随着科技的高速发展,微位移测量技术在科学研究、生物医疗、半导体制造、航空航天和高端装备制造等诸多领域已得到广泛应用,微位移测量精度的高低直接影响产品质量和设备的加工精度。电子及集成化技术的快速发展,使得具有测量精度高、稳定性好、结构简单和非接触式测量等特点的电容式微位移测量传感器的优势不断凸显,应用日益广泛。一般电容传感位移范围在微/纳米量级上,空间环境等的噪声干扰严重制约了测量精度的进一步提高,因此对测量系统的抗干扰能力提出了很高的要求。本文首先对电容式微位移测量的国内外研究现状进行了分析,设计了基于电容法的微位移测量系统的整体构成方案。建立了电容式微位移测量系统的数学模型,并从传感器、测量转换电路和信号处理算法等多方面分析了对系统测量精度的影响因素。其次,根据所分析的影响因素,进一步确定检测电路各功能模块的设计方案。为了减小电容传感器的边缘效应和噪声干扰,设计了等位环式的单极板电容探头;针对探头电容量小且随位移变化微弱的特点,设计了电容量测量与转换电路,主要包括微小电容量检测电路、差分放大电路和偏置信号消除与二次放大电路等。第三,微位移测量系统的信号处理算法与软件设计。主要包括利用最小系统产生高频正弦激励信号、信号的采样与数据发送、数据拟合和信号恢复算法等。采用非整周期采样点的采样和非整周期正弦拟合,拟合已知的激励频率信号,有效去除噪声干扰,提高拟合精度。算法使用线性拟合计算方式,计算速度快。上位机通过串口通信实现了控制下位机STM32的功能,包括激励信号频率的改变、采样频率的改变、采样信号实时传输与显示、测量信号处理与数据存储等,完成了基于电容法的微位移测量系统的自动化与可视化测量实验。最后,利用PZT标定系统完成了微位移测量系统的标定实验、重复性实验和稳定性实验,采样最小二乘拟合法对实验数据进行拟合处理,得到了电容两端电压信号幅值随着位移变化的关系,并进行了振动基本测试实验。实验结果表明:等位环式单极板电容探头能够有效避免边缘效应的影响;所设计位移测量系统稳定性好,重复精度高,20um测量范围内,最高测量分辨率能够到达20nm。