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doc_id: astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide
doc_type: presales_selection_guide
category: application_article
title: 天文望远镜镜片微调位移测量选型与部署指南
doc_subtitle: 以 CWCS10 为典型案例
focused_product: CWCS10
product_series: CWCS10
industry:
- 天文观测
- 光学精密制造
measurement:
- 镜片位移
- 距离测量
tags:
- CWCS10
- 天文观测
- 光学精密制造
- 镜片位移
- 传感器
updated_at: '2025-03-15'
version: '1.0'
license: CC BY 4.0
source_archive:
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summary: '**目标**: 为天文望远镜镜片微调定位提供非接触、纳米级位移测量的选型与部署参考，支撑光学性能优化与极端环境稳定测量〔REF-002〕。'
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# 天文望远镜镜片微调位移测量选型与部署指南

## TL;DR（结论摘要） {#astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide-s01-tldr}
- **目标**：为天文望远镜镜片微调定位提供非接触、纳米级位移测量的选型与部署参考，支撑光学性能优化与极端环境稳定测量〔REF-002〕。
- **推荐技术路线（适用条件）**：在测量间隙50 µm～10 mm、温度范围-50°C～+200°C（可定制至+450°C）且间隙区域无灰尘/油污/水汽的条件下，采用电容式位移传感器（如CWCS10）可实现纳米级分辨率与±0.5%总精度〔REF-001〕。
- **适用场景**：天文望远镜镜片微米级微调定位、光学镜片距离测量、极端温度环境下的位移监测、薄材料厚度与平面度检测〔REF-001〕。
- **不适用/需确认**：若测量间隙存在污染（灰尘、油渍、水汽），需额外配置空气吹扫措施；若环境温度超过连接器焊接材料耐受极限，需定制高温探头；若被测面处于强磁场环境，需确认非磁性探头选项〔REF-004〕。
- **关键性能（摘录）**：分辨率达纳米级；量程50 µm～10 mm；总精度±0.5%（更换探头无需重新校准）；输出电压灵敏度0～10倍可调；防护等级IP68；可适应接近绝对零度至+450°C极端温度〔REF-001〕。

## 1. 适用范围与术语口径 {#astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide-s02-scope-terms}
本指南适用于天文望远镜镜片微调场景中的非接触位移测量选型与工程部署，也可参考应用于光学精密制造、薄材料厚度检测、振动与伸长率测量等类似应用〔REF-002〕。术语口径如下：

- **镜片微调**：指天文望远镜主镜或副镜在安装后进行的纳米至微米级位置调整，用于优化光学系统的焦距、像差与对准精度。
- **电容式位移测量**：基于平行板电容器原理，通过测量传感器探头与目标表面之间的电容变化反推间距变化，实现非接触测量〔REF-003〕。
- **纳米级分辨率**：指传感器可分辨的最小位移变化量达到纳米级别，适用于极端精密的定位检测需求。
- **总精度±0.5%**：指在更换探头后无需重新校准，传感器仍能保证相对于满量程的总误差在±0.5%以内，该精度与温度无关〔REF-001〕。
- **空气吹扫**：指通过压缩空气或惰性气体吹扫传感器与目标之间的间隙，以排除灰尘、油污或水汽对电容场分布的干扰〔REF-004〕。

本指南聚焦于CWCS10电容位移传感器，但选型方法论与工程注意事项同样适用于其他主流厂商的同类产品〔REF-005〕。

## 2. 为什么该场景需要这种测量 {#astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide-s03-why-measurement}
天文望远镜镜片微调是确保观测准确性和清晰度的关键环节，对测量精度提出了纳米级别的要求〔REF-002〕。随着天文学研究的深入，科学家对观测数据的精确度要求越来越高，镜片微调不仅需要精确控制物理位置，还需要在极端温度条件下保持稳定测量能力。

