電容式邊緣傳感器的設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)原理，傳感器的主要結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)過程中遇到的問題和解決方案。并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了驗(yàn)證，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果換算到位移變化達(dá)到了檢測到小于5 nm的位置變化的科研目標(biāo)。該傳感器可以廣泛應(yīng)用于拼接望遠(yuǎn)鏡，法珀等天文儀器控制領(lǐng)域和其他工業(yè)控制領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：電容測微；邊緣傳感器；信號(hào)調(diào)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(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)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(dòng)和壓力等各個(gè)領(lǐng)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(gè)光學(xué)鏡面的位置關(guān)系。
    近幾十年，隨著天文學(xué)的發(fā)展，法珀和拼接鏡面技術(shù)越來越成熟，該技術(shù)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(yīng)用，在國內(nèi)還沒有掌握這項(xiàng)技術(shù)，基于電容式邊緣傳感器在天文、工業(yè)控制等領(lǐng)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(gè)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(shù)；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(hào)，根據(jù)戴維寧等效定理經(jīng)過兩電容后在節(jié)點(diǎn)處的電壓信號(hào)為：
   
    當(dāng)介電常數(shù)和電容極板正對面積相向時(shí)，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(hào)V1相位相同；若h1<h2，輸出電壓Vo與電壓信號(hào)V1相位相反。另一組C3，C4的電路輸出關(guān)系與C1，C2相同。

2 傳感器硬件設(shè)計(jì)
2．1 儀器主要結(jié)構(gòu)
    如圖2所示電容式邊緣傳感器主要由信號(hào)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(hào)調(diào)理電路組成，傳感器硬件設(shè)計(jì)電路圖如圖3所示。

2．2 信號(hào)發(fā)生電路
    在實(shí)際中要產(chǎn)生嚴(yán)格的2列幅值相同，相位相反的當(dāng)波信號(hào)是很困難的，以單片機(jī)為例，產(chǎn)生2列方波的時(shí)間延遲微秒量級(jí)，本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)產(chǎn)生1列頻率為720 Hz的方波，利用此方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)異或門電路，使之產(chǎn)生2列幅值為5 V、相位相反的方波信號(hào)。通過TTL到CMOS電路的轉(zhuǎn)換，徹底實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生2列幅值為0～5 V，相位嚴(yán)格相反的2列方波信號(hào)，并能夠驅(qū)動(dòng)后級(jí)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(hào)通過兩路待測電容，在節(jié)點(diǎn)處的輸出電壓信號(hào)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(hào)。通過判斷G點(diǎn)的電壓信號(hào)相位，來判斷C1和C2是否相等。若C1> C2，則輸出電壓信號(hào)VG與V1相位相同；若C1=C2，G點(diǎn)無信號(hào)輸出；若C1<C2，輸出電壓信號(hào)VG與V1相位相反。

    實(shí)際的測量電路中會(huì)有噪聲存在， 當(dāng)|C1-C2|<<C1或|C1-C2|<<C2，即2電容之差非常小的時(shí)，輸出電壓信號(hào)非常微弱，會(huì)被噪聲淹沒，因此檢測電路還有一個(gè)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(gè)對數(shù)檢波器集成在一塊芯片上，因而可以將誤差源及相關(guān)溫度漂移減小到最低限度。該器件在進(jìn)行幅值測量時(shí)，其動(dòng)態(tài)范圍可以擴(kuò)展到60 dB，相位測量范圍可以達(dá)到180°。因此可以用來精確測量到兩獨(dú)立的射頻、中頻和低頻信號(hào)的相位差，相位測量精度高，優(yōu)于0．5°。但是AD8302對輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍要求很嚴(yán)格，范圍為-60～0dBm。為防止損壞器件，需對2路輸入信號(hào)進(jìn)行功率調(diào)整。

    圖5為相位檢測電路圖，由檢測電路輸出的電壓信號(hào)VG，經(jīng)過放大、濾波處理后為IN1，比較信號(hào)為IN2，作為相位檢測芯片的輸入，IN1和IN2經(jīng)過P3和P4的功率調(diào)整后為電壓信號(hào)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(hào)與比較電壓信號(hào)幅值比較的輸出；RFISIP為比例系數(shù)，RFISIP=30mV／dB(600 mV／diecade)；Vcp表示中心點(diǎn)電壓，Vcp=900 mV；VPHS為待測信號(hào)與比較電壓信號(hào)相位檢測輸出；RFIω為比例系數(shù)，RFIω=-10 mV／decade；φ(VA)，φ(VB)分別表示待測信號(hào)VA和比較信號(hào)VB的相位。

    圖6和圖7為AD8302在測量模式下幅值比較響應(yīng)理想特性曲線和相位差響應(yīng)理想特性曲線。AD8302在無信號(hào)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(shí)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(hào)以比較信號(hào)相位相同或者相反，進(jìn)而得到C1>C2或者C1<C2。

2．5 信號(hào)調(diào)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(jié)果對應(yīng)于這3種狀態(tài)，通過信號(hào)調(diào)理，使其輸出為數(shù)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(hào)，這3種狀態(tài)在計(jì)算機(jī)等數(shù)字處理器中可認(rèn)為01，00，10這3種狀態(tài)。計(jì)算機(jī)可以通過判斷這3種狀態(tài)，來調(diào)整平板、鏡片等位置微小變化。

3 初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    利用壓電陶瓷微動(dòng)臺(tái)對該傳感器線性度和分辨率進(jìn)行測試，測試示意圖如圖8所示。計(jì)算機(jī)控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器使壓電陶瓷產(chǎn)生形變，驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)上兩組電容的極板產(chǎn)生微小位移，間距發(fā)生變化導(dǎo)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(hào)，通過信號(hào)調(diào)理直接給計(jì)算機(jī)等數(shù)字處理器。

    實(shí)驗(yàn)采用如圖9所示的V1信號(hào)經(jīng)過功率調(diào)整的電壓信號(hào)作為比較信號(hào)，圖10對應(yīng)C1=C2輸出信號(hào)濾波前后波形，圖11，圖12分別對應(yīng)C1> C2，C1<C2時(shí)的比較信號(hào)和輸出信號(hào)波形。輸出信號(hào)和比較信號(hào)通過相位檢測電路的輸出結(jié)果如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微動(dòng)臺(tái)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(jié)語
    作為納米級(jí)的電容式邊緣傳感器，可以廣泛應(yīng)用于精密控制領(lǐng)域。在天文上。能夠檢測到5nm的平行度的傳感器，可以應(yīng)用于光學(xué)鏡面調(diào)整，目前法珀和拼接鏡面技術(shù)應(yīng)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(diǎn)，在法珀和拼接鏡面技術(shù)發(fā)展中的地位不容小覷。電容式邊緣傳感器技術(shù)在國內(nèi)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(shí)現(xiàn)大行程，高精度的測量是我們下一步繼續(xù)努力的目標(biāo)。