電容式邊緣傳感器的設計

摘要：電容測微方法能夠檢測到微小的位移變化，在此利用電容測微法設計制作電容式邊緣傳感器，該傳感器可以用來檢測拼接在一起或者相互平行的兩平板之間的位置變化。給出了電容式邊緣傳感器的設計原理，傳感器的主要結構以及設計過程中遇到的問題和解決方案。并在實驗室進行了驗證，給出了實驗結果。實驗結果換算到位移變化達到了檢測到小于5 nm的位置變化的科研目標。該傳感器可以廣泛應用于拼接望遠鏡，法珀等天文儀器控制領域和其他工業(yè)控制領域。
關鍵詞：電容測微；邊緣傳感器；信號調理；AD8302；相位檢測

    電容式傳感器具有體積小、成本低、溫度穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，因而被廣泛應用于航天航空及工業(yè)部門中的測量微小位移、微小尺寸、微小位移偏差、振動和壓力等各個領域。電容式邊緣傳感器(Edge Sensor)是一類特殊的微位移傳感器，天文上可以利用它來檢測拼接在一起或者平行放置的2個光學鏡面的位置關系。
    近幾十年，隨著天文學的發(fā)展，法珀和拼接鏡面技術越來越成熟，該技術中電部分的核心環(huán)節(jié)就是邊緣傳感器。目前，電容式邊緣傳感器在國外得到廣泛應用，在國內還沒有掌握這項技術，基于電容式邊緣傳感器在天文、工業(yè)控制等領域的重要作用，本文對此展開了研究。

1 電容測微法的原理
    平面變間隙式電容傳感器可以由2個相互平行的平面板組成，其電容量為：
   
    式中：ε為兩電容極板間介電常數；A為極板正對面積；h為兩極板間距；C為傳感器兩極板間的電容量。
    圖1中V1和V2為相位相反、幅值相同的方波電壓信號，根據戴維寧等效定理經過兩電容后在節(jié)點處的電壓信號為：
   
    當介電常數和電容極板正對面積相向時，電路的輸出電壓僅與兩電容基板間距相同，即：
   
    測量兩平板是否平行，需要兩組電容C1，C2和C3，C4，如圖1所示，若平板1和平板2平行，即h1=h2，則Vo=0；若平板1和平扳2不平行，有2種情況：若h1>h2，則輸出電壓Vo與電壓信號V1相位相同；若h1<h2，輸出電壓Vo與電壓信號V1相位相反。另一組C3，C4的電路輸出關系與C1，C2相同。

2 傳感器硬件設計
2．1 儀器主要結構
    如圖2所示電容式邊緣傳感器主要由信號發(fā)生電路、測量電路、放大電路、低通濾波電路、限幅電路、相位檢測電路和信號調理電路組成，傳感器硬件設計電路圖如圖3所示。

2．2 信號發(fā)生電路
    在實際中要產生嚴格的2列幅值相同，相位相反的當波信號是很困難的，以單片機為例，產生2列方波的時間延遲微秒量級，本設計使用單片機產生1列頻率為720 Hz的方波，利用此方波信號驅動異或門電路，使之產生2列幅值為5 V、相位相反的方波信號。通過TTL到CMOS電路的轉換，徹底實現產生2列幅值為0～5 V，相位嚴格相反的2列方波信號，并能夠驅動后級CMOS電路。
2．3 測量電路
    測量電路是電容式邊緣傳感器的核心部分，2列幅值相同，相位相反的方波信號通過兩路待測電容，在節(jié)點處的輸出電壓信號可以判斷2電容是否相等。
    圖4為檢測電路電路圖，V1和V2為幅值相同、相位相反的方波電壓信號。通過判斷G點的電壓信號相位，來判斷C1和C2是否相等。若C1> C2，則輸出電壓信號VG與V1相位相同；若C1=C2，G點無信號輸出；若C1<C2，輸出電壓信號VG與V1相位相反。