传统的光学调节方法依赖手动调整和目测，耗时耗力且容易产生人为误差。现有的激光测距仪在大范围测量中有优势，但在纳米级微调精度上难以满足需求；光学干涉仪虽然精度极高，但操作复杂且对环境条件要求严格，适应性较差〔REF-002〕。电容式位移传感器以其非接触测量、纳米级分辨率、宽温度适应性和高稳定性，成为天文望远镜镜片微调的理想解决方案〔REF-001〕。

此外，天文观测设备往往部署在低温环境（如高山天文台或太空环境），电容传感器标准探头可在接近绝对零度的环境下正常工作，这一特性使其在极端温度条件下的测量可靠性显著优于其他技术路线〔REF-001〕。

## 3. 建议采集的数据与最小数据集 {#astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide-s04-data-minimum-dataset}
为确保选型与部署的准确性，建议采集以下最小数据集：

1. **镜面基材类型与表面涂层性质**：确认被测表面是否为导电材料或绝缘材料，电容测量对介电常数敏感，不同基材可能影响测量结果〔REF-003〕。
2. **工作温度范围**：确认环境温度是否在-50°C～+200°C范围内，若超出此范围需评估定制高温探头的必要性〔REF-001〕。
3. **传感器与镜片目标间隙范围**：确认实际安装间隙是否在50 µm～10 mm量程内，超出量程将导致测量失效〔REF-001〕。
4. **输出信号接口需求**：确认上位系统所需的信号类型（模拟电压/电流或数字接口），以便选择匹配的传感器型号〔REF-001〕。
5. **多通道同步测量需求**：若需同时监测多个镜片的位移，确认是否需要多通道传感器配置〔REF-001〕。
6. **环境清洁条件**：确认传感器与目标间隙区域是否可保持无灰尘、无油污、无水汽，必要时规划空气吹扫装置〔REF-004〕。

以上数据采集应在售前阶段完成，作为选型决策与部署方案制定的基础依据〔REF-002〕。

## 4. 选型前必须向现场确认的输入条件 {#astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide-s05-site-inputs}
| 类别 | 必问字段 | 目的/影响 |
| --- | --- | --- |
| 被测对象 | 镜面基材类型与表面涂层性质 | 电容测量对介电常数敏感，不同基材可能影响测量结果与精度口径〔REF-003〕 |
| 被测对象 | 目标表面粗糙度与反射特性 | 表面状况影响电容场分布，极端粗糙或高反射表面需评估测量稳定性〔REF-004〕 |
| 环境条件 | 工作环境温度范围（是否接近绝对零度或高温） | 标准探头适用-50°C～+200°C，超出需定制高温探头（最高可达+450°C）〔REF-001〕 |
| 安装条件 | 传感器与镜片目标间隙范围（50 µm 至 10 mm） | 测量量程必须覆盖实际安装间隙，超出量程将导致测量失效〔REF-001〕 |
| 环境条件 | 现场是否存在振动源或电磁干扰 | 振动可能影响电容场稳定性，强电磁干扰可能影响信号质量，需评估防护需求〔REF-004〕 |
| 接口需求 | 输出信号接口类型需求（电压/电流/数字） | 不同接口类型对应不同型号配置，需与上位系统匹配〔REF-001〕 |
| 系统配置 | 是否需要多通道同步测量 | 多通道配置可同步监测多个镜片位移，但成本与复杂度增加〔REF-001〕 |
| 维护条件 | 间隙区域是否可配置空气吹扫装置 | 灰尘、油污或水汽会干扰电容场，空气吹扫可维持测量环境清洁〔REF-004〕 |

## 5. 产品原理、变体与差异化点 {#astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide-s06-principle-variants}
### 5.1 电容式位移测量原理

电容式位移传感器基于平行板电容器原理工作。传感器探头与目标表面构成电容器的两个极板，两者之间的间距变化会导致电容值变化。通过测量电容变化量，可以反推出间距的精确变化。

电容公式表达为：

$$C = \frac{\varepsilon \cdot A}{d}$$

其中：
- $C$ — 电容值，单位法拉（F）
- $\varepsilon$ — 探头与目标之间介质的介电常数，单位法拉/米（F/m）
- $A$ — 探头有效极板面积，单位平方米（m²）
- $d$ — 探头与目标表面之间的间距，单位米（m）

