高精度調(diào)頻式電容位移傳感器

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(shè)計(jì)了一種單極板調(diào)頻式電容位移傳感器,可實(shí)現(xiàn)非接觸微位移測(cè)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(hào)，再由乘法器鑒頻得到位移變化量?電路包括測(cè)頭及LC振蕩電路、本振電路、混頻下變頻電路和鑒頻電路?實(shí)驗(yàn)表明該傳感器分辨力達(dá)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)精度、往復(fù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性以及檢定工件尺寸、平直度等的測(cè)量，被廣泛應(yīng)用于超精密定位和超精密測(cè)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(cè)位移變化使傳感器測(cè)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(cè)電容的變化。為了能達(dá)到較高的分辨力，LC振蕩電路的振蕩頻率一般較高。設(shè)定振蕩頻率在3.990MHz時(shí)，電路的靈敏度優(yōu)于1Hz/5nm.為降低鑒頻難度，不直接對(duì)LC振蕩電路的調(diào)頻信號(hào)鑒頻，而是采用雙路差頻方法，首先對(duì)3.990MHz左右的調(diào)頻信號(hào)和本振電路產(chǎn)生的頻率固定的3.980MHz正弦信號(hào)進(jìn)行混頻下變頻，然后對(duì)差頻信號(hào)鑒頻得到位移量變化。2電容傳感器的設(shè)計(jì)整體設(shè)計(jì)傳感器主要由4部分組成:測(cè)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(cè)頭電容極板采用單極板圓形極板，極板的邊緣效應(yīng)產(chǎn)生邊緣附加電容，如圖2所示。為消除邊緣效應(yīng)帶來的影響，在圓形極板外圍加入等電位保護(hù)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(dá)到10-3-10-5數(shù)量級(jí)，在高精度的測(cè)量電路中一般不宜采用。為滿足測(cè)量要求，采用如圖4所示的類電容三點(diǎn)式的克拉潑振蕩電路［2］。電容三點(diǎn)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(yán)重，克拉潑振蕩電路在原電容三點(diǎn)式電路基礎(chǔ)上在L支路中串接一個(gè)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(duì)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(huì)影響振蕩頻率。圖4克拉潑振蕩電路圓形測(cè)頭極板有效直徑為3mm，測(cè)量初始電容間距為100pm,則可計(jì)算得到測(cè)量初始測(cè)頭電容為0.625pF.選取L=47pH,C3=34pF，讓振蕩頻率在3.990MHz左右。實(shí)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(dá)到5x10-6,采用正負(fù)溫度系數(shù)電容搭配實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償,并對(duì)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(duì)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(jìn)入振蕩電路。另外,使用鐵板還可以使屏蔽盒的機(jī)械變形小,這也會(huì)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(shí)驗(yàn)表明:該電路0.5h內(nèi)的穩(wěn)定度達(dá)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(hào)，選擇MSP430F149單片機(jī)控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生頻率為3.980MHz的正弦波。AD9850是最高時(shí)鐘為125MHz，采用先進(jìn)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(duì)本振電路做穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，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(hào)相乘后得到兩者的和頻信號(hào)和差頻信號(hào)，如式(2)所示:通過低通濾波器去除和頻信號(hào)后留下差頻信號(hào)。LC振蕩電路產(chǎn)生信號(hào)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(hào)，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(hào)，從而將調(diào)頻信號(hào)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(diǎn)。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(luò)、乘法器鑒相和低通濾波器。原理為首先通過移相網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)偏移中心頻率的頻率量轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔徊睿儆沙朔ㄆ麒b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(hào)為式中f為鑒頻器輸入信號(hào)頻率。設(shè)C1=C2=C,R1=R2=R,fO=2nRC.差頻信號(hào)為10kHz左右，所以設(shè)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(hào)的幅值有關(guān)。混頻下變頻后信號(hào)峰峰值為500mV左右，為得到較高的靈敏度，在鑒頻前先對(duì)信號(hào)幅值進(jìn)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(gè)儀用運(yùn)算放大器，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于它的放大倍數(shù)僅由一個(gè)電阻決定，涉及元件少，因而部件漂移問題對(duì)模塊的性能影響較小，且不涉及普通負(fù)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(hào)輸入范圍寬，全量程乘方計(jì)算誤差小于0.1%，工作穩(wěn)定，受溫度、電源電壓波動(dòng)的影響小且噪聲低。3測(cè)量結(jié)果由于傳感器的初始間距設(shè)定為100pm,所以先使用100pm的塞尺將被測(cè)物固定在距離傳感器測(cè)頭100pm處，然后通過移動(dòng)壓電陶瓷對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，移動(dòng)步進(jìn)為5nm.實(shí)驗(yàn)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(fù)性為±1nm.對(duì)傳感器在100pm±10pm范圍內(nèi)，用六位半表對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行測(cè)量。測(cè)3組數(shù)據(jù)并取其平均值，采用Excel軟件對(duì)其進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖9所示。實(shí)驗(yàn)表明，在100pm±10pm范圍內(nèi)傳感器分辨力達(dá)到5nm，非線性度小于3%，并具有較高的穩(wěn)定性和重復(fù)性。4結(jié)束語圖9傳感器測(cè)試曲線采用單極板調(diào)頻式電容傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)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－