压电陶瓷驱动器越来越多的被用作微纳米位移台，能够实现精密的位置控制。所以它不仅可以用作传感器静态校准,也越来越多的被用作对传感器的动态特性行分析。

本文是设计一种基于压电陶瓷的微位移测量校准系统，利用压电陶瓷驱动器产生微位移，用位移传感器测量产生的微位移，并用激光测微仪同步测量，然后利用激光测微仪同步测量的数据模拟出压电陶瓷的逆压电效应电压与微位移的函数关系，之后再将真实电压代入函数关系得出此时微位移，将此位移与位移传感器测量所得数据进行对比来对电容位移传感器的测量结果进行标定。

本文实现了对模拟激光测微仪对压电陶瓷的微位移的采集及传输、对激光测微仪采集压电陶瓷的微位移的数据处理（包括模拟函数、模拟曲线）及校准、对模拟位移传感器数据采集及传输三个模块为一体的系统设计。模拟激光测微仪对压电陶瓷的微位移的采集及传输采用的是主机与主机之间的网口通信；模拟位移传感器数据传输采用的是主机与单片机机之间的串口通信；数据处理模块运用了最小二乘法进行数据处理；最后再完成对电容传感器测量的位移的校准。

关键词：逆压电效应，电容式传感器，微位移，网口通信，串口通信，最小二乘法

Abstract

With the rapid development of industrial level in modern society and the continuous improvement of measurement technology, the piezoelectric ceramic actuators using the reverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramics are more and more used as micro nano displacement stations, which can achieve precise position control. So it can not only be used as a sensor for static calibration, but also more and more used to calibrate the dynamic characteristics of sensors.

In this paper, a micro displacement measurement and calibration system based on piezoelectric ceramics is designed. The micro displacement is generated by a piezoelectric ceramic driver, the micro displacement is measured by a displacement sensor, and the laser micrometer is used synchronously to measure the displacement. Then the voltage and micro voltage of the piezoelectric ceramic is simulated by the laser micrometer. The function relation of displacement is then replaced by the real voltage into the function relation and the micro displacement is obtained. This displacement is compared with the data measured by the displacement sensor to calibrate the measurement results of the capacitance displacement sensor.

This paper realizes the system design of three modules, which are analog infrared range data acquisition and transmission, infrared range finding data processing and calibration (including analog function, analog curve), analog displacement sensor data acquisition and transmission. The data acquisition and transmission of analog infrared range finder uses the communication between the host and the host. The data transmission of analog displacement sensor uses the serial communication between the host and the single chip microcomputer; the data processing module uses the least square method to process the data; finally, the calibration of the displacement of the capacitance sensor is completed.

Key Words: Reverse piezoelectric effect，Capacitance sensor, micro displacement, mesh port communication, serial communication, least square method.

目 录

第1章 绪论 1

1.1背景及意义 1

1.2国内外相关技术及研究现状 2

1.2.1压电陶瓷 2

1.2.2电容式位移传感器 4

1.3研究内容 6

第2章 方案论证与设计 7

2.1 需求分析及系统框架 7

2.2装置原理图及说明 8

2.3 数据处理算法原理 9

2.3.1最小二乘法 9

2.3.2曲线拟合模式 11

第3章 系统模拟设计实现 12

3.1 模拟激光测微仪数据采集及传输模块 12

3.2数据处理及校准模块 14

3.2.1 模拟函数 14

3.2.2 模拟曲线 16

3.3 模拟电容传感器数据采集及传输模块 16

3.3.1 硬件设计 16

3.3.2 软件设计 19

第4章 系统调试与结果分析 21

4.1 激光测微仪数据采集及传输调试 21

4.2数据处理分析 22

4.2.1 模拟函数结果 22

4.2.2 模拟曲线显示 22

4.3模拟电容传感器数据采集及传输调试 23

4.4校准结果分析 23

第5章 总结与展望 25

参考文献 26

附录A： 27

附录B： 29

附录C： 33

致 谢 38

第1章 绪论

随着科学技术的发展，位移的测量方法也逐渐丰富，各种各样的传感器都被研究出来，其中有电阻式、电感式、电容式、感应同步器式、激光式以及光纤式等，但在应用中都存在着一些实际的问题，比如：部分设备复杂，部分受环境的影响大，部分精度不达标，复杂的结构等都会对实际测量有所影响^[1]。其中电容式位移传感器在微位移测量上起着非常重要的作用，在许多动态测量以及静态测量中都有极大的应用，特别是在精密仪器加工以及控制中应用的极为广泛。所以能不能及时并准确的测量就变得极为重要。

1.1背景及意义

随着科学技术的快速发展与社会需求不断增加，对制造业产品的质量提出了越来越高的要求，而一个好的产品质量也是一个企业发展的保证，在市场的选择之下，新一代的制造业不仅仅是进行产品的简单设计与加工，而是需要各个方面来考虑所生产的产品是否符合市场以及社会需要，并且对产品的各项参数都提出了更高的要求，而测控技术正是在其中起着至关重要的作用，只有掌握最核心的技术，企业才能符合市场，才会有更好的发展前景。

在基于全球竞争的大背景下，德国提出了工业4.0这一国家战略，接下来便在全球范围内引发了新一轮的工业竞争，我国也在有关工业4.0与德国加强了合作。我国清晰的认识到，在全球化的国际市场中，想要长期处于领先地位，必须要发展先进制造技术，而先进制造技术中，不得不说的就是精密测量技术，它不仅代表了一个国家整体的制造业发展水平，更是发展精密制造技术、衡量产品优劣的重要成分^[2]。近些年精密测量技术带动了制造业的发展，而制造业的发展也同样促进精密测量技术的进步。