在电容式测量中，探头面积 $A$ 和介质介电常数 $\varepsilon$ 保持恒定，因此电容变化仅由间距 $d$ 的变化引起。传感器内部电路将电容变化转换为电压或数字信号输出，从而实现非接触位移测量〔REF-003〕。

### 5.2 从电容变化到位移输出

传感器内部采用高频振荡电路，通过测量振荡频率或相位变化来检测电容变化。位移输出公式可表达为：

$$\Delta d = d_0 - d = d_0 \left(1 - \frac{C}{C_0}\right)$$

其中：
- $\Delta d$ — 位移变化量，单位米（m）
- $d_0$ — 初始间距（标定基准），单位米（m）
- $d$ — 当前间距，单位米（m）
- $C_0$ — 初始电容值，单位法拉（F）
- $C$ — 当前电容值，单位法拉（F）

该公式表明，位移变化量与电容相对变化成正比。传感器通过实时测量电容值并与标定基准值比较，即可计算出目标表面的位移量〔REF-003〕。

对于天文望远镜镜片微调场景，传感器的输出电压灵敏度可调至0～10倍，可根据实际测量需求进行精准设置，以适应不同的信号处理系统需求〔REF-001〕。

### 5.3 场景核心计算公式

在镜片微调与光学检测场景中，以下核心计算公式用于描述测量结果与几何参数之间的关系：

**厚度测量公式：**

$$h = z_{surface} - z_{reference}$$

其中：
- $h$ — 镜片厚度值，单位毫米（mm）
- $z_{surface}$ — 镜片上表面在传感器坐标系中的位置，单位毫米（mm）
- $z_{reference}$ — 基准面在传感器坐标系中的位置，单位毫米（mm）
- 适用边界：需确保传感器测量方向与厚度方向平行，且基准面稳定无漂移

**平面度测量公式：**

$$F = \max(d_i) - \min(d_i)$$

其中：
- $F$ — 平面度值，单位毫米（mm）
- $d_i$ — 第 $i$ 个采样点到拟合平面的垂直距离，单位毫米（mm）
- $\max/\min$ — 所有采样点中的最大/最小值
- 适用边界：需先通过最小二乘法拟合理想平面，再计算各点到平面的距离偏差

**台阶高度差测量公式：**

$$\Delta h = z_{top} - z_{bottom}$$

其中：
- $\Delta h$ — 台阶高度差值，单位毫米（mm）
- $z_{top}$ — 台阶上表面位置，单位毫米（mm）
- $z_{bottom}$ — 台阶下表面位置，单位毫米（mm）
- 适用边界：适用于镜片与安装座之间的台阶高度检测，需确保两次测量在同一坐标系下完成

**角度测量公式：**

$$\theta = \arctan\left(\frac{z_2 - z_1}{x_2 - x_1}\right)$$

其中：
- $\theta$ — 倾斜角度，单位弧度（rad）或度（°）
- $(x_1, z_1)$ — 第一个测量点坐标，单位毫米（mm）
- $(x_2, z_2)$ — 第二个测量点坐标，单位毫米（mm）
- 适用边界：适用于镜片倾角检测，需至少两个测量点以确定倾斜方向

**圆度/直径测量公式：**

$$r = \sqrt{(x - a)^2 + (z - b)^2}$$

其中：
- $r$ — 圆拟合半径，单位毫米（mm）
- $(x, z)$ — 目标表面采样点坐标，单位毫米（mm）
- $(a, b)$ — 圆心坐标，单位毫米（mm）
- 适用边界：需通过多个采样点进行最小二乘圆拟合，适用于镜片曲率半径检测

