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(duì)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(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h1h2，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。