    實際的測量電路中會有噪聲存在， 當|C1-C2|<<C1或|C1-C2|<<C2，即2電容之差非常小的時，輸出電壓信號非常微弱，會被噪聲淹沒，因此檢測電路還有一個工作就是盡可能的削減噪聲的影響，檢測到兩電容的微小差別。
2．4 相位檢測電路
    相位檢測電路選用的是幅相檢測芯片AD8302，該芯片將精密匹配的2個對數檢波器集成在一塊芯片上，因而可以將誤差源及相關溫度漂移減小到最低限度。該器件在進行幅值測量時，其動態(tài)范圍可以擴展到60 dB，相位測量范圍可以達到180°。因此可以用來精確測量到兩獨立的射頻、中頻和低頻信號的相位差，相位測量精度高，優(yōu)于0．5°。但是AD8302對輸入信號的動態(tài)范圍要求很嚴格，范圍為-60～0dBm。為防止損壞器件，需對2路輸入信號進行功率調整。

    圖5為相位檢測電路圖，由檢測電路輸出的電壓信號VG，經過放大、濾波處理后為IN1，比較信號為IN2，作為相位檢測芯片的輸入，IN1和IN2經過P3和P4的功率調整后為電壓信號VA和VB，通過相位檢測，其幅值和相位輸出分別如下：
   
    式中：VMAG為待測信號與比較電壓信號幅值比較的輸出；RFISIP為比例系數，RFISIP=30mV／dB(600 mV／diecade)；Vcp表示中心點電壓，Vcp=900 mV；VPHS為待測信號與比較電壓信號相位檢測輸出；RFIω為比例系數，RFIω=-10 mV／decade；φ(VA)，φ(VB)分別表示待測信號VA和比較信號VB的相位。

    圖6和圖7為AD8302在測量模式下幅值比較響應理想特性曲線和相位差響應理想特性曲線。AD8302在無信號輸入的情況下，幅值和相位輸出為-Vcc，通過判斷幅值和相位同時為-Vcc可以得到C1是否等于C2，由圖7可以看出通過判斷相位差輸出為0或者1．8 V可以判斷測量信號以比較信號相位相同或者相反，進而得到C1>C2或者C1<C2。

2．5 信號調理
    由于傳感器輸出只有3種狀態(tài)：C1>C2，C1=C2，C1<C2，相位檢測芯片的幅值和相位比較輸出結果對應于這3種狀態(tài)，通過信號調理，使其輸出為數字處理器可以直接接收的0 V，3．6 V；0 V，0 V；3．6 V，0 V3種狀態(tài)的信號，這3種狀態(tài)在計算機等數字處理器中可認為01，00，10這3種狀態(tài)。計算機可以通過判斷這3種狀態(tài)，來調整平板、鏡片等位置微小變化。

3 初步實驗結果
    利用壓電陶瓷微動臺對該傳感器線性度和分辨率進行測試，測試示意圖如圖8所示。計算機控制壓電陶瓷驅動器使壓電陶瓷產生形變，驅動微動臺上兩組電容的極板產生微小位移，間距發(fā)生變化導致電容大小發(fā)生改變，電容式邊緣傳感器檢測電路檢測到電容變化信號，通過信號調理直接給計算機等數字處理器。

    實驗采用如圖9所示的V1信號經過功率調整的電壓信號作為比較信號，圖10對應C1=C2輸出信號濾波前后波形，圖11，圖12分別對應C1> C2，C1<C2時的比較信號和輸出信號波形。輸出信號和比較信號通過相位檢測電路的輸出結果如表1所示，實驗結果表明微動臺兩平板初始間隙為5μm，該電路能夠檢測到小于5 nm的平行度。

4 結語
    作為納米級的電容式邊緣傳感器，可以廣泛應用于精密控制領域。在天文上。能夠檢測到5nm的平行度的傳感器，可以應用于光學鏡面調整，目前法珀和拼接鏡面技術應用越來越廣泛，電容式邊緣傳感器因其體積小、成本低、溫度穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，在法珀和拼接鏡面技術發(fā)展中的地位不容小覷。電容式邊緣傳感器技術在國內發(fā)展仍不成熟，提高該傳感器電路性能，減少噪聲等誤差源的影響，實現大行程，高精度的測量是我們下一步繼續(xù)努力的目標。