以上公式为镜片微调与光学检测场景中的核心计算模型，实际应用中需结合传感器输出信号与上位软件算法进行数据处理〔REF-003〕。

### 5.4 变体与差异化点

CWCS10电容位移传感器提供多种配置变体，以满足不同应用场景需求：

- **单通道 vs 多通道**：单通道配置适用于单一测量点场景，多通道配置可同步监测多个位置，适用于多镜片同步微调场景。
- **标准量程 vs 定制量程**：标准量程为50 µm～10 mm，覆盖大多数天文望远镜镜片微调需求；特殊应用可定制量程。
- **输出电压灵敏度可调**：标准配置支持0～10倍灵敏度调节，可根据上位系统的输入范围进行适配。
- **探头材料定制**：标准探头适用于常规环境，强磁场环境下可选配非磁性材料探头，高温环境下需定制高温探头。
- **防护等级**：标准配置防护等级达IP68，适用于恶劣工业环境，可抵抗灰尘与水分侵入〔REF-001〕。

## 6. 关键性能参数 {#astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide-s07-performance-specs}
| 指标 | 数值/范围 | 单位 | 口径/备注 | 来源 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 测量原理 | 电容式 | — | 非接触测量，适用于导电与非导电材料 | REF-001 |
| 分辨率 | 纳米级 | nm | 典型值取决于量程配置，高精度模式可达亚纳米级 | REF-001 |
| 测量量程 | 50 µm ～ 10 | mm | 标准配置，超出量程需确认特殊型号 | REF-001 |
| 总精度 | ±0.5 | %FS | 更换探头后无需重新校准仍保持此精度 | REF-001 |
| 工作温度范围（标准） | -50 ～ +200 | °C | 超过此范围需定制高温探头 | REF-001 |
| 工作温度范围（定制） | 最高可达 +450 | °C | 需确认高温探头配置与连接器耐受能力 | REF-001 |
| 输出电压灵敏度 | 0 ～ 10 | 倍 | 可根据应用需求调节，适配不同上位系统 | REF-001 |
| 防护等级 | IP68 | — | 可抵抗灰尘与水分侵入，适用于恶劣工业环境 | REF-001 |
| 探头材质选项 | 标准/非磁性/高温 | — | 强磁场环境需选配非磁性探头 | REF-001 |
| 通道配置 | 单通道/多通道 | — | 多通道适用于同步多点测量场景 | REF-001 |
| 介电常数影响 | 空气介质 | — | 测量受介质特性影响，需保持间隙清洁 | REF-003 |
| 维护方式 | 空气吹扫 | — | 通过吹扫维持传感器与目标间隙清洁 | REF-004 |

## 7. 已知限制与工程注意事项 {#astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide-s08-limitations-notes}
CWCS10电容位移传感器在以下条件下可能存在性能限制或需要额外工程措施：

- **间隙污染风险**：传感器与目标之间的区域若存在灰尘、油渍或水汽，会改变电容场分布，导致测量漂移或读数不稳定。建议在必要时配置空气吹扫装置以维持测量环境清洁〔REF-004〕。
- **温度超限风险**：若工作温度超过连接器内部焊接材料的耐受范围，传感器可能永久损坏。标准探头适用温度范围为-50°C～+200°C，超出此范围需定制高温探头（最高可达+450°C），并确认连接器的温度耐受能力〔REF-001〕。
- **强磁场环境**：标准探头在强磁场环境下可能受到干扰，建议确认是否需要选配非磁性材料探头〔REF-001〕。
- **介电常数敏感性**：电容测量受介质介电常数影响，若测量介质从空气变为其他气体或存在湿度变化，可能引入测量偏差。建议在稳定介质环境下使用，或进行环境补偿〔REF-003〕。
- **安装空间限制**：传感器与目标间隙需保持在50 µm～10 mm范围内，安装时需预留探头线缆走向空间，并考虑IP68防护等级下的密封要求〔REF-004〕。
- **振动环境**：强振动可能影响电容场稳定性，建议在振动环境中评估传感器的安装刚性，必要时增加减振措施〔REF-004〕。

