对于不同的测微，其的原理和所用的装置以及校正的基准都会有着不同的要求。为了对精密电容测微进行的仪器校正，必须对其工作原理、传感器的结构特点和安装进行的分析研究；寻找适合其工作特点的原理和，设计完整的校正装置校正精度的需要。因此，下面首*行精密电容测微的工作原理的分析研究。

1、精密电容测微仪的工作原理

随着精密加工技术的诞展和天文、、工业等对零件精度要求的，加工设备和工件的测量精度要求也就愈来愈高。因此，近几年来各行各业纷纷推出了高分辨力、高精度的测量仪器。精密测微仪是七十年代初期，部为了解决《惯性导航陀螺的动态》问题提出的，这是因为陀螺的动态测量对陀螺的精度和气体轴承的研究是非常重要的。其测量主要包括轴向、径向、角刚度、轴承压力的分布、不性以及振动等各个参数。由于被测对象是高速体，在测量时必须采用非式的；同时由于测量的是很小气膜(约为0.2～0.3微米)，因此要求测量设备必须有很高的灵敏度和度，只有这样才能被测对象的要求。

 

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 精密电容测微仪，是一种非式测量微小相对位移、微小尺寸和微振动的仪器。它具有灵敏度高、动态响应好、结构简单、可靠、使用方便、并能实现无测量等一系列优点，因此在科研、仪器计量及工业生产加工行业中都了广泛的应用。电容测微仪主要应用的方面有：各种介质的薄膜厚度、金属微变、微小相对位移、微小孔径及各种截面的形状误差等，在精密机械工业测量方面取得了重要地位，成为纳米技术和惯导不可缺少的设备。所以，目前各发达对电容式精密测微的发展给予了足够的，并相继研制出适用于各种的电容检测设备。

 电容测微仪一个关键的技术问题，就是如何用的电路把电容传感器容量的变化准确地转化为所测参量的变化，目前常用的电容转化电路有谐振法、流桥法、调频法、调幅法。由于电容传感器本身与被所测对象构成的有效电容值很小，很容易受外界的，因此无论采用那一种转换电路都必须很好的解决漂移和杂散电容对测量的影响。下面给出一些上比较典型和成熟的电容式精密测微的生产厂家和技术指标(见表2-1)。为了对各种工作原理的电容测微进行的自校正，就必须对其转化电路的基本工作原理和传感器的结构特点进行分析讨论，以便采用相应、合理的自校正装置对其进行准确的校正。

 2、精密电容测微仪自校正的实现

仪器校正中位移比例杠杆放大结构是其基本工作原理(即经常采用的正弦尺原理)的核心，它是通过比例放大装置将被校传感器测量的位移按比例放大之后，与基准传感器所测量的结果进行比较，并将二者所测得的结果按照一定的进行数据处理终确定其线性误差，从而被校正传感器的测量精度。我们只了自校正的理论基础，但不同的传感器的结构形式和不同测量原理的设备，采用的自校正的和校正的装置都不可能完全相同。这是因为杠杆比例放大结构在测量原理上存在两大缺陷，一是杠杆结构自身的缺点：杠杆支点的位置不确定性对位移的放大比例产生直接的影响；另外杠杆支点的转角刚度对杠杆的挠曲变形起着决定性的作用，而且这些影响非常复杂很难用简单的函数关系表达出来。而这种复杂的影响关系对自校正的准确性的影响也很复杂，不易于修正；二是比例杠杆应用在有效面积型传感器中的缺点：比例杠杆在弯曲变形时，对于被校正具有有效测量截面的传感器而言，其位移变化存在着正弦尺的原理误差，在对这类传感器进行仪器校正时必须充分考虑其对仪器校正精度的影响。对于任何形式的精密电容测微仪，由于其所使用的电容传感器都具有一定的有效测量面积，采用自校正进行校正时，上述杠杆比例放大结构的两种影响都是不容忽视的。根据上述仪器校正基本工作原理，对具有有效测量面积类型的传感器进行自校正时，必须对其自校正装置进行合理的设计，具体实验装置如图2-8所示。该自校正实验装置采用了两个坡度相同的比例斜块，当二者发生相对运动时，即可放大(或缩小)在其相互垂直方向上的位移，以此实现自校正中被测传感器测量距离放大(或缩小)的目的。采用这种位移比例放大(或缩小)装置，在接个运动中既没有支点的位置精度的影响也没有挠曲变形的比例非线性，从原理上解决了比例杠杆结构对有效面积类型传感器自校正精度的影响。

