高精度調(diào)頻式電容位移傳感器陳泓波;黃向東;劉立豐;朱加興【摘要】Thispaperdesignednon-contactFMdisplacementcapacitancesensor,whichwasbasedonthedifferencefrequencyFMtechnology.Thecircuitwasconsistedoftwosinsignalgenerators,down-conversioncircuitanddiscriminator.Experimentalresultsshowthatresolutionof5runcanbeachievedbythissensor,andithasgoodlinearity.%設計了一種單極板調(diào)頻式電容位移傳感器,可實現(xiàn)非接觸微位移測量.其原理為通過雙路差頻方法得到位移-頻率的調(diào)制信號，再由乘法器鑒頻得到位移變化量?電路包括測頭及LC振蕩電路、本振電路、混頻下變頻電路和鑒頻電路?實驗表明該傳感器分辨力達到5nm,并具有較好的線性度.期刊名稱】《儀表技術(shù)與傳感器》年(卷),期】2011(000)012【總頁數(shù)】3頁(P10-11,26)【關(guān)鍵詞】電容;傳感器;微位移【作者】陳泓波;黃向東;劉立豐;朱加興【作者單位】哈爾濱工業(yè)大學超精密光電儀器工程研究所,黑龍江哈爾濱150001;哈爾濱工業(yè)大學超精密光電儀器工程研究所,黑龍江哈爾濱150001;哈爾濱工業(yè)大學超精密光電儀器工程研究所,黑龍江哈爾濱150001;哈爾濱工業(yè)大學超精密光電儀器工程研究所,黑龍江哈爾濱150001【正文語種】中文【中圖分類】TP2120引言電容位移傳感器因其高分辨力、高頻響和非接觸測量等優(yōu)點，可實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)精度、往復機構(gòu)運動特性以及檢定工件尺寸、平直度等的測量，被廣泛應用于超精密定位和超精密測量領(lǐng)域。1調(diào)頻式電容傳感器原理調(diào)頻式電容傳感器是將傳感器電容接入高頻振蕩電路的諧振回路中，被測位移變化使傳感器測頭電容Cx改變，使振蕩電路的振蕩頻率也隨之改變，經(jīng)過鑒頻即可得到被測電容的變化。為了能達到較高的分辨力，LC振蕩電路的振蕩頻率一般較高。設定振蕩頻率在3.990MHz時，電路的靈敏度優(yōu)于1Hz/5nm.為降低鑒頻難度，不直接對LC振蕩電路的調(diào)頻信號鑒頻，而是采用雙路差頻方法，首先對3.990MHz左右的調(diào)頻信號和本振電路產(chǎn)生的頻率固定的3.980MHz正弦信號進行混頻下變頻，然后對差頻信號鑒頻得到位移量變化。2電容傳感器的設計整體設計傳感器主要由4部分組成:測頭及LC振蕩電路、本振電路、混頻下變頻電路和鑒頻電路，原理圖如圖1所示。圖1電容傳感器原理圖傳感器測頭電容極板采用單極板圓形極板，極板的邊緣效應產(chǎn)生邊緣附加電容，如圖2所示。為消除邊緣效應帶來的影響，在圓形極板外圍加入等電位保護環(huán)［1］，如圖3所示。LC振蕩電路—般的LC振蕩器的頻穩(wěn)度只能達到10-3-10-5數(shù)量級，在高精度的測量電路中一般不宜采用。為滿足測量要求，采用如圖4所示的類電容三點式的克拉潑振蕩電路［2］。電容三點式振蕩電路里影響頻率穩(wěn)定度的主要因素是晶體管極間電容Cie、Coe，受溫度的影響嚴重，克拉潑振蕩電路在原電容三點式電路基礎上在L支路中串接一個可變的小電容C3,且C1>>C3、C2>>C3,所以可見，振蕩頻率f只取決于L和C3的大小，而與C1、C2基本上無關(guān)。于是可以增加C1、C2（不必減小L）以減小晶體管電容對頻率的影響，提高了頻率穩(wěn)定度。改變C3可改變振蕩頻率而不影響反饋系數(shù)，改變C1、C2可調(diào)節(jié)反饋系數(shù)而不會影響振蕩頻率。圖4克拉潑振蕩電路圓形測頭極板有效直徑為3mm，測量初始電容間距為100pm,則可計算得到測量初始測頭電容為0.625pF.選取L=47pH,C3=34pF，讓振蕩頻率在3.990MHz左右。實際電路圖如圖5所示。