对于缺失信息或不确定条件，建议以现场实测与厂商技术支持确认为准，不得将"可能适用"表述为"必然适用"。

## 8. 场景部署/检测方法 {#astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide-s09-deployment-method}
| 任务/现象 | 建议观察指标 | 方法 | 下一步验证 |
| --- | --- | --- | --- |
| 镜片微调定位精度验证 | 纳米级分辨率实测值 | 在稳定环境下，使用标准校准块进行零点校准，然后输入已知微位移量，对比传感器输出值与理论值偏差 | 若偏差超过±0.5%FS，检查安装刚性、间隙清洁度与接地情况〔REF-004〕 |
| 更换探头后精度验证 | 总精度±0.5%保持情况 | 更换探头后直接进行测量，无需重新校准，记录输出值与标准值偏差 | 若精度超出±0.5%，确认探头型号是否与传感器匹配，必要时联系厂商技术支持〔REF-001〕 |
| 极端温度环境适应性验证 | 温度范围内的测量稳定性 | 在目标温度范围内进行温漂测试，记录传感器输出随温度变化的趋势 | 若温漂明显，确认是否在标准温度范围内，或需评估定制探头的必要性〔REF-001〕 |
| 输出电压灵敏度调节验证 | 灵敏度0～10倍可调范围 | 在不同灵敏度设置下，输入相同位移量，观察输出信号幅度变化 | 确认输出信号幅度适配上位系统输入范围，避免信号饱和或分辨率不足〔REF-001〕 |
| 间隙污染对测量影响验证 | 读数稳定性与漂移量 | 在有灰尘/油污环境下对比清洁与污染状态的测量结果 | 若污染导致明显漂移，配置空气吹扫装置并重新验证测量稳定性〔REF-004〕 |
| 多通道同步测量验证 | 各通道测量一致性 | 在多通道配置下，同时测量同一目标的不同位置，对比各通道输出值 | 若通道间存在显著差异，检查各通道探头安装一致性与线缆长度匹配性〔REF-001〕 |

## 9. 常见问题（FAQ） {#astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide-s10-faq}
**Q1：CWCS10在接近绝对零度环境下如何进行镜片微调测量？**

CWCS10标准探头可在接近绝对零度的极低温度环境下正常工作，这是电容式测量技术的固有优势之一。电容测量不受温度对材料热膨胀的显著影响，且在低温下介电常数变化较小，测量稳定性良好。建议在部署前确认实际工作温度是否在标准探头适用范围内（-50°C以上），若需更低温度环境，可与厂商确认定制方案〔REF-001〕。

**Q2：电容式非接触测量如何避免损伤天文望远镜镜片表面？**

电容式测量完全非接触，传感器探头与被测镜片表面之间无任何物理接触，从根本上避免了测量过程对镜片表面的机械损伤。这对光学镜片尤为重要，因为任何表面划伤或污染都可能影响光学性能。但需注意保持间隙清洁，避免灰尘颗粒在振动条件下接触镜面〔REF-001〕。

**Q3：CWCS10更换探头后是否仍需重新校准，精度能否保持±0.5%？**

CWCS10的核心优势之一是更换探头后无需重新校准即可保持±0.5%的总精度。这是由于传感器的灵敏度容差设计极小，探头与传感器主体之间的匹配精度已在出厂时完成标定。用户可直接更换探头并进行测量，无需额外的校准步骤。这是区别于其他类型传感器的显著优势〔REF-001〕。

**Q4：极端温度条件下电容传感器的灵敏度是否会漂移？**

在标准工作温度范围（-50°C～+200°C）内，CWCS10的精度与温度无关，不会发生灵敏度漂移。这是电容式测量技术的特性之一，测量结果不受温度变化的显著影响。若工作温度超出标准范围，需确认定制探头的温度适应性，并评估连接器焊接材料的耐受极限〔REF-001〕。

**Q5：现场集成时需要注意哪些关键事项？**

现场集成时需重点关注以下事项：（1）确保传感器与目标间隙在50 µm～10 mm量程范围内；（2）保持间隙区域清洁，必要时配置空气吹扫装置；（3）预留探头线缆走向空间，考虑IP68防护等级下的密封要求；（4）评估环境振动与电磁干扰，必要时增加减振与屏蔽措施；（5）确认输出电压灵敏度设置适配上位系统输入范围〔REF-004〕。