 

根据电容测微仪传感器的结构形式特点和安装的特殊要求，采用斜面位移比例放大结构非常适合。因为斜面式位移比例放大装置，其比例放大倍数是由两相互斜面的坡度来决定，只要改变斜面坡度值的大小，就可以实现任意比例放大倍数。另外，采用这种结构位移比例放大系数在整个测量中非常，因此可以大大的传感器自校正的准确度和性。在图2-8的自校正装置原理图中，以直径为由3mm的单极板电容传感器A和B为例进行自校正。传感器A可以通过装置改变其与被测面之间的距离，以便对传感器不同的测量范围段进行校正。具体的校正是压电驱动器推动比例斜面位移使基准传感器由测量的初始位置变化到满量程，与此同时计算机采集传感器A和B的变化量，实现校正的自动数据采集。由于比例斜面的放大作用被校正传感器只能校正其满量程的l/n。之后压电驱动器返回到基准传感器的初始位置，同时被校正传感器到刚才校正的后一点的位置，进行下一个1/n量程的仪器校正，依次进行n次即可完成一个校正循环。另外从2-l节的推导可以看出，n值取的愈大在校正的中基准传感器对被测传感器误差的放大作用愈大，校正的精度就会愈高。但是n值愈大在校正中基准传感器安装的愈多，进行一次完整的校正的时间就会愈长，这样由于安装和校正的漂移引起的校正误差就会愈大。由于上述原因，如果n值取得太大，反而会校正的准确性。因此，在实际n值的选取中，必须进行的考虑选取一个折衷数值。

微驱动器作为一种能产生微米、纳米级的微型装置，为微机械提供动能，已成为微机械研究的一个重要支柱。由于它的输出能产生微米、纳米级的操作，因此在工业的各个领域中了广泛的应用和推广。近年来，国内外研究的微驱动器，按其工作原理大致可分为静电、电磁、压电、形状记忆合金、热和光驱动、导驱动等类型，其中压电型驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应设计而成，是一种*的微位移器件，具有结构简单、体积小、响应快、分辨力高、控制简单、没有问题等优点，是的微位移器件。压电驱动器的上述诸特点赋予了它广阔的应用前景和实用价值，故了国内技人员的极大关注。压电陶瓷是具有压电效应的压电材料，在经过极化处理的陶瓷体上沿其方向施加一个机械压力(或释放压力)时，陶瓷体就会产生充(放)电现象，即正压电效应；反之，若在陶瓷体上施加一个与极化方向相同(或相反)的电场，则会引起陶瓷体伸长(或缩短)的变形，即逆压电效应。我们利用压电陶瓷的逆压电效应来产生的微位移运动。

 

为了把握校正噪声及漂移情况，进行了如下的自校正性实验：在自校正的各部分连接与仪器校正完全一致的情况下，将传感器Sa和Sb都到其满量程一半的位置，待校正后，由计算机进行定时定间隔采集数据。图2-9是整个采样15min，间隔5s采样一次的测量结果。图中横坐标表示采样样本数，纵坐标表示传感器Sa和Sb的漂移量，单位(mV)。采用该自校正中进行仪器校正时，被校正传感器在整个测量范围内校正一遍，一般约需10min。在这期间整个的变化量不过2mV(约8nm)。

在实际的仪器校正中，每个数据都是取其20次采样的平均值，高频成分的影响将进一步减小。对分辨力4nm的传感器来说，其高频成分的影响可以忽略不计。虽然漂移情况往往随时间的变化而变化，图2-9是具有代表性的实例。从性实验的结果来看，该自校正装置完全可以精密电容测微自校正性的要求。