摘要：電容測(cè)微方法能夠檢測(cè)到微小的位移變化，在此利用電容測(cè)微法設(shè)計(jì)制作電容式邊緣傳感器，該傳感器可以用來(lái)檢測(cè)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(guò)程中遇到的問(wèn)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(cè)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(cè)微；邊緣傳感器；信號(hào)調(diào)理；AD8302；相位檢測(cè)

    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(mén)中的測(cè)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(lèi)特殊的微位移傳感器，天文上可以利用它來(lái)檢測(cè)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(lái)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(guó)外得到廣泛應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)還沒(méi)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(duì)此展開(kāi)了研究。

1 電容測(cè)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(duì)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(guò)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(duì)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(cè)量?jī)善桨迨欠衿叫校枰獌山M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(cè)量電路、放大電路、低通濾波電路、限幅電路、相位檢測(cè)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(mén)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(guò)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(cè)量電路
    測(cè)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(guò)兩路待測(cè)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(cè)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(guò)判斷G點(diǎn)的電壓信號(hào)相位，來(lái)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(wú)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(cè)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(méi)，因此檢測(cè)電路還有一個(gè)工作就是盡可能的削減噪聲的影響，檢測(cè)到兩電容的微小差別。
2．4 相位檢測(cè)電路
    相位檢測(cè)電路選用的是幅相檢測(cè)芯片AD8302，該芯片將精密匹配的2個(gè)對(duì)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(cè)量時(shí)，其動(dòng)態(tài)范圍可以擴(kuò)展到60 dB，相位測(cè)量范圍可以達(dá)到180°。因此可以用來(lái)精確測(cè)量到兩獨(dú)立的射頻、中頻和低頻信號(hào)的相位差，相位測(cè)量精度高，優(yōu)于0．5°。但是AD8302對(duì)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍要求很?chē)?yán)格，范圍為-60～0dBm。為防止損壞器件，需對(duì)2路輸入信號(hào)進(jìn)行功率調(diào)整。

    圖5為相位檢測(cè)電路圖，由檢測(cè)電路輸出的電壓信號(hào)VG，經(jīng)過(guò)放大、濾波處理后為IN1，比較信號(hào)為IN2，作為相位檢測(cè)芯片的輸入，IN1和IN2經(jīng)過(guò)P3和P4的功率調(diào)整后為電壓信號(hào)VA和VB，通過(guò)相位檢測(cè)，其幅值和相位輸出分別如下：
   
    式中：VMAG為待測(cè)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(cè)信號(hào)與比較電壓信號(hào)相位檢測(cè)輸出；RFIω為比例系數(shù)，RFIω=-10 mV／decade；φ(VA)，φ(VB)分別表示待測(cè)信號(hào)VA和比較信號(hào)VB的相位。

    圖6和圖7為AD8302在測(cè)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(wú)信號(hào)輸入的情況下，幅值和相位輸出為-Vcc，通過(guò)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(guò)判斷相位差輸出為0或者1．8 V可以判斷測(cè)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(cè)芯片的幅值和相位比較輸出結(jié)果對(duì)應(yīng)于這3種狀態(tài)，通過(guò)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(guò)判斷這3種狀態(tài)，來(lái)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(duì)該傳感器線性度和分辨率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)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(cè)電路檢測(cè)到電容變化信號(hào)，通過(guò)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(guò)功率調(diào)整的電壓信號(hào)作為比較信號(hào)，圖10對(duì)應(yīng)C1=C2輸出信號(hào)濾波前后波形，圖11，圖12分別對(duì)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(guò)相位檢測(cè)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(cè)到小于5 nm的平行度。

4 結(jié)語(yǔ)
    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(cè)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(lái)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(guó)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(cè)量是我們下一步繼續(xù)努力的目標(biāo)。