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程中遇到的問題和解決方案。并在實驗室進行了驗證，給出了實驗結果。實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域和其他工業控制領域。
關鍵詞：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點，因而被廣泛應用于航天航空及工業部門中的測量微小位移、微小尺寸、微小位移偏差、振動和壓力等各個領域。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個光學鏡面的位置關系。
近幾十年，隨著天文學的發展，法珀和拼接鏡面技術越來越成熟，該技術中電部分的核心環節就是邊緣傳感器。目前，電容式邊緣傳感器在國外得到廣泛應用，在國內還沒有掌握這項技術，基于電容式邊緣傳感器在天文、工業控制等領域的重要作用，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過兩電容后在節點處的電壓信號為：

當介電常數和電容極板正對面積相向時，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。