圖5LC振蕩電路為保證振蕩電路的頻率穩(wěn)定度達到5x10-6,采用正負溫度系數(shù)電容搭配實現(xiàn)溫度補償,并對振蕩電路使用雙層屏蔽盒。內(nèi)層屏蔽使用硬鋁,以吸收振蕩電路產(chǎn)生的電磁輻射,減小振蕩電路對外界的影響;外屏蔽使用鐵板,以反射外界的電磁干擾,使外界的電磁干擾不能進入振蕩電路。另外,使用鐵板還可以使屏蔽盒的機械變形小,這也會提高振蕩電路的頻率穩(wěn)定性。在恒溫室內(nèi)的穩(wěn)定性實驗表明:該電路0.5h內(nèi)的穩(wěn)定度達到2.5x10-6o本振電路本振電路產(chǎn)生頻率固定的正弦波信號，選擇MSP430F149單片機控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生頻率為3.980MHz的正弦波。AD9850是最高時鐘為125MHz，采用先進的CMOS技術(shù)的直接頻率合成器。原理圖如圖6所示。圖6本振電路原理圖對本振電路做穩(wěn)定性實驗，0.5h內(nèi)的頻率偏移量為0,可見由DDS芯片產(chǎn)生的正弦波頻率穩(wěn)定性是非常高的?；祛l下變頻電路該部分包括乘法器混頻電路和低通濾波器。乘法器混頻下變頻原理如下，2路正弦信號相乘后得到兩者的和頻信號和差頻信號，如式(2)所示:通過低通濾波器去除和頻信號后留下差頻信號。LC振蕩電路產(chǎn)生信號頻率為3.990MHz左右，本振電路產(chǎn)生頻率固定的3.980MHz正弦信號，經(jīng)混頻后再經(jīng)過截止頻率為20kHz的低通濾波器得到10kHz左右的差頻信號，從而將調(diào)頻信號中心頻率從3.990MHz搬移到10kHz.混頻下變頻原理圖如圖7所示。圖7混頻下變頻原理圖混頻采用基于吉爾伯特乘法器的芯片SA602，吉爾伯特混頻器具有增益高，線性度好，噪聲低等優(yōu)點。低通濾波器采用5階巴特沃斯低通濾波器。鑒頻采用乘法器鑒頻，包括移相網(wǎng)絡、乘法器鑒相和低通濾波器。原理為首先通過移相網(wǎng)絡將信號偏移中心頻率的頻率量轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔徊?，再由乘法器鑒相得到隨相位差變化的電壓值。原理圖如圖8所示。圖8乘法器鑒頻原理圖鑒頻輸入信號為式中f為鑒頻器輸入信號頻率。設C1=C2=C,R1=R2=R,fO=2nRC.差頻信號為10kHz左右，所以設定C1=C2=1500pF，R1=R2=8.2kQ由式(6)可知，輸出電壓值除了和頻率偏移量有關(guān)，還和輸入信號的幅值有關(guān)。混頻下變頻后信號峰峰值為500mV左右，為得到較高的靈敏度，在鑒頻前先對信號幅值進行15倍放大。幅值放大選用芯片AD620,該芯片除了高性能以外，作為一個儀用運算放大器，其最大的優(yōu)點在于它的放大倍數(shù)僅由一個電阻決定，涉及元件少，因而部件漂移問題對模塊的性能影響較小，且不涉及普通負反饋電路中的電阻元件一致性問題。乘法器選用芯片AD734BN,AD734BN為精密、高速四象限模擬乘法器，其信號輸入范圍寬，全量程乘方計算誤差小于0.1%，工作穩(wěn)定，受溫度、電源電壓波動的影響小且噪聲低。3測量結(jié)果由于傳感器的初始間距設定為100pm,所以先使用100pm的塞尺將被測物固定在距離傳感器測頭100pm處，然后通過移動壓電陶瓷對傳感器進行測量實驗，移動步進為5nm.實驗所使用的壓電陶瓷是P-753.1CD，其閉環(huán)行程是12pm,分辨力為0.05nm，線性度為0.03%，重復性為±1nm.對傳感器在100pm±10pm范圍內(nèi)，用六位半表對輸出結(jié)果進行測量。測3組數(shù)據(jù)并取其平均值，采用Excel軟件對其進行擬合，結(jié)果如圖9所示。實驗表明，在100pm±10pm范圍內(nèi)傳感器分辨力達到5nm，非線性度小于3%，并具有較高的穩(wěn)定性和重復性。4結(jié)束語圖9傳感器測試曲線采用單極板調(diào)頻式電容傳感器實現(xiàn)非接觸測量微小位移，結(jié)構(gòu)簡單，方便可行。LC振蕩電路輸出的位移－頻率關(guān)系和鑒頻電路輸出的頻率－