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(lái)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(guò)程中遇到的問(wèn)題和解決方案。并在實(shí)驗室進(jìn)行了驗證，給出了實(shí)驗結果。實(shí)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(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；信號調理；AD8302；相位檢測

電容式傳感器具有體積小、成本低、溫度穩定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應用于航天航空及工業(yè)部門(mén)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(lèi)特殊的微位移傳感器，天文上可以利用它來(lái)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(zhù)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(méi)有掌握這項技術(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(kāi)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；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(jīng)過(guò)兩電容后在節點(diǎn)處的電壓信號為：

當介電常數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?jì)善桨迨欠衿叫?，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h1h2，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(guān)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。