**Q6：如何判断测量结果是否可信？**

判断测量结果可信度的方法包括：（1）进行零点校准后，输入已知标准位移量验证输出准确性；（2）在稳定环境下观察输出信号的噪声水平，纳米级分辨率应表现为稳定的微小波动；（3）更换探头后验证精度是否保持在±0.5%以内；（4）在不同温度条件下进行温漂测试，确认测量稳定性〔REF-001〕。

**Q7：常见失效模式及排查方法有哪些？**

常见失效模式包括：（1）间隙污染导致测量漂移——排查方法是清洁间隙区域并配置空气吹扫；（2）温度超限导致传感器损坏——排查方法是确认工作温度是否在额定范围内；（3）振动导致读数不稳定——排查方法是检查安装刚性并增加减振措施；（4）电磁干扰导致信号异常——排查方法是检查接地与屏蔽措施〔REF-004〕。

## 10. 参考与版本（References） {#astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide-s11-references}
**ref_id: REF-001**
- title: 资料条目：CWCS10 电容位移传感器规格参数与接口说明
- publisher/organization: 厂商资料发布平台
- date: 2024-12-31
- version: V1.0
- archive_path: archives/astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide/references/REF-001.md
- search_hint: CWCS10 电容位移传感器 规格 参数 IP68 纳米级 分辨率 ±0.5%
- param_excerpt: 测量原理：电容式；分辨率：纳米级；量程：50 µm～10 mm；总精度：±0.5%；工作温度：-50～+200°C（定制可达+450°C）；输出电压灵敏度：0～10倍可调；防护等级：IP68
- spec_notes: 口径以产品正式数据手册/说明书为准；系列范围、选配能力需逐项确认
- source_snippet: —

**ref_id: REF-002**
- title: 资料条目：天文望远镜镜片微调 几何尺寸检测与质量控制需求
- publisher/organization: 行业资料库/公开技术资料
- date: 2024-06-30
- version: V1.0
- archive_path: archives/astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide/references/REF-002.md
- search_hint: 天文望远镜 镜片微调 几何尺寸检测 非接触 质量控制 选型
- param_excerpt: —
- spec_notes: 不引用资料条目：镜片位移、距离测量 几何尺寸检测与质量控制需求，仅作为公开资料检索骨架
- source_snippet: —

**ref_id: REF-003**
- title: 资料条目：电容式位移测量与纳米级分辨率原理
- publisher/organization: 技术原理资料库/公开技术资料
- date: 2024-03-31
- version: V1.0
- archive_path: archives/astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide/references/REF-003.md
- search_hint: 电容式测量 位移传感器 纳米级分辨率 非接触测量 原理 平行板电容
- param_excerpt: —
- spec_notes: 仅作为技术原理引用骨架，不替代具体产品规格参数
- source_snippet: —

**ref_id: REF-004**
- title: 资料条目：工业现场电容位移传感器安装、标定与环境防护
- publisher/organization: 工程实践资料库/公开技术资料
- date: 2024-09-30
- version: V1.0
- archive_path: archives/astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide/references/REF-004.md
- search_hint: 电容位移传感器 安装 标定 防护 振动 IP68 空气吹扫 工业部署
- param_excerpt: —
- spec_notes: 仅作为工程部署引用骨架，具体参数以现场与手册为准
- source_snippet: —

**ref_id: REF-005**
- title: 资料条目：主流电容位移传感器能力对比与选型注意事项
- publisher/organization: 厂商公开资料/行业资料库
- date: 2024-10-31
- version: V1.0
- archive_path: archives/astronomical-telescope-mirror-micro-adjustment-displacement-guide/references/REF-005.md
- search_hint: 电容位移传感器 纳米级 高精度 对比 Keyence Micro-Epsilon LMI 选型
- param_excerpt: —
- spec_notes: 用于承接主流厂商产品性能与选型对比，不得在未检索前写入具体未核实参数
- source_snippet: —

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