电容式边缘传感器的设计

摘要：电容测微方法能够检测到微小的位移变化，在此利用电容测微法设计制作电容式边缘传感器，该传感器可以用来检测拼接在一起或者相互平行的两平板之间的位置变化。给出了电容式边缘传感器的设计原理，传感器的主要结构以及设计过程中遇到的问题和解决方案。并在实验室进行了验证，给出了实验结果。实验结果换算到位移变化达到了检测到小于5 nm的位置变化的科研目标。该传感器可以广泛应用于拼接望远镜，法珀等天文仪器控制领域和其他工业控制领域。
关键词：电容测微；边缘传感器；信号调理；AD8302；相位检测

    电容式传感器具有体积小、成本低、温度稳定性好等诸多优点，因而被广泛应用于航天航空及工业部门中的测量微小位移、微小尺寸、微小位移偏差、振动和压力等各个领域。电容式边缘传感器(Edge Sensor)是一类特殊的微位移传感器，天文上可以利用它来检测拼接在一起或者平行放置的2个光学镜面的位置关系。
    近几十年，随着天文学的发展，法珀和拼接镜面技术越来越成熟，该技术中电部分的核心环节就是边缘传感器。目前，电容式边缘传感器在国外得到广泛应用，在国内还没有掌握这项技术，基于电容式边缘传感器在天文、工业控制等领域的重要作用，本文对此展开了研究。

1 电容测微法的原理
    平面变间隙式电容传感器可以由2个相互平行的平面板组成，其电容量为：
   
    式中：ε为两电容极板间介电常数；A为极板正对面积；h为两极板间距；C为传感器两极板间的电容量。
    图1中V1和V2为相位相反、幅值相同的方波电压信号，根据戴维宁等效定理经过两电容后在节点处的电压信号为：
   
    当介电常数和电容极板正对面积相向时，电路的输出电压仅与两电容基板间距相同，即：
   
    测量两平板是否平行，需要两组电容C1，C2和C3，C4，如图1所示，若平板1和平板2平行，即h1=h2，则Vo=0；若平板1和平扳2不平行，有2种情况：若h1>h2，则输出电压Vo与电压信号V1相位相同；若h1<h2，输出电压Vo与电压信号V1相位相反。另一组C3，C4的电路输出关系与C1，C2相同。

2 传感器硬件设计
2．1 仪器主要结构
    如图2所示电容式边缘传感器主要由信号发生电路、测量电路、放大电路、低通滤波电路、限幅电路、相位检测电路和信号调理电路组成，传感器硬件设计电路图如图3所示。

2．2 信号发生电路
    在实际中要产生严格的2列幅值相同，相位相反的当波信号是很困难的，以单片机为例，产生2列方波的时间延迟微秒量级，本设计使用单片机产生1列频率为720 Hz的方波，利用此方波信号驱动异或门电路，使之产生2列幅值为5 V、相位相反的方波信号。通过TTL到CMOS电路的转换，彻底实现产生2列幅值为0～5 V，相位严格相反的2列方波信号，并能够驱动后级CMOS电路。
2．3 测量电路
    测量电路是电容式边缘传感器的核心部分，2列幅值相同，相位相反的方波信号通过两路待测电容，在节点处的输出电压信号可以判断2电容是否相等。
    图4为检测电路电路图，V1和V2为幅值相同、相位相反的方波电压信号。通过判断G点的电压信号相位，来判断C1和C2是否相等。若C1> C2，则输出电压信号VG与V1相位相同；若C1=C2，G点无信号输出；若C1<C2，输出电压信号VG与V1相位相反。

    实际的测量电路中会有噪声存在， 当|C1-C2|<<C1或|C1-C2|<<C2，即2电容之差非常小的时，输出电压信号非常微弱，会被噪声淹没，因此检测电路还有一个工作就是尽可能的削减噪声的影响，检测到两电容的微小差别。
2．4 相位检测电路
    相位检测电路选用的是幅相检测芯片AD8302，该芯片将精密匹配的2个对数检波器集成在一块芯片上，因而可以将误差源及相关温度漂移减小到最低限度。该器件在进行幅值测量时，其动态范围可以扩展到60 dB，相位测量范围可以达到180°。因此可以用来精确测量到两独立的射频、中频和低频信号的相位差，相位测量精度高，优于0．5°。但是AD8302对输入信号的动态范围要求很严格，范围为-60～0dBm。为防止损坏器件，需对2路输入信号进行功率调整。

    图5为相位检测电路图，由检测电路输出的电压信号VG，经过放大、滤波处理后为IN1，比较信号为IN2，作为相位检测芯片的输入，IN1和IN2经过P3和P4的功率调整后为电压信号VA和VB，通过相位检测，其幅值和相位输出分别如下：
   
    式中：VMAG为待测信号与比较电压信号幅值比较的输出；RFISIP为比例系数，RFISIP=30mV／dB(600 mV／diecade)；Vcp表示中心点电压，Vcp=900 mV；VPHS为待测信号与比较电压信号相位检测输出；RFIω为比例系数，RFIω=-10 mV／decade；φ(VA)，φ(VB)分别表示待测信号VA和比较信号VB的相位。

    图6和图7为AD8302在测量模式下幅值比较响应理想特性曲线和相位差响应理想特性曲线。AD8302在无信号输入的情况下，幅值和相位输出为-Vcc，通过判断幅值和相位同时为-Vcc可以得到C1是否等于C2，由图7可以看出通过判断相位差输出为0或者1．8 V可以判断测量信号以比较信号相位相同或者相反，进而得到C1>C2或者C1<C2。

2．5 信号调理
    由于传感器输出只有3种状态：C1>C2，C1=C2，C1<C2，相位检测芯片的幅值和相位比较输出结果对应于这3种状态，通过信号调理，使其输出为数字处理器可以直接接收的0 V，3．6 V；0 V，0 V；3．6 V，0 V3种状态的信号，这3种状态在计算机等数字处理器中可认为01，00，10这3种状态。计算机可以通过判断这3种状态，来调整平板、镜片等位置微小变化。

3 初步实验结果
    利用压电陶瓷微动台对该传感器线性度和分辨率进行测试，测试示意图如图8所示。计算机控制压电陶瓷驱动器使压电陶瓷产生形变，驱动微动台上两组电容的极板产生微小位移，间距发生变化导致电容大小发生改变，电容式边缘传感器检测电路检测到电容变化信号，通过信号调理直接给计算机等数字处理器。

    实验采用如图9所示的V1信号经过功率调整的电压信号作为比较信号，图10对应C1=C2输出信号滤波前后波形，图11，图12分别对应C1> C2，C1<C2时的比较信号和输出信号波形。输出信号和比较信号通过相位检测电路的输出结果如表1所示，实验结果表明微动台两平板初始间隙为5μm，该电路能够检测到小于5 nm的平行度。

4 结语
    作为纳米级的电容式边缘传感器，可以广泛应用于精密控制领域。在天文上。能够检测到5nm的平行度的传感器，可以应用于光学镜面调整，目前法珀和拼接镜面技术应用越来越广泛，电容式边缘传感器因其体积小、成本低、温度稳定性好等诸多优点，在法珀和拼接镜面技术发展中的地位不容小觑。电容式边缘传感器技术在国内发展仍不成熟，提高该传感器电路性能，减少噪声等误差源的影响，实现大行程，高精度的测量是我们下一步继续努力的目标。